Żonie

Projekt okładki i stron tytułowych: Ireneusz Gawliński

Ilustracje na okładce: shutterstock/Allexxandar

Ilustracje i animacje wewnątrz książki i na serwerze: Autor (pomysłodawca i wykonawca), Krzysztof Jaroma i Szczepan Skibicki (opracowanie techniczne)

Wydawca: Karol Zawadzki

Koordynator ds. redakcji: Renata Ziółkowska

Redaktor: Monika Zabrocka-Kutera

Produkcja: Mariola Grzywacka

Skład wersji elektronicznej na zlecenie Wydawnictwa Naukowego PWN: Marcin Kapusta / konwersja.virtualo.pl

Książka, którą nabyłeś, jest dziełem twórcy i wydawcy. Prosimy, abyś przestrzegał praw, jakie im przysługują. Jej zawartość możesz udostępnić nieodpłatnie osobom bliskim lub osobiście znanym. Ale nie publikuj jej w internecie. Jeśli cytujesz jej fragmenty, nie zmieniaj ich treści i koniecznie zaznacz, czyje to dzieło. A kopiując jej część, rób to jedynie na użytek osobisty.

Szanujmy cudzą własność i prawo

Więcej na www.legalnakultura.pl

Polska Izba Książki

Copyright © by Wydawnictwo Naukowe PWN SA

Warszawa 2017

eBook został przygotowany na podstawie wydania papierowego z 2017 r., (wyd. I)

Warszawa 2017

ISBN: 978-83-01-19620-2

Wydawnictwo Naukowe PWN SA

02-460 Warszawa, ul. Gottlieba Daimlera 2

tel. 22 69 54 321, faks 22 69 54 288

infolinia 801 33 33 88

e-mail: pwn@pwn.com.pl; reklama@pwn.pl

www.pwn.pl

WSTĘP

O czym jest ta książka, widać już po okładce. Czy jest dobra, czy warto ją mieć? Tego nie wiem. Jest mi jeszcze zbyt bliska. Wiem jednak, czym być miała. Czymś w rodzaju elementarnego podręcznika dla zainteresowanych astronomią, pozbawionego jednakże, typowego dla podręczników, chłodu i bezduszności. Szanuję i lubię podręczniki za ich ład, pewność, normalność. Są niezbędne do zbudowania podstaw każdej wiedzy. Nie zastąpią ich tak często serwowane naukowe nowinki i ulotne hipotezy. Na początku każdej drogi w stronę wiedzy leży otwarty podręcznik – prawdziwy nauczyciel. Więc pośród setek innych książek na księgarskiej ladzie wypatruj ich jak chleba na suto zastawionym stole, a te najlepsze stawiaj na honorowych półkach swojej biblioteki.

Książka ta jest zbiorem kilkudziesięciu powiązanych ze sobą fragmentów: objaśnień, opisów prostych obserwacji bądź sugestii do samodzielnych przemyśleń. Najważniejszym fragmentem, bo będącym rodzajem przewodnika po całym ich zbiorze, jest pierwsza część książki – „Podróż”. Mam nadzieję, że przeczytanie już choćby tylko tego fragmentu okaże się pożyteczne. Starałem się w nim omówić, w najbardziej skondensowanej formie, najważniejsze zjawiska i składniki wiedzy astronomicznej. Pozostałe fragmenty są na ogół bardziej szczegółowym rozwinięciem tematów poruszonych w „Podróży”.

Nawet pobieżnie kartkując książkę, można w niej zauważyć obecność kilku nietypowych znaków: , , , , , , . Sygnalizują one istnienie w publikacji lub poza nią (na serwerze PWN lub w sieci internetowej) dodatkowych informacji na omawiany temat. Piktogram wskazuje na rodzaj informacji, zaś stojąca za nim liczba – jej numer porządkowy. Poniżej są podane przykłady ich użycia i znaczenie:

8 – odsyła do ósmego fragmentu pierwszej części książki: „Podróż”;

22 – odsyła do 22 komentarza w części „Komentarze”;

86 – odsyła do opisu obserwacji o numerze 86, zawartej w części „Obserwacje”;

95 – odsyła do pytania bądź polecenia sformułowanego w części „Jak, gdzie, dlaczego?”;

15 – wskazuje na możliwość obejrzenia rysunku lub zdjęcia o numerze 15 na ekranie monitora (są one lepszej jakości niż te w druku);

23 – wskazuje internetowy adres podany w części „Na serwerze PWN”, umożliwiający obejrzenie krótkiego filmu lub animacji dotyczących omawianego wątku;

99 – wskazuje adres witryny internetowej podany w części „Adresy witryn internetowych” o numerze porządkowym 99.

Aby ułatwić korzystanie z mapek nieba, w prawym dolnym rogu każdej mapki naszkicowana jest dłoń, jaką widzimy z odległości wyprostowanej ręki.

Podróż

„Kto nie ma miedzi, ten w domu siedzi”. To dosadne porzekadło jest, jak każde porzekadło, mocno przesadzone. Bo, choć zabrzmi to naiwnie, ciekawe podróże nie muszą być kosztowne. Zazwyczaj podróże takie wymagają jednak wyobraźni, wytrwałości, a przede wszystkim chęci rozumienia rzeczy, zjawisk, świata [ 20]. Chyba do takich właśnie należy wycieczka, na którą Cię zapraszam.

1. Twoje miejsce

W pogodne popołudnie udaj się na upatrzone wcześniej miejsce, oddalone od wszelkich oznak cywilizacji i wysokich przedmiotów. Gdy już tam dotrzesz i rozejrzysz się wokół, to zapewne nie po raz pierwszy doświadczysz wrażenia, że stoisz pośrodku okręgu. Nazywamy go widnokręgiem (rys. 1.1).

