Narodziny

Choć ziemska atmosfera pełni bardzo ważną funkcję - chroni nas przed szkodliwym promieniowaniem, to z drugiej strony stanowi duży problem w obserwacjach astronomicznych - pochłania, rozprasza i zmienia kierunek dochodzącego do obserwatora światła a także rozmywa obraz odległych obiektów. Jest również bardzo nieprzewidywalna, gdyż jej skład w danym miejscu może szybko się zmieniać.
Oprócz praktycznego znaczenia atmosfera dostarcza nam co dzień wiele wrażeń estetycznych. Często zabiegani nie zauważamy wielu zachodzących na niebie ciekawych zjawisk świetlnych. Obok bardzo spektakularnych towarzyszących wschodom i zachodom Słońca czy Księżyca, zorzy polarnej (na naszych szerokościach geograficznych rzadziej występującej), przelotu meteoru czy tęczy, występuje wiele innych, może mniej widowiskowych ale równie ciekawych zjawisk. Jednym z nich jest zaobserwowane przez Pana tzw. halo.
Halo może powstać wokół Słońca lub Księżyca podczas przejścia światła przez chmurę kryształków lodu. Każdy z kryształków działa jak pryzmat załamując i rozszczepiając przechodzące światło. Jeżeli kąt łamiący A (rys. 1a) takiego pryzmatu wynosi 60° to powstaje tzw. małe halo - tęczowy pierścień wokół Słońca czy Księżyca o promieniu 22°. Natomiast podczas przejścia światła przez lodowy pryzmat o kącie łamiącym 90° tworzy się tzw. duże halo o promieniu 46°.
Droga światła w kryształkach lodu

Odpowiedź:

Roman Ratajczak:

Pytanie bardzo trudne, odpowiedź prosta - nie wiadomo.
Spróbujmy jednak zebrać "szczątki" informacji na ten temat.

W naukach fizycznych czas traktuje się podobnie jak wymiar przestrzeni (czasoprzestrzeń). W celu wskazania punktu w takim wymiarze określa się system zliczania albo skalę czasu, która definiuje początek i jednostki.
Mechanika klasyczna traktuje czas jako wielkość absolutną, tzn. płynącą tak samo we wszystkich układach odniesienia. Relatywistyczna mechanika odrzuca czas jako absolutny, ponieważ pewne doświadczenia nie dają się pogodzić z tą teorią i wprowadza czas płynący różnie w różnych układach odniesienia.

Jednakże czas jest wyróżniony w stosunku do pozostałych wymiarów, gdyż - jak się wydaje - płynie od przeszłości do przyszłości. Z drugiej strony fizyka nie zawiera informacji o upływie czasu.
Problem "rozwiązał" A. Eddington wprowadzając termin "strzałki czasu" (1927). Wskaźnikiem kierunku upływu czasu jest kierunek wzrostu entropii (entropia - funkcja termodynamiczna, która jest miarą nieuporządkowania układu, tzn. wzrost entropii układu = wzrost nieporządku, chaosu w układzie). Z takiej definicji wynika, że skoro z upływem czasu rośnie nieuporządkowanie układu, to układ jakim jest nasz Wszechświat zmierza do chaosu.

Teraz nasze rozważania możemy przenieść na grunt filozofii, odejść od tematu i zadać równie trudne pytanie: skoro "bałagan" w naszym świecie powinien ciągle wzrastać, to skąd wzięły się w nim tak uporządkowane struktury jak organizmy żywe? A może jesteśmy tylko wybrykiem, zwykłą (a raczej niezwykłą) fluktuacją termodynamiczną w otaczającym nas i ciągle wzrastającym chaosie...

Odpowiedź:

dr Jacek Guzik:

Na szczęście to nie jest błąd. Momenty wschodu i zachodu Słońca zależą od współrzędnych geograficznych miejsca obserwacji. Zwykle myślimy, że jedynie długość geograficzna miejsca obserwacji ma znaczenie dla momentu wschodu czy zachodu - wiemy, że w miejscowościach położonych na wschód od nas Słońce wschodzi wcześniej niż u nas i wcześniej także zachodzi (Japonia zwana jest przecież Krajem Wschodzącego Słońca). Odwrotnie jest na zachodzie. Tam wschód Słońca (i zachód) spóźnia się względem tych zjawisk obserwowanych przez nas o 4 minuty na każdy stopień długości geograficznej (24 godziny dzielimy na 360 stopni). Jednakże oś obrotu Ziemi jest nachylona pod pewnym kątem do orbity Ziemi (czyli płaszczyzny ekliptyki), dzięki czemu mamy nie tylko pory roku, ale także dnie i noce polarne. Nachylenie to sprawia, że np. w czerwcu dzień trwa 12 godz. 10 min. na równiku natomiast na szerokościach powyżej koła podbiegunowego północnego Słońce nie zachodzi (dzień trwa 24 godz.), jednakże na szerokościach poniżej koła podbiegunowego południowego Słońce nie wschodzi (dzień trwa 0 godz.). Widzimy więc, że momenty wschodu i zachodu Słońca (zatem i długość dnia) zależą także od szerokości geograficznej miejsca obserwacji. Zależą one również od dnia w ciągu roku, co jest związane z tym, że Słońce zmienia swoje położenie wśród gwiazd. W okolicach równonocy wiosennej i jesiennej Słońce świeci w zenicie na równiku i długość dnia jest podobna dla wszystkich szerokości geograficznych (patrz tabelka poniżej dla 20 i 21 marca 2004 dla szerokości 0 N, 50 N, 55 N, 60 N i długości geograficznej Krakowa czyli 20 E). Została wybrana jednakowa długość geograficzna aby pokazać wpływ szerokości geograficznej na rozważane momenty.

	0 N		50 N		55 N		60 N
dzień	wschód	zachód	wschód	zachód	wschód	zachód	wschód	zachód
20	5 : 44	17 : 50	5 : 43	17 : 54	5 : 43	17 : 55	5 : 42	17 : 56
21	5 : 43	17 : 50	5 : 41	17 : 55	5 : 40	17 : 57	5 : 39	17 : 58

Natomiast w pobliżu przesilenia letniego dzień trwa dłużej im dalej na północ leży miejsce obserwacji (patrz poniższa tablka dla 20 i 21 czerwca 2004).

	0 N		50 N		55 N		60 N
dzień	wschód	zachód	wschód	zachód	wschód	zachód	wschód	zachód
20	5 : 37	17 : 45	3 : 30	19 : 52	3 : 00	20 : 22	2 : 15	21 : 07
21	5 : 38	17 : 45	3 : 30	19 : 53	3 : 00	20 : 23	2 : 15	21 : 07

Z odwrotną sytuacją mamy do czynienia w pobliżu przesilenia zimowego - im dalej na północ tym krótszy dzień. Sytuację tę obrazują dane dla 20 i 21 grudnia 2004 zawarte w tabeli.

	0 N		50 N		55 N		60 N
dzień	wschód	zachód	wschód	zachód	wschód	zachód	wschód	zachód
20	5 : 33	17 : 41	7 : 35	15 : 40	8 : 02	15 : 13	8 : 41	14 : 34
21	5 : 34	17 : 42	7 : 35	15 : 40	8 : 02	15 : 13	8 : 41	14 : 34

Skoro rozważamy (w pytaniu) styczeń czyli miesiąc gdy Słońce świeci w zenicie na półkuli południowej, więc zgodnie z przewidywaniami dzień na wyższych szerokościach geograficznych północnych musi trwać krócej niż na niższych. Mam nadzieję, że rozumiemy teraz lepiej wpływ długości i szerokości geograficznej miejsca obserwacji na wschody i zachody Słońca.

Odpowiedź:

dr Adam Michalec:

Przedstawiony efekt wiąże się z tym, iż na codzień posługujemy się czasem średnim słonecznym (Greenwich), tzn. według tzw. słońca średniego, poruszającego się jednostajnie po równiku niebieskim. W tym to czasie podawane są efemerydy wschodów i zachodów Słońca. Jednak Słońce prawdziwe porusza się po Ekliptyce, i to niejednostajnie, a więc czas mierzony jego ruchem (czy zegarem słonecznym) biegnie inaczej, nazywamy go czasem prawdziwym słonecznym. Zależność między czasem prawdziwym a średnim opisuje tzw. równanie czasu, które podaje poprawkę jaką trzeba dodać do czasu średniego by uzyskać czas prawdziwy słoneczny. W listopadzie różnica czasów dochodzi aż do 16 minut (patrz rysunek poniżej, z lewej strony).

Na równanie czasu składają się dwie przyczyny (rysunek powyżej, z prawej strony):

W grudniu równanie czasu szybko się zmienia (maleje), 17. wynosi +3.8, a 26. już tylko +0.8. Jego dzienne zmiany są szybsze niż zmiana długości dnia. Momenty wschodów czy zachodów Słońca w tych dniach różnić się będą o 3 minuty, zgodnie z podanymi efemerydami (z dokładnością do podawanych zaokrągleń - jednej minuty). W czasie prawdziwym słonecznym momenty te byłyby prawie identyczne, ale pamiętajmy, że czas prawdziwy słoneczny biegnie niejednostajnie względem czasu atomowego. Czas średni słoneczny jest znacznie lepszym jego przybliżeniem.

