Dlaczego widzimy tylko jedną stronę Księżyca?
Księżyc posiada wiele unikalnych cech, w porównaniu z innymi księżycami w naszym Układzie Słonecznym.
o Jest największym satelitą względem planety którą okrąża.
o Orbita, rozmiar (średnica) umożliwiają całkowite zaćmienia Słońca.
o Jest cały czas zwrócony jedną stroną ku Ziemi, ta druga, niewidoczna, nazywana jest „ciemną" lub "dalszą" stroną.
Ostatnia cecha, widoczność tylko jednej strony, tłumaczona jest synchronizacją obrotu dookoła własnej osi z okrążaniem Ziemi:
o Okres obrotu własnego Księżyca jest równy okresowi obiegu dookoła Ziemi
o Za przyczynę synchronizacji przyjmuje się siły pływowe, które zahamowały obrót Księżyca i są najmniejsze w przypadku zrównania w/w czasów obiegu i obrotu
o Pływy wynikają z różnic sił przyciągania grawitacyjnego różnych części Księżyca, tak jak na Ziemi przypływy i odpływu wód oceanicznych przyciąganych przez Księżyc. Pływy oceanów zanikną gdy Ziemia będzie obracała się dookoła własnej osi w takim czasie jak okres obiegu Księżyca.
o Pływy bez wątpienia spowalniają obrót Ziemi, ze względu na tarcie wewnątrz oceanów.
o Mimo braku wody na Księżycu, podobny mechanizm – odkształcanie (wydzielanie ciepła, podobnie jak zginanie i prostowanie drutu) skorupy Księżyca, winnien prowadzić do spowolnienia obrotu i synchronizacji.
Takie wyjaśnienie możemy śmiało uznać za nieuprawnione, wprost naiwne:
o Im bliżej synchronizacji tym siły pływowe są mniejsze, synchronizacja może być osiągnięta po nieskończonym czasie.
o Występują rozmaite zaburzenia orbity Księżyca:
o Pole grawitacyjne Ziemi nie jest idealnie punktowe, Ziemia nie jest symetryczną kulą, masa jest rozłożona nierównomiernie
o Zaburzenia orbity przez Słońce
o Zakłócenia wywołane przez planety-olbrzymy (Jowisz, Saturn) także jest zauważalne
o Orbita Księżyca nie jest kołowa, jest elipsą zbliżoną do koła
o Powyższe prowadzi do wniosku, że możemy jednak widzieć obie strony, wolniej lub szybciej winien odsłaniać całą powierzchnię
o Potrzebujemy mechanizmu, który
gwarantuje jednostronną widoczność Księżyca, mimo wielu czynników
zaburzających,
coś na wzór wahadła – wychylone od stanu równowagi wraca do punktu
początkowego.
Rozważmy
płaską tarczę na kołowej orbicie punktowego źródła pola grawitacyjnego Ziemi.
Dla tarczy to jest swobodny spadek w polu grawitacyjnym, które zakrzywia tor
lotu w taki sposób, że ciało porusza się po orbicie kołowej.
Tarcza jest zwrócona stale jedną stroną do Ziemi.
ilustracja
W przypadku
gdy tarczę zastąpimy bryłą sytuacja się komplikuje, ponieważ pole grawitacyjne
jest niejednorodne.
Na części dalej położone od Ziemi działa mniejsza siła przyciągania.
Nie możemy wyciągać prostych wniosków opierając się na idealnym obrazie
idealnych obiektów, jak punktowa Ziemia, idealna, cienka tarcza i musimy uwzględnić wpływ zakłóceń
od strony Słońca, planet.
Okazuje się
jednak, że nie trzeba daleko szukać rozwiązania. Umieszczanie satelitów na orbicie
okołoziemskie oraz potrzeba właściwej orientacji, zwykle takiej
by mogły stale obserwować powierzchnię Ziemi doprowadziło do wykorzystania
mechanizmu stabilizacji gradientem pola grawitacyjnego, czyli zmianą
siły pola grawitacyjnego w zależności od odległości od źródła.
Niezbędny warunek to wydłużony kształt, obiekt musi być niesymetryczny, np. dwa
ciężarki połączone poprzeczką.