Rys. 1.1. Widnokrąg – to, co widzisz

2. Atmosfera

Spójrz w górę. Uświadom sobie, że od kosmicznych przestrzeni dzieli Cię zaledwie taka odległość, jaką wielokrotnie pokonywałeś podczas rowerowej wycieczki. Grubość tej warstwy atmosfery, dzięki której nasze niebo jest jasne, nie przekracza bowiem 50 kilometrów [ 81, 82]. Niebo obserwowane z tej wysokości jest już niemal czarne [ 10]. Warstwa powietrza, w której dzieje się cała meteorologia i w której przydatne mogą być skrzydła, jest jeszcze pięć razy cieńsza. Jeszcze o połowę mniejsza jest grubość tej warstwy atmosfery, w której może żyć człowiek. W porównaniu z rozmiarami Ziemi grubość atmosfery jest znikoma. Gdybyśmy pomniejszyli Ziemię do wielkości jabłka, to nasza cywilizacyjna aktywność, poza sporadycznymi wypadami w kosmos, zawierałaby się w pokrywającej je skórce. My, przeciętni mieszkańcy Ziemi, wybiegamy poza tę granicę tylko wzrokiem, myślą i wyobraźnią.

3. Słońce

Zapewne jest jeszcze jasno. Świeci Słońce – gwiazda taka sama, jak te, które widać nocą, tyle że bliska, jedyna, której tarczę widzimy. Dzięki temu możemy je badać bardziej wszechstronnie [ 21]. Wiedza o nim ułatwia nam poznawanie jego odległych kuzynów widocznych nocą. O tym, że Słońce jest zwykłą gwiazdą, wiesz zapewne od dawna. Przyjąłeś i zapamiętałeś tę informację. Czy jednak kiedykolwiek potraktowałeś ją w pełni świadomie, czy poddałeś ją swojej wyobraźni, czy jakoś ją przeżyłeś? Jeśli nie, to zrób to teraz. Popatrz na Słońce, jak na odrębny, samoistny byt, jedną z gwiazd rojnego skupiska w niemal pustej przestrzeni. Oczyma wyobraźni obejmij też glob, na którym stoisz. Pomyśl, że jest on jednym z mrowia planetarnych globów obiegających inne gwiazdy. Przyznasz chyba, że gdy popatrzymy na świat właśnie tak, to suche informacje zmieniają znaczenie – coś zyskują.

4. Zmierzch

Teraz uważnie przyjrzyj się barwom nieba. Jeśli Słońce jest jeszcze wysoko ponad horyzontem, to potwierdzisz chyba, że błękit nieba jest najciemniejszy w zenicie. Im bliżej horyzontu, tym jest jaśniejszy, a tuż przy nim przechodzi nieomal w biel [ 10]. Już niedługo obraz ten zacznie się gwałtownie zmieniać. Krótki, barwny spektakl, o którym myślę, widziałeś już wiele razy, lecz mimochodem, patrzyłeś na niego niezupełnie świadomie. Dziś przyjrzyj mu się uważniej.

Tuż przed zachodem Słońca pożółknie jego tarcza, a także otaczające je niebo i światło wypełniające przestrzeń. Największej przemianie ulegnie jednak pas nieba rozciągający się tuż nad horyzontem – ten, który jeszcze niedawno miał barwę błękitno-białą. Jego barwa początkowo zmieni się na żółtą, a później na pomarańczowo-różową. W kierunku przeciwnym niż zachodzące słońce pas ten będzie najszerszy (sięgający najwyżej ponad horyzont) i najbardziej barwny. Zmieni się też barwa nieba w pobliżu Słońca: do niedawna biało-błękitna, jaśniejsza niż w pozostałych jego obszarach, wkrótce stanie się żółtawa, a następnie żółto-pomarańczowa. W chwili, gdy tarcza Słońca zniknie Ci z oczu, po przeciwnej stronie horyzontu zaczną się dziać dziwne rzeczy. Pomarańczowo-różowa otoczka, przylegająca dotychczas do horyzontu, zacznie się podnosić po stronie przeciwległej do Słońca – najszybciej w kierunku dokładnie przeciwnym. Niebo pod podnoszącym się pastelowym otokiem będzie miało ciemną, siną barwę, wyraźnie kontrastującą z ciepłymi barwami otoczki i jasną jeszcze, choć szybko ciemniejącą, resztą nieba. Ten siny fragment nieba będzie obejmował niemal połowę horyzontu. Kształtem będzie przypominał leżącą poziomo soczewkę lub cząstkę pomarańczy, z najgrubszą częścią przeciwległą do miejsca, w którym schowało się Słońce. Z upływem minut grubość sinej soczewki będzie rosła, barwy zwieńczającej ją różowo-pomarańczowej otoczki – bladły, a jasność nieba ponad nią – malała. Skutkiem tego kontrast między barwą soczewki, jej pastelowym zwieńczeniem i resztą nieba będzie się zmniejszał. Po dwudziestu kilku minutach od zachodu Słońca granica między siną soczewką a resztą nieba – teraz już ciemnoszarą – przestanie być widoczna. W tym momencie możesz się obrócić, by oglądać trwającą jeszcze inną część barwnego spektaklu.

Ponad miejscem, w którym znikła tarcza Słońca, rozciągają się teraz wspaniałe łuki zórz: tuż nad horyzontem czerwono-brunatny, a wyżej czerwony, pomarańczowy i żółty, przechodzący niepostrzeżenie, przez ledwie zauważalną zieleń, ku jasnym odcieniom granatu. Prześlizgując się wzrokiem wyżej, przez zenit ku wschodniej części nieba, widzimy, że ów granat ciemnieje, przechodząc niezauważalnie w nieprzyjemną szarość, zalegającą ponad wschodnim horyzontem. Z minuty na minutę zachodnia, jaśniejsza część nieba ustępuje napierającemu od wschodu mrokowi, na którego tle zaczynają pojawiać się gwiazdy. Powoli i uroczyście kończy się misterium spotkania dnia z nocą. Jednak żadna relacja z jego przebiegu, ani ta słowna, ani filmowa [ 10], nie jest w stanie dorównać osobistemu uczestnictwu w tym spektaklu. Jeśli po jego obejrzeniu uznasz, jak ja, że jest on poruszający i jeśli poznasz jego kulisy [ 22], a później, przy nadarzającej się okazji, obejrzysz go jeszcze raz, to, choć Twoje oczy będą widzieć to samo, co wcześniej, Ty będziesz widział wszystko trochę inaczej – więcej, głębiej. Atutem bezpośredniego uczestnictwa w opisanym widowisku jest też możliwość łatwego oszacowania grubości atmosfery [ 81, 82].

