Jak działają fazy Księżyca: nauka cyklu księżycowego

Księżyc nie wytwarza własnego światła. To, co ludzie na Ziemi nazywają światłem księżycowym, to światło słoneczne odbijające się od powierzchni Księżyca, według Science Mission Directorate NASA. W każdej chwili Słońce oświetla dokładnie połowę Księżyca, tak jak oświetla połowę Ziemi. Część tej oświetlonej połowy widoczna z Ziemi zmienia się stale, gdy Księżyc porusza się po swojej orbicie, a ta zmieniająca się perspektywa to to, co tworzy sekwencję znaną jako fazy Księżyca.

Dlaczego Księżyc wydaje się zmieniać kształt

Według NASA przyczyna faz księżycowych to prosta geometria: względne pozycje Słońca, Ziemi i Księżyca zmieniają się każdego dnia, gdy Księżyc porusza się wokół Ziemi. Gdy Księżyc znajduje się między Ziemią a Słońcem, jego oświetlona strona jest zwrócona od nas, tworząc nowiu. Mniej więcej dwa tygodnie później, gdy Ziemia znajduje się między Słońcem a Księżycem, cała oświetlona strona jest zwrócona do Ziemi, tworząc pełnię. Każda faza pomiędzy nimi odzwierciedla inny kąt widzenia tej samej półoświetlonej sfery.

NASA zauważa również, że Księżyc jest zsynchronizowany pływowo z Ziemią: obraca się wokół własnej osi prawie dokładnie w tym samym czasie, w jakim obiega Ziemię, dlatego ta sama półkula Księżyca zawsze zwrócona jest do naszej planety. Zsynchronizowanie pływowe wyjaśnia, dlaczego ludzie na Ziemi nigdy nie widzą ciemnej strony Księżyca, ale jest to odrębne zjawisko od geometrii Słońce-Ziemia-Księżyc, która tworzy fazy.

Osiem uznanych faz

NASA opisuje miesiąc księżycowy jako zawierający osiem nazwanych faz, podzielonych na cztery fazy podstawowe i cztery pośrednie. Fazy podstawowe — nowiu, pierwsza kwadra, pełnia i trzecia (lub ostatnia) kwadra — występują w konkretnym, możliwym do obliczenia momencie. Fazy pośrednie opisują stopniowe przejścia między nimi.

• Nowiu — Księżyc znajduje się między Ziemią a Słońcem; bliższa strona nie jest oświetlona.
• Rosnący sierp — cienki pas światła rośnie po prawej stronie (widok z Półkuli Północnej).
• Pierwsza kwadra — połowa widocznego dysku jest oświetlona; Księżyc jest pod kątem 90° od Słońca na niebie.
• Rosnący gibas — więcej niż połowa jest oświetlona, oświetlona powierzchnia nadal rośnie.
• Pełnia — Ziemia znajduje się mniej więcej między Słońcem a Księżycem; cała bliższa strona jest oświetlona.
• Malejący gibas — więcej niż połowa jest oświetlona, oświetlona powierzchnia zmniejsza się.
• Trzecia (ostatnia) kwadra — druga połowa dysku jest oświetlona.
• Malejący sierp — cienki pas pozostaje przed następnym nowiem.

Terminy rosnący i malejący po prostu opisują kierunek: rosnący oznacza, że oświetlona część rośnie, od nowiu do pełni, podczas gdy malejący oznacza, że się zmniejsza, od pełni z powrotem do nowiu, według opisu NASA.

Dlaczego cykl trwa 29,5 dnia, a nie 27,3

Dwie różne liczby opisują ruch Księżyca, a ich pomylenie jest częstym źródłem zamieszania. Miesiąc syderyczny — 27,32166 dni, lub 27 dni, 7 godzin, 43 minuty i 12 sekund — to czas, w jakim Księżyc wykonuje jedną orbitę względem stałych gwiazd, zgodnie ze stroną zaćmień NASA w Centrum Lotów Kosmicznych Goddard. Miesiąc synodyczny — 29,53059 dni, lub 29 dni, 12 godzin, 44 minuty i 3 sekundy — to czas potrzebny do ponownego pojawienia się tej samej fazy (na przykład nowiu do nowiu).