Więcej na temat rachuby czasu można znaleźć np. w podręczniku "Astronomia w geografii" Jana Mietelskiego, PWN Warszawa, 1979 (i późniejsze wznowienia).

Odpowiedź:

dr Jan Mietelski:

Średnie okresy obrotu i obiegu Księżyca są obecnie identyczne (27.32166 dnia). Rzeczywisty okres obrotu podlega jednak (wielo-) okresowym wahaniom, których łączna amplituda wynosi ok. 2 min. łuku (gdy patrzeć ze środka globu księżycowego). Wahania te są w przeważającej części wymuszone przez momenty sił zewnętrznych; istnieje też ich składnik swobodny. Efekty te nazywa się libracją fizyczną w długości t (tau). Libracja ta objawia się dla obserwatora „księżycowego” jako drobna niejednostajność ruchu obrotowego naszego satelity. Nie należy jej mylić z libracją optyczną w długości, której amplituda wynosi 7°6’, a przyczyną jej jest tylko to, że oglądamy jednostajnie obracający się Księżyc, który obiega Ziemie niejednostajnie, po orbicie w przybliżeniu eliptycznej.

Przyczyną zrównania się okresu obrotu i obiegi Księżyca są siły pływowe, które działają na Księżyc ze strony Ziemi. Synchronizacja okresów nastąpiła najprawdopodobniej miliardy lat temu, kiedy Księżyc był bliżej Ziemi i siły pływowe były większe. Uderzenia meteorytów nie są w stanie wyprowadzić Księżyc z tego rezonansu.

Zjawisko takie nie jest wyjątkiem w Układzie Słonecznym (zobacz http://www.solarviews.com/eng/data1.htm by przekonać się jak wiele księżyców planet wykazuje podobny efekt).

Odpowiedź:

dr Krzysztof Chyży:

Sprawę prawdziwości relacji z lądowania ludzi na Księżycu w 1969 roku zostawiłbym na boku, gdyż przynajmniej dla mnie jest ona bezsporna. W historii podboju Układu Planetarnego było wiele niezwykłych osiągnięć ludzkości. Jak choćby pionierskie manewry sondy Mariner 10, która w 1974 r. najpierw poleciała do Venus i przekazała ponad 4000 jej zdjęć, następnie pod wpływem jej grawitacji zmieniła orbitę tak, aby udać się w kierunku Merkurego. W 1979 r. Voyager 1 wykorzystując tę technikę przeleciał blisko Jowisza, Saturna, Urana i Neptuna, a następnie został skierowany pod kątem 45^o ponad płaszczyznę planet i obecnie bada heliopauzę (granicę Układu Słonecznego) i jest najodleglejszym obiektem w przestrzeni zrobionym rękami ludzkimi.

Natomiast część pytania o fotografowaniu Księżyca przez Teleskop Kosmiczny jest interesująca sama w sobie. Przez kilka lat NASA wzbraniała się przed skierowaniem zwierciadła Teleskopu Hubble'a w stronę Księżyca tłumacząc to zbyt silnym promieniowaniem, które mogłoby zniszczyć aparaturę pokładową. Obiekt na Księżycu o rozmiarach 4 metrów oglądany przez Teleskop Kosmiczny będzie miał rozmiary kątowe 0.002 sekundy. Instrument o najlepszej zdolności rozdzielczej to kamera słabych obiektów (FOC), która może rozdzielić obiekty o rozmiarach 0.014 sekundy łuku. Pozostawiony na Księżycu statek kosmiczny byłby zatem widoczny na zdjęciu jako nierozdzielona plamka. Dodatkowym problemem jest ruch Księżyca. Urządzenia kierujące Teleskopem Hubble'a mają za zadanie śledzić odległe obiekty i nie są w stanie skompensować ruchu Księżyca, który wynosi ok. 0.5 sekundy łuku/sekundę. Ponieważ najkrótsza ekspozycja kamery FOC wynosi 0.1 sekundy, Księżyc widoczny przez Teleskop będzie wskutek tego dodatkowo rozmazany.

Jednak w 1999 roku Teleskop Kosmiczny został wycelowany na Księżyc i zrobił kilka zdjęć okolicy krateru Kopernik.