Czy zastanawiałeś się kiedyś nad tym, dlaczego w chwili, gdy Słońce już zaszło, wciąż jest jasno? Czy potrafisz to wytłumaczyć [ 95]?

5. Księżyc

Jestem pewien, że jeśli tylko jest on teraz widoczny, to już wielokrotnie na niego spojrzałeś. Bo przyciąga naszą uwagę zarówno wtedy, gdy widzimy go w oprawie wieczornych zórz, jak i na ciemnym niebie w otoczeniu gwiazd. Zmiennością kształtu tarczy i widocznym na niej rysunkiem zaciekawia nawet tych, którzy nie mają skłonności spoglądania do góry. W malarstwie i literaturze zajmuje szczególną pozycję. Na obrazach jego wizerunek symbolizuje zazwyczaj myśli i uczucia namalowanych postaci – ich pragnienie przeniknięcia tajemnic wszelkiego bytu. Literackim przykładem takich zmagań może być fragment poematu Canto Notturno di un pastore dell’Asia autorstwa włoskiego poety – Giacomo Leopardiego:

Co ty robisz Księżycu na niebie? Powiedz, co robisz

Milczący Księżycu?

……………………………….

Powiedz Księżycu, jaką wartość

Ma życie pasterza dla niego,

A twoje życie dla ciebie. Powiedz, ku czemu zmierzają

Ta moja krótka wędrówka

I twoja podróż nieśmiertelna?

…………………………………

A kiedy przedziwne płoną gwiazdy na niebie,

Na cóż dzieła takie?

– Pytam w myśli sam siebie.

Co robią te nieskończone przestworza z ich głębią

Nieskończonego spokoju? Co wypowiedzieć pragnie

Ta ogromna samotność? A ja czym jestem?[1]

Gdy patrzymy na Księżyc dzisiaj, po blisko 200 latach od chwili napisania tych słów, to jego niewzruszony spokój prowokuje nas do podobnych pytań.

Po obudzeniu się z romantycznego letargu spróbuj popatrzeć na Księżyc innym, bardziej trzeźwym okiem. Zacznij łagodnie, na wpół romantycznie – od poznania nazw kilkunastu obiektów widocznych gołym okiem lub przez lornetkę [ 1]. Poznanie położenia Morza Nektaru, Morza Jasności, Morza Deszczów, Zatoki Tęczy i wielu innych obszarów o poetycko brzmiących nazwach na pewno nie zepsuje nastroju księżycowej nocy. Stwarza też szansę zaimponowania znajomym przy ognisku lub grillu. Interesująca jest także historia ustalania się nazw księżycowych obiektów [ 23].

Jeśli masz lunetę lub teleskop, to skieruj je teraz na Księżyc i popatrz na jego powierzchnię okiem przyrodnika [ 24]. Choć prawdą jest, że korzystanie ze szkieł optycznych znacznie pogłębia nasz ogląd świata [ 25], to jednak ich brak nie czyni nas zupełnie ślepymi. Do początku XVII wieku w niebo patrzono przecież tylko gołym okiem, a tak wiele udało się poznać. Jeśli na przykład bardzo uważnie określisz obecne położenie Księżyca względem najbliższych gwiazd i porównasz je z położeniem w chwili, gdy będziesz już odchodził, to dowiesz się czegoś ważnego o jego wokółziemskim ruchu. A jeśli stać Cię na więcej cierpliwości, to używając wyłącznie oka, możesz określić kształt jego orbity [ 83].

6. Horyzont, sfera nieba

Teraz wyobraź sobie gładką kulę i istotę na jej powierzchni o znikomej (w porównaniu z rozmiarami kuli) wysokości. W takim przypadku przyznasz chyba rację stwierdzeniu, że fragment powierzchni kuli w zasięgu wzroku tej istoty będzie tak mały, iż można go uznać za płaski – za część płaszczyzny stycznej do kuli w miejscu, w którym istota ta stoi [ 10].

Tak właśnie jest w przypadku nas – Ziemian. Kula, na której stoisz, nie ma, co prawda, gładkiej powierzchni, lecz nierówności otaczających przedmiotów są, w stosunku do rozmiarów całego globu, na tyle małe, że możemy uznać ją za gładką. Ponieważ jesteś maleńki w porównaniu z rozmiarami globu, to powołując się na poprzednie wyobrażenie, możesz uznać, że obszar ziemskiego globu, który widzisz, jest fragmentem płaszczyzny stycznej do ziemskiego globu w miejscu, w którym stoisz (rys. 6.1). Płaszczyznę tę nazywamy płaszczyzną horyzontu.

Rys. 6.1. To, co widzisz, wyznacza płaszczyznę styczną do Ziemi

Na rysunkach położenie płaszczyzny horyzontu obserwatora zazwyczaj sygnalizuje koło. Wielkość takiego koła nie ma znaczenia, jego zadaniem jest tylko ukazanie położenia płaszczyzny horyzontu jakiegoś obserwatora. Zawsze leży ono w płaszczyźnie wyznaczonej przez widnokrąg – niemal płaski fragment Ziemi, obejmowany wzrokiem obserwatora (rys. 6.2). Dla podkreślenia związku rysowanego okręgu z realnym widnokręgiem dopuszczalne jest, a nawet wskazane, rysowanie na jego obrzeżu bądź powierzchni różnych, otaczających nas, ziemskich obiektów. W demonstracjach, ułatwiających rozumienie wielu zjawisk astronomicznych, rolę płaszczyzny horyzontu znakomicie spełniać może dysk CD przyklejony do globusa w wybranym miejscu, na przykład tym, w którym mieszkasz [ 10].