Miesiąc synodyczny jest dłuższy, ponieważ sama Ziemia porusza się wokół Słońca, podczas gdy Księżyc krąży wokół Ziemi. Po ukończeniu jednego pełnego obrotu o 360° względem gwiazd, Księżyc musi pokonać dodatkową odległość — mniej więcej 2,2 dodatkowych dni wartości — aby dogonić to samo wyrównanie Słońce-Ziemia-Księżyc, od którego zaczął, wyjaśnia strona zaćmień NASA. Ten miesiąc synodyczny trwający 29,5 dnia jest podstawą dla kalendarowych "miesięcy" w wielu kulturach i dla powszechnego skrótu, że cykl księżycowy trwa około 29,5 dnia.

Orbita Księżyca nie jest idealnym kołem

Ścieżka Księżyca wokół Ziemi jest elipsą ze średnią ekscentrycznością 0,0549, zgodnie ze stroną zaćmień NASA, co oznacza, że odległość Ziemia-Księżyc zmienia się w trakcie każdej orbity. Perygeum, punkt najbliższy, wahał się między około 356 355 a 370 399 km w ciągu ostatnich pięciu tysięcy lat, podczas gdy apogeum, punkt najdalszy, wahał się między około 404 042 a 406 725 km w tym samym okresie. Oddzielny okres orbitalny — miesiąc anomalistyczny, średnio 27,55455 dni — mierzy czas od jednego perygeum do następnego.

Płaszczyzna orbitalna Księżyca jest również nachylona o około 5,145° względem płaszczyzny orbitalnej Ziemi wokół Słońca (ekliptyka), zgodnie z tym samym źródłem NASA. To nachylenie jest przyczyną tego, że zaćmienia słoneczne i księżycowe nie zachodzą każdego miesiąca, mimo że nowiu i pełnie zachodzą: Księżyc zwykle przechodzi nieco powyżej lub poniżej linii Słońce-Ziemia. Zaćmienia mogą mieć miejsce tylko podczas dwóch "sezonów zaćmień" w roku, gdy nowiu lub pełnia zbiega się z przejściem Księżyca przez płaszczyznę ekliptyki, wyjaśnia strona geometrii zaćmień NASA.

Fazy i pływy oceaniczne

Fazy Księżyca również odpowiadają przewidywalnemu wzorcu pływów. Narodowa Administracja Oceaniczna i Atmosferyczna USA (NOAA) wyjaśnia, że podczas nowiu i pełni — gdy Słońce, Ziemia i Księżyc są prawie wyrównane — siły grawitacyjne Słońca i Księżyca wzmacniają się wzajemnie, tworząc "pływy syzygijne" z wyższymi wysokimi pływami i niższymi niskimi pływami. Podczas pierwszej i trzeciej kwadry, gdy przyciąganie Słońca do oceanu częściowo znosi przyciąganie Księżyca, wynikiem są mniejsze "pływy kvadraturowe". Zarówno pływy syzygijne, jak i kvadraturowe występują dwa razy w każdym miesiącu księżycowym, zauważa NOAA.

Co liczy się jako "błękitny księżyc"

Ponieważ miesiąc synodyczny (około 29,5 dnia) jest krótszy niż większość miesięcy kalendarza, dwie pełnie czasami przypadają w tym samym miesiącu kalendarza. Strona edukacji naukowej EarthSky, zarządzana przez astronomkę Deborah Byrd, opisuje to jako nowoczesną, popularną definicję "błękitnego księżyca". Druga, starsza definicja — trzecia pełnia w sezonie zawierającym cztery pełnie zamiast zwykłych trzech — pochodzi z Maine Farmers' Almanac z 1937 roku. EarthSky śledzi teraz powszechną wersję "drugiej pełni w miesiącu" artykułu z 1946 roku w magazynie Sky & Telescope autorstwa amatora astronoma James Hugh Pruett, który błędnie przeczytał zasadę sezonową almanachu. Miesięczne błękitne księżyce powtarzają się mniej więcej siedem razy na 19 lat, lub mniej więcej co dwa do trzech lat, zgodnie z EarthSky.