Na orbicie ustawią się poprzeczką wzdłuż linii sił pola grawitacyjnego, czyli
wzdłuż pionu, kołysząc się podobnie do wahadła.
Ciężarki połączone poprzeczką na orbicie
Siła Fb jest większa od Fd, stąd cieżarki będą dążyć do ustawienia się poprzeczką wzdłuż lokalnego pionu - prostej łączącej środek masy ze środniem Ziemi.
Na rysynku masy są różne, gdy są takie same efekt jest identyczny, w przypadku gdy m2 będzie większa od m1 to układ obróci się i zamienią się miejscami.
Siły związane z gradientem pola grawitacyjnego są niewielkie, jednak w praktyce wystarczy
wysunąć tyczkę o długości paru metrów i kamera, antena satelity będą stale skierowane
ku Ziemi.
Oscylacje tłumi się wykorzystują ziemskie pole magnetyczne lub rozciąganie
tyczki – czyli zamiana energii wahadła na ciepło.
Identyczny
mechanizm proponujemy dla Księżyca. Warunek to wymóg by nasz satelita był
asymetryczną (grawitacyjnie) bryłą, mimo „okrągłego” wyglądu.
Z jednej strony możemy stwierdzić, że skoro jest jednostronnie widoczny to musi
być asymetryczny,
a z drugiej poszukajmy asymetrii.
Badania
Księżyca, zachowanie satelitów na jego orbicie, wreszcie pomiary pola grawitacyjnego
wykazały ponad wszelką wątpliwość duże niejednorodności.
Zaburzenia są tak istotne, że nawigacja satelitów, na niskich orbitach, pomijająca zjawisko prowadzi
do rozbicia o powierzchnię Księżyca.
Pojawia się pytanie gdzie leży źródło asymetrii?
To znane i dobrze zlokalizowane tak zwane koncentracje masy.
Obserwując Księżyc widzimy ciemne obszaru nazwane oceanami – to właśnie miejsca pod którymi kryją się koncentracje masy (tzw. Maskony).
Po lewej mamy widoczną stronę z ciemnymi morzami a po prawej niewidoczną.
Zatem Księżyc jest niesymetryczny – jest cięższy od strony Ziemi, i podobnie jak satelita z tyczką stabilizuje swoją orientację na orbicie okołoziemskiej.
Ciekawe, ale
odkrywamy Amerykę ponownie.
Opisane rozwiązanie zaproponował wybitny matematyk Joseph-Louis Lagrange już w XVII wieku, co
zaowocowało
nagrodą Francuskiej Akademii Nauk w 1764r.
Joseph Lagrange zajmował się libracjami Księżyca, czyli kołysaniem i obracaniem, które jest widoczne z Ziemi.
Wyniki rozwazań zawarł w pracy: de Lagrange, J.: Theorie de la libration de la lune. Oeuvres de Lagrange 5
(1870).
Na podstawie złożonych obliczeń oraz obserwacji wyciągnął wniosek, że zachowanie, libracje Ksiezyca są wynikiem nierónowmiernego rozkładu masy wewnątrz Księżyca.
Zwykle nie zdajemy sobie sprawy jak widok Księżyca zmienia się w czasie. Z dnia na dzień rejestrujemy tylko zmiany fazy. Poniżej przedstawiamy obraz tarczy Księżyca od pełni do pełni.
Libracje Księżyca
Zaskakuje widok tak złożonego ruchu, widzimy i obrót i kołysanie a także zmianę średnicy tarczy z powodu eliptycznego kształtu orbity - odległość do Ksieżyca zmienia się 363 104 km do 405 696 km.
Zakończenie
Poniższy filmik przedstawia widok księżycowego nieboskłonu z widocznej strony naszego satelity:
Nagranie pochodzi z chińskiego łazika Yutu, który został przywieziony przez lądownik Chang’e 3 (widoczny po lewej stronie obrazu).
Chang’e 3 wylądował po widocznej stronie 14 grudnia 2013r.
Najmniej ruchoma, niebieska tarczka na niebie to Ziemia (okraszona promieniami), fazy Ziemi są lepiej widoczne z centralnej, dolnej części obrazu. Najjaśniejszy obiekt to Słońce.
Zwraca uwagę szczególne położenie Ziemi - nieruchomy centralny punkt nieboskłonu!
Koniec