Płaszczyzna horyzontu dzieli przestrzeń otaczającą Ziemię – kosmos – na dwie części: tę, którą możesz obserwować, i tę niewidoczną. Wynika stąd ważny wniosek, że od miejsca na Ziemi zależy, które obiekty w jej otoczeniu będziemy widzieć, a których nie. Część przestrzeni znajdująca się ponad horyzontem, ta, którą można obserwować, będzie na następnych rysunkach wyróżniana poprzez dorysowywanie połowy sfery opierającej się na płaszczyźnie horyzontu. Od setek lat tę wyimaginowaną powierzchnię, uzupełnioną do pełnej kuli, nazywa się sferą nieba. Przez długi okres sferę nieba traktowano jak byt realny. Gdy zrobi się ciemno i na niebie pojawi się wiele gwiazd, sam z pewnością potwierdzisz zasadność tej nazwy. Zrozumiała stanie się też skłonność naszych przodków do uznawania sfery nieba za rzeczywisty byt. Dlaczego jednak używano nazwy „sfera”, a nie „półsfera”? Bo za realną uznawano również niewidoczną część sfery, tę pod horyzontem. Wyobrażano sobie, że gwiazdy są światełkami wtopionymi w sferę zbudowaną z substancji doskonale przejrzystej i sztywnej – krystalicznej.

Rys. 6.2. Płaszczyznę styczną do ziemskiego globu może reprezentować jej fragment o dowolnej wielkości

Zarówno tu, jak i w wielu innych publikacjach, rysunki ilustrujące wrażenia obserwatora nie pokazują tak naprawdę tego, jak on rzeczy widzi. Przedstawiają jego i to, co on widzi – jego wrażenia – w widoku z zewnątrz, tak, jakbyśmy patrzyli na niego z pewnego oddalenia. Podstawowym elementem takiego rysunku jest horyzont otaczający centralnie położonego obserwatora. Najczęściej (zgodnie z naszym naturalnym odczuciem, ale również dla rysunkowej wygody) horyzont rysujemy poziomo, niezależnie od położenia obserwatora na ziemi. Zazwyczaj rezygnuje się też z rysowania ziemskiego globu pod stopami obserwatora. Umowy te nie są jednak zobowiązujące i ja nie będę się do nich stosował.

Kolejnym ważnym elementem rysunków przedstawiających sytuację obserwatora jest sfera nieba. Na rysunkach spełnia ona podwójną rolę: ilustruje odczuwane przez nas wrażenia, a jednocześnie – w przejrzysty sposób – pozwala uwidaczniać kierunki do obiektów, tory ich ruchu oraz położenie kilku ważnych płaszczyzn. Aby zaznaczyć kierunek do jakiegoś pozaziemskiego obiektu, wystarczy zaznaczyć na sferze punkt przecięcia tego kierunku z powierzchnią sfery nieba. Jeśli obiekt zmienia położenie względem horyzontu, to tor jego ruchu można uwidocznić łukiem. Aby przedstawić położenie jakiejś płaszczyzny, wystarczy narysować linię przecięcia tej płaszczyzny z powierzchnią sfery (rys. 6.3).

Rys. 6.3. Sfera nieba jest pojęciem zgodnym z naszymi odczuciami. Pozwala też przejrzyście ilustrować to, co widzimy na niebie

7. Ruch wirowy

Kula, na której stoisz, obraca się [ 97], dlatego płaszczyzna Twojego horyzontu nieustannie zmienia położenie względem wszystkich pozaziemskich obiektów: Słońca, Księżyca, planet i gwiazd. Po obejrzeniu filmowej migawki [ 10], a może i bez niej, odwołując się tylko do wyobraźni, uznasz chyba za słuszne stwierdzenie, że wielkość przestrzeni otaczającej Ziemię, widocznej w ciągu doby ponad horyzontem, zależy od położenia obserwatora, a dokładniej od jego odległości od ziemskiego bieguna. Ponad horyzontem mieszkańców okolic podbiegunowych w ciągu doby znajdzie się tylko trochę więcej niż połowa przestrzeni otaczającej Ziemię, a mieszkańców okolic równikowych – niemal całe ziemskie otoczenie (rys. 7.1). Ogólniej mówiąc, wielkość przestrzeni, która w ciągu doby znajdzie się ponad horyzontem, jest tym większa, im bliżej równika będzie się znajdował obserwator – im mniejszy będzie kąt między osią obrotu Ziemi a horyzontem [ 29].

Rys. 7.1. Przestrzeń dostępna obserwacjom w ciągu doby zależy od miejsca na Ziemi. Najwięcej obserwować mogą mieszkańcy okolic równika

8. Spojrzenie z oddali

Rozmiary Ziemi są dziesiątki i setki tysięcy razy mniejsze niż odległość Słońca i planet, a miliardy bądź setki miliardów razy mniejsze niż odległości gwiazd. Dlatego w porównaniu z tymi odległościami w pełni uzasadnione jest traktowanie Ziemi jak punktu. Mimo że jest taka mała, nadal aktualne jest to, co zostało dotychczas powiedziane o horyzoncie i jego obrocie. Twoja sytuacja oglądana z coraz większego oddalenia wygląda więc tak, jak przedstawia to widoczna obok sekwencja rysunków. Ostatni z nich odpowiada odległości typowej dla obiektów astronomicznych (rys. 8.1).