W lewym, górnym rogu zaznaczony jest obszar na Księżycu, który fotografował Teleskop Hubble'a. Główny fragment zdjęcia obejmuje 2 oddzielne fotografie połączone w jedną, z kraterem Kopernik w prawym, górnym rogu. Zbliżenie fragmentu krateru - w prawym, dolnym rogu. Kliknij aby powiększyć.

Okazuje się jednak, że nie potrzeba Teleskopu Kosmicznego by mieć zdjęcia Księżyca z jego jakością. Na zdjęciu poniżej widoczny jest ten sam fragment powierzchni Księżyca obserwowany przez Teleskop Kosmiczny i z sondy Clementaine, która w 1994 r. krążyła wokół Księżyca i robiła jego zdjęcia. Obie fotografie są podobnej jakości!

Fragment zdjęcia powierzchni Księżyca zrobionego przez Teleskop Kosmiczny (z lewej) i sondę Clementaine (z prawej). (Credit HST, JPL) Kliknij aby powiększyć.

Najlepsze zdjęcia powierzchni Księżyca pochodzą ze stacji orbitujących go. Ostatnia misja załogowa Apollo 17 sfotografowała lądownik Challenger pozostawiony na Księżycu w dolinie Taurus-Littrow.

Zdjęcie lądownika Challender pozostawionego przez załogę Apollo 17, która wykonała to zdjęcie w 1972 roku z orbity okołoksiężycowej. (Credit LPL) Kliknij aby powiększyć.

Zdjęcie wykonane z orbity okołoksiężycowej przez załogę statku tuż przed powrotem na Ziemię, z odległości ok. 100 km obejmuje obszar o rozmiarze ok. 1100m. Lądownik widoczny jest jako jasna plamka rzucająca wyraźny cień. Jednak nie da się stwierdzić na podstawie zdjęcia, że ta plamka to przedmiot zrobiony ludzką ręką.

Odpowiedź:

dr Krzysztof Chyży:

Pozornie można, w Internecie, od osób, które utrzymują, że mają prawo do ich sprzedawania. Za około 20 dolarów oferowane są działki na Księżycu, Wenus i Marsie. Chyba jeszcze nigdy w historii ziemskich cywilizacji nie doszło do takiego paradoksu: usiłuje się sprzedawać terytoria, których się jeszcze nie zdobyło! Jednak zasady wykorzystania przestrzeni kosmicznej i ciał niebieskich, w tym Księżyca, reguluje Traktat o zasadach określających działalność państw w zakresie badania i wykorzystania przestrzeni kosmicznej, Londyn- Moskwa- Waszyngton z dnia 27.01.1967 (Treaty on Principles Governing the Activities of States in the Exploration and Use of Outer Space, including the Moon and Other Celestial Bodies), w wersji angielskiej dostępny pod adresem http://www.oosa.unvienna.org/SpaceLaw/outersptxt.htm. Traktat podpisało 96 państw (w tym USA i Polska).

Traktat wyraźnie mówi, że przestrzeń kosmiczna, Księżyc i inne ciała niebieskie nie mogą być własnością jakiegokolwiek narodu:

Art. I Traktatu (...) Outer space, including the moon and other celestial bodies, is not subject to national appropriation by claim of sovereignty, by means of use or occupation, or by any other means.

Jednak Traktat nie ogranicza się jedynie do określania zasad wykorzystania przestrzeni kosmicznej przez państwa. Zobowiązuje wszystkie podmioty do uzyskania autoryzacji państwowej i nadzoru państwowego w poczynaniach w Kosmosie. Oferujący działki na Księżycu zdają się ten fakt przemilczać, gdyż takowej autoryzacji nie posiadają i w myśl Traktatu posiadać nie mogą:

Art. VI Traktatu (...) The activities of non-governmental entities in outer space, including the moon and other celestial bodies, shall require authorization and continuing supervision by the appropriate State Party to the Treaty.

Tak więc nie posiądziemy działki na Księżycu czy Marsie. To może i dobrze? Natomiast niewykluczone, że prawo to zmieni się kiedy ewentualnie, w dalekiej przyszłości, ludzie zaludnią Księżyc czy Marsa. Trudno się spodziewać, że nielegalny handel gruntem z przeszłości będzie wtedy honorowany.

Odpowiedź:

dr Piotr Wąż:

W wyniku występujących ruchów w dolnej części atmosfery jej skład chemiczny do wysokości 100-130 kilometrów nie ulega większym zmianom (78% azot, ~21% tlen, ~1% argon, dwutlenek węgla, woda). Powyżej tej wysokości spada w atmosferze zawartość gazów szlachetnych a cząstki ulęgają jonizacji. Na poziomie powyżej 800 kilometrów zaczyna dominować hel, a na wysokości dwa razy większej wodór. 80% całej masy atmosfery znajduje się w warstwie grubości około 10-14 kilometrów (troposfera).