Myślę, że po przyjrzeniu się tym rysunkom jednym z pierwszych wniosków, który przyjdzie Ci do głowy, będzie: do zademonstrowania ruchu dowolnego ziemskiego obserwatora i jego horyzontu względem pozaziemskich obiektów wystarczy kartonik przedstawiający płaszczyznę horyzontu, przymocowany pod odpowiednim kątem do listewki pełniącej rolę osi obrotu Ziemi [ 10].

Obrót Ziemi unoszącej obserwatora i jego horyzont uwidoczni się mu jako ruch wszystkich pozaziemskich obiektów względem horyzontu. Ruch ten będzie jednak szczególny. Charakterystyczne cechy tego ruchu można ustalić choćby po uważnym przyjrzeniu się rysunkowi 8.1. Bardziej naocznie pokaże je demonstracja wykorzystująca wspomnianą wcześniej listewkę i krążek [ 10], uzupełnione nitką, za pomocą której można symulować kierunek do jakiegoś obiektu [ 10]. W trakcie takiej demonstracji kierunek listewki pełniącej rolę osi obrotu Ziemi oraz kierunek nitki powinny pozostawać niezmienne względem otaczających przedmiotów, odgrywających rolę obiektów astronomicznych. Myślę, że już samo wyobrażenie sobie takiej demonstracji pozwala zauważyć, że ruch wszelkich odległych pozaziemskich obiektów względem horyzontu – w szczególności Słońca, Księżyca, planet i gwiazd – powinien charakteryzować się następującymi cechami:

I) Obiekty położone w kierunku zbliżonym do kierunku osi obrotu Ziemi powinny poruszać się po okręgach i znajdować się ponad horyzontem przez cały czas. Obiekty bardziej odległe od osi obrotu powinny poruszać się po łukach: po jednej stronie horyzontu powinny wyłaniać się spod horyzontu (wschodzić), zaś po stronie przeciwnej – znikać (zachodzić). Niezależnie od kierunku, w którym obiekt jest widoczny, w trakcie jego ruchu kąt pomiędzy kierunkiem do niego i osią obrotu Ziemi powinien zachowywać niezmienną wartość. Bardziej obrazowo, ruch wszelkich odległych pozaziemskich obiektów scharakteryzować można następująco: odległe obiekty astronomiczne powinny poruszać się względem horyzontu tak, jakby były przytwierdzone do sztywnej sfery obracającej się jednostajnie wokół ustalonej osi [ 10]. Tę oś przez setki lat – gdy za prawdziwe uznawano geocentryczne modele świata – nazywano osią świata. Tu będzie ona nazywana osią obrotu sfery nieba. Jej kierunek jest stały względem horyzontu każdego obserwatora, dlatego każdy mieszkaniec Ziemi może go trwale uwidocznić za pomocą odpowiednio skierowanego i unieruchomionego pręta lub wbitego w ziemię kołka.

Rys. 8.1. Gdy patrzymy w niebo, to rozmiar Ziemi nie ma znaczenia. Możemy przyjmować, że jest punktem. Tego jednak, że ona jest, że jest dużo od nas większa, że wiruje, dowodzi obecność horyzontu i jego obrót

Rys. 8.2. Skutkiem wirowania maleńkiej Ziemi powinien być szczególny ruch odległych obiektów – taki, jakby były one przytwierdzone do sztywnej sfery obracającej się jednostajnie wokół ustalonej osi. Taki ruch wyróżnia płaszczyznę południka niebieskiego oraz podstawowe kierunki geograficzne: północy i południa

Po uważnym przyjrzeniu się rysunkom lub po obejrzeniu animacji [ 10] z pewnością zauważysz, że sposób poruszania się gwiazd względem horyzontu wyróżnia pewną płaszczyznę – prostopadłą do horyzontu i zawierającą w sobie oś obrotu nieba. W momencie przechodzenia przez tę płaszczyznę każda gwiazda jest najwyżej bądź najniżej względem horyzontu. Płaszczyzna ta dzieli kołowe tory wszystkich obiektów na dwie równe części. Płaszczyznę tę dawni astronomowie nazywali południkiem niebieskim. Nazwa ta ma swoje ważne uzasadnienie, wszak Słońce przecina tę płaszczyznę ponad horyzontem dokładnie w połowie swojej dziennej drogi – w połowie dnia. Dlatego właśnie kierunek w płaszczyźnie horyzontu, ponad którym ma to miejsce, nazywamy południowym (rys. 8.2). Oznaczamy go literą S (ang. South). Gdy Słońce przecina tę płaszczyznę pod horyzontem, jest dokładnie połowa nocy. Kierunek w płaszczyźnie horyzontu, pod którym ma to miejsce, nazywamy północnym i oznaczamy literą N (od North). Kierunki wschód i zachód nie mają już tak fundamentalnego znaczenia. Są prostopadłe do kierunku północ-południe: kierunek wschodni skierowany w stronę, po której obiekty wyłaniają się spod horyzontu – wschodzą; zachodni w stronę, po której znikają – zachodzą. Słońce wschodzi niemal dokładnie na wschodzie tylko dwa razy w roku. W tych samych dniach zachodzi niemal dokładnie na zachodzie [ 26].

Rys. 8.3. Ruch odległych pozaziemskich obiektów wyróżnia także (poza płaszczyzną południka niebieskiego) płaszczyznę tzw. równika niebieskiego. Kierunek wschód-zachód, prostopadły do kierunku północ-południe, pokrywa się z linią przecięcia horyzontu i równika niebieskiego

II) Następstwem znikomych rozmiarów Ziemi względem odległości obiektów astronomicznych (por. rys. 8.1) jest to, że w każdym miejscu Ziemi oś obrotu sfery nieba jest tożsama (pokrywa się) z osią obrotu Ziemi, a płaszczyzna prostopadła do osi obrotu nieba jest tożsama z płaszczyzną równika ziemskiego [ 27]. Przyznasz chyba, że jest to wniosek niezwykle poważny i działający na wyobraźnię. Bo oto wskazując ręką kierunek osi obrotu nieba, wskazujemy zarazem przestrzenne położenie osi obrotu Ziemi względem gwiazd, a zakreślając ręką płaszczyznę prostopadłą do osi obrotu nieba – nazywaną równikiem niebieskim – pokazujemy przestrzenne położenie płaszczyzny ziemskiego równika względem gwiazd. Linia przecięcia horyzontu z równikiem niebieskim pokrywa się z kierunkami wschodu i zachodu (rys. 8.3).

Rys. 8.4. Niemal idealna równoległość osi obrotu nieba i Ziemi umożliwia łatwy pomiar szerokości geograficznej każdego miejsca Ziemi

III) Ponieważ rozmiary Ziemi są zaniedbywalnie małe w porównaniu z odległościami astronomicznych obiektów, możemy uznać, że oś obrotu nieba i oś obrotu Ziemi są równoległe (mają ten sam kierunek). To samo można powiedzieć o równiku ziemskim i niebieskim. Obie osie i oba równiki są przesunięte względem siebie na odległość zależną od szerokości geograficznej obserwatora. Następstwem równoległości osi i równoległości równików jest kolejny wniosek, praktycznie bardzo użyteczny: kąt między osią obrotu nieba i płaszczyzną horyzontu jest równy szerokości geograficznej miejsca obserwacji. Widać to wyraźnie na przekroju Ziemi w płaszczyźnie przechodzącej przez oś obrotu Ziemi i miejsce obserwacji (rys. 8.4). Fakt ten już od wieków wykorzystują podróżnicy i geodeci [ 28]. Ma on również znaczenie dla astronomów, wszak od położenia osi obrotu nieba względem horyzontu zależy wielkość obszaru nieba dostępnego obserwacjom w ciągu nocy [ 29]. Zamieszczone rysunki odpowiadają (w przybliżeniu) szerokości geograficznej Polski.

IV) Ostatni wniosek jest chyba najbardziej oczywisty: kątowa prędkość obracania się sfery nieba jest równa prędkości obrotu Ziemi.

To wszystko powinniśmy dostrzegać, jeśli Ziemia się obraca. A jak jest naprawdę?

O tym, że Słońce porusza się względem horyzontu dokładnie tak, jak to zostało opisane we wniosku I, wiesz z codziennego doświadczenia. Może powinieneś jednak sprawdzić, czy zgodnie z przewidywaniami zachowuje się Księżyc i gwiazdy. Możesz zrobić to już teraz. I zrób! Nie pożałujesz! Ruch Słońca względem horyzontu nie robi na nas wrażenia – przyzwyczailiśmy się. Zupełnie czym innym jest zobaczenie obrotu całego nieba. Gdy go zobaczysz, poczujesz się pasażerem potężnej karuzeli. To naprawdę mocne doznanie [ 84]. A jeśli masz ze sobą aparat fotograficzny, to pozwoli Ci on nie tylko efektownie i efektywnie sprawdzić, czy rzeczywisty ruch obiektów jest taki, jaki być powinien. Przekonasz się jeszcze, jak pasjonujące jest fotografowanie nieba [ 30].

Na zakończenie myślenia o ruchu gwiazd spróbuj odpowiedzieć na pytanie, dlaczego opisując ruch obiektów, będący skutkiem wirowania Ziemi, podkreślałem tak często, że jest on taki w przypadku obiektów bardzo odległych. Czy ruch obiektów bliskich byłby inny [ 99]?

9. Niebo dla Ziemi

Ziemski glob na rysunku 9.1 został powiększony [ 10] po to, aby pokazać pierwszą ważną korzyść wynikającą z możliwości obserwowania pozaziemskich obiektów. Dzięki temu widać na nim dostatecznie wyraźnie, że płaszczyzna południka niebieskiego jest tożsama z płaszczyzną południka geograficznego przechodzącego przez miejsce obserwacji (rys. 9.1). Możemy więc stwierdzić, że kierunki południa i północy wskazują najkrótszą drogę do północnego i południowego bieguna Ziemi. Zauważ, że podstawę definicji tych kierunków stanowił wyłącznie ruch obiektów astronomicznych – nie była do tego potrzebna znajomość kształtu Ziemi. Definicja tych kierunków byłaby taka sama, gdyby Ziemia miała inny kształt.

Fakt, że ruch pozaziemskich obiektów względem horyzontu (a dokładniej kierunek osi obrotu sfery nieba) stanowił podstawę definicji kierunków geograficznych, umożliwiając tym samym orientację na powierzchni Ziemi, jest niezwykle ważny, lecz nie wyczerpuje on korzyści, jakie osiągamy z obserwacji nieba. Jest ich znacznie więcej i wszystkie one miały dla nas, mieszkańców Ziemi, ogromne znaczenie [ 28]. Niebo przez wieki stanowiło podstawę rachuby czasu [ 31]. Zmiany położenia Słońca, Księżyca bądź gwiazd względem horyzontu umożliwiały orientowanie się w porze doby. Jeszcze do niedawna rok (tzw. zwrotnikowy) był międzynarodowym wzorcem jednostki czasu. Obserwacje nieba stanowiły podstawę do opracowania wszystkich kalendarzy [ 32]. Umożliwiły także określenie kształtu ziemskiego globu.

Ponad wszystkie praktyczne korzyści wyrasta jednak jedna, na pozór zupełnie niepraktyczna, a mianowicie: wpływ widoku rozgwieżdżonego nieba na treść i sposób naszego myślenia o świecie, o życiu. To niewątpliwie korzyść najważniejsza i wbrew pierwszemu odczuciu bardzo konkretna i praktyczna, wszak skutki takiego, a nie innego myślenia odciskają się na wszystkich naszych poczynaniach, także tych najbardziej codziennych. Jeśli w to wątpisz, to wyobraź sobie kulturę i wiedzę o świecie, istot żyjących na planecie wiecznie pokrytej chmurami. A może łatwiej Ci będzie wyobrazić sobie naszą kulturę i wiedzę, usuwając z historii naszego rozwoju wszystkie astronomiczne pożytki i ich następstwa?

Rys. 9.1. Przedłużenie płaszczyzny południka niebieskiego przecina Ziemię w płaszczyźnie południka przechodzącego przez miejsce obserwacji – południka miejscowego

10. Skutki krążenia wokół Słońca

Zanim zapadnie noc i pojawią się gwiazdy, zdążysz z pewnością przemyśleć jeszcze następstwa obiegu Ziemi wokół Słońca. Kiedyś na lekcji przyrody lub geografii dowiedziałeś się zapewne o tym, że:

■ Ziemia obiega Słońce po niemal kołowej orbicie, a gdybyśmy spojrzeli na Układ Słoneczny od strony jej północnego bieguna, to stwierdzilibyśmy, że obiega ona Słońce w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara – w tę samą stronę, w którą się obraca;

■ oś obrotu Ziemi ma niemal stały kierunek względem gwiazd [ 33] i jest nachylona do płaszczyzny orbity pod kątem 66°33’.

Jeśli chcesz wiedzieć, czy za pomocą prostych, samodzielnie wykonanych obserwacji mógłbyś udowodnić wokółsłoneczny ruch Ziemi, to z przykrością informuję, że jest to niemożliwe. Możliwe i łatwe jest natomiast zaobserwowanie szeregu zjawisk, które powinny wystąpić, jako logiczne skutki tego ruchu. Zaobserwowanie tych zjawisk nie będzie oczywiście dowodem prawdziwości przytoczonych wyżej, podręcznikowych stwierdzeń, lecz jedynie ich uwiarygodnieniem. Niektóre z nich znasz od dzieciństwa, lecz nie wszystkie.

Jedno z następstw wokółsłonecznego ruchu Ziemi jest pokazane na rysunku 10.1 [ 10]. Przedstawia on położenie Ziemi i horyzontu obserwatora patrzącego w niebo z tego samego miejsca na Ziemi o tej samej godzinie w odstępie około 30 dni. Rysując go, przyjąłem, że obserwator znajduje się w pobliżu równika i spogląda w niebo około północy w połowie września i października. Słońce jest położone daleko poza rysunkiem – na dole. Trzy linie wskazują kierunki do trzech odległych gwiazd położonych w pobliżu płaszczyzny orbity Ziemi, a zarazem płaszczyzny rysunku.

Rys. 10.1. Położenie gwiazd względem horyzontu o tej samej godzinie zależy od daty obserwacji. Na rysunku przedstawione są położenia Ziemi w odstępie około 30 dni oraz kierunki do trzech gwiazd, ustalane przez tego samego obserwatora na około godzinę przed północą

Uważnie przyjrzyj się rysunkowi. Jeśli potwierdzisz, że został on narysowany poprawnie, to tym samym będziesz musiał przyznać, że obserwując niebo z tego samego miejsca na Ziemi i o tej samej godzinie, powinniśmy widzieć zmianę położenia gwiazd względem horyzontu; zmiana ta będzie skutkiem przemieszczenia się Ziemi na orbicie. Zauważ, że w chwili wcześniejszej (Ziemia z prawej strony rysunku), o północy, ponad kierunkiem południa była widoczna gwiazda, którą wskazuje linia ciągła. Po upływie miesiąca (Ziemia z lewej strony rysunku), o północy, w tym samym kierunku jest widoczna gwiazda, wskazana linią przerywaną. Jeszcze później (po około dwóch tygodniach), w tym kierunku, będzie widoczna gwiazda wskazywana linią punktową. Ostateczny wniosek jest więc taki, że jednym ze skutków orbitalnego ruchu Ziemi powinny być nieustanne zmiany położenia gwiazd względem horyzontu – z upływem dni i tygodni pozaziemskie obiekty obserwowane o tej samej godzinie powinny być widoczne coraz bardziej na prawo.

Kolejnym skutkiem orbitalnego ruchu Ziemi powinna być nieustanna zmiana położenia Słońca na tle gwiazd. Z rysunku 10.2 wynika, że ruch ten powinien następować w płaszczyźnie orbity Ziemi i w kierunku przeciwnym niż kierunek dobowego obrotu sfery nieba (mieszkańcy północnej półkuli Ziemi powiedzieliby, że względem gwiazd Słońce przemieszcza się w lewo) [ 85, 10]. Do tego samego miejsca na tle gwiazd powinno ono powracać po upływie roku.

Rys. 10.2. Jednym z następstw wokółsłonecznego ruchu Ziemi powinna być ciągła zmiana położenia Słońca na tle gwiazd. Dla mieszkańców północnej półkuli Ziemi Słońce powinno przemieszczać się w lewo, w płaszczyźnie pokrywającej się z płaszczyzną orbity Ziemi

W pierwszej chwili może się wydawać, że zjawisko to jest niemożliwe do zaobserwowania, bo niemożliwe jest obserwowanie Słońca na tle gwiazd. Myślę, że po chwili zastanowienia przyznasz jednak słuszność stwierdzeniu, że dowodem na przemieszczanie się Słońca względem gwiazd byłoby zaobserwowanie systematycznych zmian w położeniu gwiazd względem horyzontu o tej samej godzinie – zjawiska omówionego wcześniej. Ta sama godzina obserwacji oznacza przecież, że Twój horyzont jest niemal tak samo ustawiony względem prostej Ziemia-Słońce – wszak od południa do chwili obserwacji Ziemia obróciła się, wraz z Tobą i Twoim horyzontem, o taki sam kąt. Tak więc inne położenie gwiazd względem horyzontu o tej samej godzinie oznacza inne położenie Słońca względem gwiazd.

Zauważ, że sezonowe zmiany położenia gwiazd względem horyzontu oraz ruch Słońca względem gwiazd obserwowalibyśmy również w przypadku, gdyby to Słońce obiegało Ziemię. Dlatego podkreślę raz jeszcze: zjawiska te nie dowodzą wokółsłonecznego ruchu Ziemi, lecz są jedynie logicznymi następstwami takiego ruchu.

Takie samo logiczne znaczenie mają omówione niżej przejawy wokółsłonecznego ruchu Ziemi. Tym razem jednak ich przyczyną jest nie tylko wokółsłoneczny ruch Ziemi, lecz także to, że oś wirowania Ziemi nie jest prostopadła do płaszczyzny jej orbity. Jeśli jest ona pochylona, a jej kierunek ma ustalone położenie względem gwiazd, to kąt α pomiędzy osią i kierunkiem do Słońca będzie zmieniał się wraz ze zmianą położenia Ziemi na orbicie (rys. 10.3) [ 10].

Rys. 10.3. Skutkiem nachylenia osi obrotu Ziemi do płaszczyzny orbity jest zależność kąta pomiędzy osią obrotu Ziemi i kierunkiem Ziemia-Słońce od pozycji Ziemi na jej wokółsłonecznej orbicie

Ponieważ kierunek osi obrotu Ziemi można utożsamiać z kierunkiem osi obrotu nieba, dlatego też dla nas zmiany położenia Ziemi na orbicie przejawiać się powinny ciągłymi zmianami kąta pomiędzy osią obrotu nieba i kierunkiem do Słońca. Ich rezultatem powinien być inny każdego dnia tor ruchu Słońca względem horyzontu. W ciągu roku tory ruchu Słońca powinny wypełniać ustalony pas nieba.

Na rysunku 10.4 są pokazane tory ruchu Słońca dla kilku wybranych dat. Najbardziej widocznym przejawem zmian toru ruchu Słońca będą: a) zmiany miejsc jego wschodu i zachodu, b) zmiany maksymalnej wysokości Słońca ponad horyzontem w południe, c) zmiany długości dnia i nocy. Mam nadzieję, że aby sprawdzić, czy tak jest naprawdę, nie będziesz musiał wykonywać żadnych obserwacji, że wystarczy jedynie odwołanie się do wspomnień. Same wspomnienia powinny też wystarczyć do oszacowania wielkości kąta nachylenia osi obrotu Ziemi względem płaszczyzny orbity. Znacznie dokładniej można to zrobić, posługując się nawet najbardziej prymitywnym kątomierzem (dwa długie patyki połączone przegubowo swoimi końcami). Za jego pomocą można bowiem zmierzyć jedną z granicznych wartości kąta α – kąta pomiędzy osią obrotu nieba i kierunkiem do Słońca. W tym wypadku swoją użyteczność ujawniłby kołek wbity w ziemię nocą, podczas której ustaliłbyś kierunek osi obrotu nieba (o jego przydatności przekonasz się jeszcze wielokrotnie). Z rysunków 10.3 i 10.4 wynika, że kąt nachylenia osi obrotu Ziemi względem płaszczyzny orbity jest równy αmin lub 180°-αmax. Nie wierzę, byś nie był ciekaw, czy Twój pomiar αmin okaże się, choćby w przybliżeniu, zgodny z podaną wcześniej wartością 66°33’.

Rys. 10.4. Zmiana kąta pomiędzy osią obrotu Ziemi i kierunkiem Ziemia-Słońce powodowana ruchem Ziemi uwidaczniała się będzie jej mieszkańcowi jako zmiany toru ruch Słońca względem horyzontu, a więc także zmiany miejsc wschodu i zachodu słońca

Z rysunku 10.4 wynika, że wysokość Słońca w południe powinna zmieniać się tak, jak długość dnia – im dłuższy dzień, tym większa powinna być wysokość górującego Słońca. Ostatecznym skutkiem zmian długości dnia i wysokości górowania Słońca powinny być (i są) zmiany średniej temperatury gruntu i przypowierzchniowych warstw atmosfery – jej wzrost w okresie, w którym dzień się wydłuża, a wysokość Słońca w południe wzrasta i spadek w okresie, gdy dzień się skraca, a wysokość Słońca w południe maleje.

Daty, w których kąt α przyjmuje cztery szczególne wartości z zakresu 67°33’–113°27’, przyjęto za początki kalendarzowych pór roku. W dniu, gdy: α = 113° – zaczyna się zima, α = 90° (i maleje) – jest początek wiosny, α = 66°33’ – jest początek lata, α = 90° (i rośnie) – rozpoczyna się jesień. Daty odpowiadające tym momentom nie są, co prawda stałe (ze względu na konstrukcję kalendarza), lecz zmieniają się w niewielkim zakresie. Oscylują one pomiędzy 20 i 23 dniem grudnia (początek zimy), marca (początek wiosny), czerwca (początek lata) i września (początek jesieni). Ponieważ każdej dacie odpowiada łuk wokółsłonecznej orbity o ściśle określonej długości, na którym w tym dniu znajduje się Ziemia, jej orbitę można podzielić na części, odpowiadające poszczególnym porom roku, miesiącom, tygodniom i dniom [ 10]. Po nałożeniu na orbitę takiego podziału stanowiłaby ona swego rodzaju kołowy kalendarz dla wszystkich, którzy mogą spoglądać na Układ Słoneczny z oddalenia (rys. 10.5).

Rys. 10.5. Ponieważ każdej dacie odpowiada ściśle określony łuk orbity, na którym w tym dniu znajduje się Ziemia, jej orbitę można podzielić na części, odpowiadające poszczególnym porom roku, miesiącom, tygodniom i dniom

Przypisy

[1] G. Leopardi, Canto Notturno di un pastore dell’Asia [w:] Canto del conte Giacomo Leopardi, Guglielmo Piatti, Firenze 1831; cyt. za: A.G. Pacholczyk, Wszechświat katastroficzny, przeł. M. Głódź, Wyd. Biblos, Kraków 1996.