Pomimo, że skład procentowy powietrza w troposferze nie zmienia się znacznie, to jednak jego gęstość (podobnie temperatura i ciśnienie) maleje z wysokością. Zatem tlenu, który jest składnikiem powietrza, jest mniej w jednostce objętości im wyżej nad powierzchnią Ziemi. I tak, na wysokości ponad 4000 metrów we wdychanym powietrzu jest już zbyt mało tlenu, aby człowiek (bez odpowiedniego przystosowawczego treningu) mógł przeżyć tam bez maski tlenowej.

Odpowiedź:

dr Sławomir Breiter:

Pierwsze pytanie wymaga pewnego uściślenia. Powinno ono brzmieć: „Dlaczego w atmosferze Ziemi jest tak mało niezwiązanego wodoru ?" W ten sposób wykluczamy z rozważań wszelkie związki wodoru, jak na przykład parę wodną, której zawartość w atmosferze Ziemi wynosi średnio poniżej 1%, a to już wcale nie mało (zwłaszcza gdy nam ten ułamek procenta gęstym deszczem na głowy pada). Cząsteczkowy wodór H₂ występuje w atmosferze Ziemi, ale rzadko o nim słyszymy, gdyż zalicza się go hurtem do „pozostałych gazów" wymienianych po azocie i tlenie. Na każde dwa miliony cząsteczek atmosfery tylko jedna to wodór. Co prawda ozonu, o którym tak głośno, jest nawet mniej, ale wodór nie odgrywa na tyle istotnej roli, żeby wymieniać go w popularnych opracowaniach - ot, zaświeci czasem podczas zorzy polarnej i tyle ...

Odpowiadając na pierwsze pytanie wkroczę od razu na teren drugiego, gdyż są one w istocie ściśle powiązane. Gazy tworzące atmosfery planet składają się z nieustannie zderzających się cząsteczek poruszających się z dużymi prędkościami. Średnia prędkość tych cząsteczek zależy od dwóch głównych czynników: od temperatury (w gorącym gazie cząsteczki poruszają się szybciej niż w zimnym) i od masy cząsteczek (im mniejsza masa tym szybszy ruch). Ponieważ wodór jest najlżejszym z gazów, jest on tym składnikiem atmosfery, który posiada największą prędkość. Jeśli prędkość cząsteczek gazu przekroczy wartość drugiej prędkości kosmicznej, zwanej też prędkością ucieczki, to cząsteczki opuszczą otoczenie planety i poszybują w kosmos. W przypadku Ziemi pierwsza prędkość kosmiczna wynosi około 7.9 km/s przy powierzchni (im dalej od środka planety, tym jest ona mniejsza). Gdybyśmy wprowadzili do atmosfery Ziemi pewną ilość wodoru, to 97% cząstek ucieknie w ciągu 100 000 lat. Co prawda średnia prędkość cząsteczek wodoru jest cztery razy mniejsza od prędkości ucieczki, ale samo pojęcie „średniej" zakłada, że trafiają się cząsteczki szybsze. W pierwotnej atmosferze Ziemi wodoru było całkiem sporo, ale w geologicznej skali czasu jego żywot był bardzo krótki.

Przejdźmy teraz do problemu Księżyca. Ma on małą masę i prędkość ucieczki wynosi dla niego zaledwie 1.7 km/s. Wspomniane 97% cząsteczek wodoru uciekłoby z jego powierzchni w ciągu zaledwie dwóch godzin. Piętnaście razy cięższe powietrze o składzie zbliżonym do ziemskiego opuściłoby Księżyc w ciągu tysiąca lat. Oczywiście sam fakt bycia księżycem nie zabrania ciałom niebieskim posiadania atmosfery ,a bycie planetą nie jest równoznaczne z gwarancją utrzymania atmosfery. Planeta Merkury posiada masę pięć razy większą niż Księżyc i ma większą prędkość ucieczki, ale jej atmosfera miałaby zbyt dużą temperaturę ze względu na bliskość Słońca, co podnosi średnią prędkość gazu. Z kolei Tytan, księżyc Saturna o masie dwa razy mniejszej niż Merkury, posiada dzięki niskim temperaturom dość gęstą atmosferę.

Więcej informacji na ten temat można znaleźć w książce: P. Artymowicz "Astrofizyka układów planetarnych", PWN 1995.

Odpowiedź: