Uwaga: elongacja wschodnia Merkurego

21 grudnia 2022 roku o godzinie 16 Merkury będzie, z punktu widzenia ziemskiego obserwatora, najdalej oddalony od Słońca w kierunku wschodnim, czyli osiągnie maksymalną elongację wschodnią. Kąt maksymalnej elongacji wyniesie 20°08’. Odległość kątowa Merkurego od Słońca podczas grudniowej elongacji nie jest jednak imponujący.

Z mechaniki nieba wiadomo, że orbita Merkurego (jak i Ziemi) jest w przybliżeniu eliptyczna, przy czym mimośród orbity merkuriańskiej jest większy niż w przypadku Ziemi. Gdyby orbity obu planet były kołowe, maksymalny kąt elongacji Merkurego wyniósłby 22°46’. W rzeczywistości tak jednak nie jest i kąt elongacji zmienia się. W zależności od położenia obu planet na ich orbitach maksymalny kąt elongacji waha się obecnie od 17°30’ do 27°50'. Z przeprowadzonych przez Jeana Meeusa [1] obliczeń wynika, że kąt maksymalnej elongacji zachodniej jest osiągany pod koniec marca lub na początku kwietnia, czyli w okresie, kiedy Merkury znajduje się w pobliżu aphelium swojej orbity, natomiast Ziemia znajduje się wówczas w przybliżeniu w średniej odległości od Słońca. Z obliczeń dla okresu 2000 – 2100 wynika, że ekstremalny maksymalny kąt elongacji zachodniej zostanie osiągnięty w następujących terminach:

• 30 III 2046 roku, 27°49’30” W
• 02 IV 2059 roku, 27°49’49,8” W
• 30 III 2092 roku, 27°49’43,68” W

 

Największy kąt elongacji wschodniej jest osiągany przez Merkurego w sierpniu, wtedy Merkury ponownie znajduje się w pobliżu aphelium swojej orbity, natomiast Ziemia znajduje się w odległości 151,47 mln km od Słońca. W XXI wieku wystąpią jeszcze cztery ekstremalnie maksymalne elongacje wschodnie Merkurego:

• 15 VIII 2049 roku, 27°26’04,92” E
• 18 VIII 2062 roku, 27°25’55.02” E
• 13 VIII 2082 roku, 27°25’33,24” E
• 16 VIII 2095 roku, 27°26’02,4” E

 

Jeśli spojrzymy na wartości ekstremalnych maksymalnych kątów elongacji Merkurego, możemy zauważyć, że kąt ten jest większy w wypadku elongacji zachodniej. Dlaczego? Odpowiedź jak zawsze znajdziemy w mechanice nieba. Otóż zarówno w terminach elongacji wschodniej, jak i zachodniej Merkury znajduje się praktycznie w aphelium swojej orbity i odległość Merkurego od Słońca jest w przybliżeniu taka sama. Natomiast odległość Ziemi od Słońca w obu rozpatrywanych terminach jest różna. W terminach końca marca Ziemia znajduje się w odległości około 149,5 mln km, natomiast w terminie sierpniowym jest w nieco większej odległości – 151,47 mln km. Ta różnica w odległości Ziemi od Słońca powoduje, że różnica maksymalnych kątów elongacji wschodniej i zachodniej osiąga wartość rzędu 0°24’.

Co więcej, orbity obu planet są perturbowane i wzajemne położenie peryheliów Merkurego i Ziemi się zmienia. Długość peryhelium orbity Ziemi zmienia się z prędkością 0,3226° na stulecie, natomiast długość peryhelium orbity Merkurego zmienia się z prędkością 0,1589° na stulecie. Skutkuje to tym, że względne położenie obu peryheliów zwiększa się. Z obliczeń obejmujących dłuższy okres czasu wynika, że różnica pomiędzy dwoma ekstremalnymi kątami elongacji (wschodniej i zachodniej) wynosiła w przeszłości jedynie około 21’:

• Elongacja wschodnia: 11 VII – 906 rok, 27°25’24,6” E
• Elongacja zachodnia: 23 II – 906 rok, 27°46’19,92” W

 

W LI wieku, jeśli do tego czasu ludzkość przetrwa, różnica obu kątów osiągnie wartość około 26’:

• Elongacja wschodnia: 30 IX 5093 roku, 27°27’ 9,72” E
• Elongacja zachodnia: 17 V 5057 roku, 27°52’49,08” W

 

Kąty obu maksymalnych elongacji – wschodniej i zachodniej – byłyby równe tylko wówczas, gdyby orbita Ziemi była okręgiem. Z mechaniki nieba wiadomo, że w aktualnie mimośród orbity ziemskiej zmniejsza się i orbita staje się coraz bardziej zbliżona do okręgu. Najbliższe minimum mimośrodu orbity ziemskiej, o wartości e=0,0023, zostanie osiągnięte w 29500 roku. Z obliczeń przeprowadzonych na okres 2010 – 2040 [2] wynika z kolei, że najmniejsze wartości elongacji były osiągnięte 7 stycznia 2022 roku, kiedy to podczas elongacji wschodniej Merkury oddalił się maksymalnie od Słońca na wschód na odległość 19°13’ E, oraz 8 października 2022 roku podczas elongacji zachodniej, gdy Merkury oddalił się od Słońca na zachód na odległość 17°59’ W. W przyszłym roku, 11 kwietnia, Merkury oddali się od Słońca na wschód na odległość 19°29’E podczas elongacji wschodniej. 22 września 2023 roku, podczas elongacji zachodniej, Merkury oddali się od Słońca na zachód na odległość 17°52’W.  Najmniejsze wartości kąta elongacji są osiągane, gdy Merkury znajduje się w pobliżu peryhelium swojej orbity.

 

 

Mechanika powstawania faz planet wewnętrznych na przykładzie Wenus. Źródło: Stanisław R. Brzostkiewicz, Wenus siostra Ziemi, Nasza Księgarnia, 1988

Merkury oraz Wenus podobnie jak i Księżyc przechodzi przez cykl faz. Kiedy planety znajdują się między Słońcem a Ziemią, czyli wtedy, kiedy jest koniunkcja dolna, planeta (Merkury, Wenus) są w fazie nowiu. Kiedy planety znajdują się po przeciwnej stronie Słońca, są w koniunkcji górnej, i wówczas znajdują się w fazie pełni. Podczas ruchu orbitalnego występują takie dwa położenia planety, które dla obserwatora ziemskiego są w maksymalnej elongacji wschodniej lub zachodniej. Czyli teoretycznie powinny być w fazie kwadry, co powinno objawić się tym, że obserwator widziałby tarczę planety oświetloną w 50%.

Czy tak jest rzeczywiście? Ponownie, gdyby orbity obu planet byłyby kołowe, wówczas byłoby to prawdą. Rzeczywistość jest jednak inna. Rozważymy to na przykładzie Merkurego, gdyż ta planeta jest bohaterem naszego niebiańskiego spektaklu. Jak już wspomniano, orbity Merkurego i Ziemi są w przybliżeniu eliptyczne. Mimośród orbity Merkurego jest największy spośród ośmiu planet w naszym Układzie Słonecznym i wynosi 0,20564. Mimośród orbity Ziemskiej jest mniejszy i wynosi 0,01671. W zależności od położenia planet na orbitach względem ich peryheliów, podczas maksymalnej elongacji wschodniej lub zachodniej, powierzchnia planety wewnętrznej może być oświetlona powyżej lub poniżej 50%. Maksymalna elongacja planety nie zbiega się z fazą kwadry, chociaż w wyniku sprzyjających okoliczności może tak się zdarzyć. Z przeprowadzonych obliczeń [3] wynika, że wielkość oświetlonej powierzchni planety Merkurego podczas maksymalnej elongacji wynosi:

1. największa elongacja wschodnia: F= 0,368 – 0,634;
2. największa elongacja zachodnia: F=0,365 – 0,638;
3. przy czym dla ekstremalnego kąta elongacji wielkość oświetlenia zmienia się w granicach: F=0,3676 – 0,6340.

Źródło: Jean Meeus, More Mathematical Astronomy Morsels, 2002, Willmann-Bell, Inc

 

Dla Wenus wielkość oświetlenia powierzchni planety, podczas jej maksymalnej elongacji wschodniej lub zachodniej, nieznacznie różni się od 50% – za sprawą małego mimośrodu jej orbity, który wynosi 0,00678. Wielkość oświetlenia podczas maksymalnej elongacji waha się od F=0,487 (podczas elongacji w dniu 24 VIII 1994 roku) do F=0,512 (podczas elongacji z 17 I 2001 roku).

 

 

Warunki widzialności dla 21 XII 2022 roku

Na załączonej mapie nieba przedstawiono położenie Merkurego w chwili osiągnięcia przez planetę maksymalnej elongacji wschodniej. Merkury będzie znajdował się w konstelacji Strzelca. Niestety niebo nie będzie zbyt ciemne. Co prawda Słońce znajdzie się już pod horyzontem, ale do godziny 16:07 będzie jeszcze pod horyzontem na głębokości mniejszej niż 6° (dla Warszawy), czyli będzie wówczas panował zmierzch cywilny (dla innych rejonów naszego kraju zmierzch żeglarski rozpocznie się w nieco innym czasie). Merkury zajdzie około godziny 16:54 (w rejonie Polski centralnej, w okolicach Łódź).

Gdy spojrzymy przez lunetę, mamy szansę dostrzec tarczę Merkurego oświetloną w 61%, w fazie Merkurego garbatego malejącego.

W poszukiwaniu pierwszej gwiazdki

Podczas tegorocznej Wigilii warto spojrzeć na wieczorne niebo, które w tym roku będzie obfitowało w wiele atrakcji. Około 47 minuty po zachodzie Słońca uważny obserwator (w przypadku bezchmurnej pogody) będzie mógł na zachodzie dostrzec Księżyc, Wenus i Merkurego, tworzące trójkąt równoramienny. Rosnący Księżyc będzie oddalony o 7 stopni od Wenus i uformują podstawę tego trójkąta, natomiast Merkury będzie stanowił jego górny wierzchołek, oddalony o około 4 stopnie od pozostałych.

Merkury osiągnie jasność -0,31 mag, a jego powierzchnia będzie w fazie kwadry, oświetlona w około 50%. Wenus zajaśnieje tego wieczora z mocą -3.91 mag, a jej powierzchnia będzie oświetlona w 96,662%. Księżyc natomiast będzie półtora dnia po nowiu (w fazie rosnącego sierpa) i będzie oświetlony zaledwie w 2,302%. Jasność Księżyca osiągnie wartość około -5,9 mag.

Niebo widziane z Merkurego

Merkury wiruje wokół własnej osi bardzo powoli. Okres jego rotacji to 58,6 dnia, co pozostawia go w rezonansie 3:2 z ruchem obiegowym – na dwa obiegi Merkurego przypadają jego trzy obroty wokół własnej osi. Merkuriańska doba słoneczna jest długa i trwa 175,9 dnia. Zatem doba słoneczna trwa tu dwa lata merkuriańskie. Obserwatorzy merkuriańskiego nieba mogliby spostrzec dość dziwny ruch Słońca na niebie, gdy planeta znajduje się w pobliżu peryhelium orbity. Porusza się ona wtedy z prędkością liniową większą od prędkości liniowej punktu znajdującego się na powierzchni obracającej się wokół swojej osi planety. Słońce, gdy planeta zbliża się do peryhelium, zaczyna pozornie na niebie hamować, osiągając w końcu punkt, w którym jest statyczne (prędkość liniowa na orbicie zostaje wtedy zrównana z prędkością liniową punktu na powierzchni planety), a następnie Słońce zaczyna się pozornie cofać (jest to tzw. ruch retrogradacyjny, czyli wsteczny).

Prędkość kątowa Słońca w ruchu retrogradacyjnym na niebie jest maksymalna w chwili, kiedy Merkury znajduje się dokładnie w peryhelium orbity. Następnie Słońce zaczyna hamować i osiąga ponownie punkt stacjonarny (przy ponownym zrównaniu prędkości liniowych planety na orbicie i punktu na powierzchni planety). Z chwilą, kiedy prędkość orbitalna zaczyna być mniejsza niż prędkość punktów na powierzchni planety, Słońce zaczyna poruszać się ruchem dyrekcyjnym, czyli prostym. W ciągu tych kilku dni ziemskich (8 dni, z czego 4 dni przypada na okres przed przejściem Merkurego przez peryhelium i następne 4 dni to okres po przejściu planety przez peryhelium) Słońce na merkuriańskim niebie zatacza pętle wielkości 1° [5]. Na obszarach, gdzie następuje np. wschód Słońca, położenie planety w peryhelium może spowodować fascynujące zjawisko. Kiedy Słońce rozpoczyna wyłanianie się spod horyzontu, wschodzi tylko częściowo. Następnie po rozpoczęciu ruchu retrogradacyjnego, zachodzi. Po kilku dniach ziemskich, kiedy Słońce rozpocznie ruch prosty, zaczyna ponownie wschodzić. Podobnego wrażenia obserwator doświadczy w obszarach planety, gdzie zachodzi Słońce, ale w odwrotnej kolejności. Oś obrotu planety odchylona jest od prostopadłej do płaszczyzny orbity jedynie o 0,034°. Takie położenie osi obrotu planety sprawia, że obserwator rezydujący na biegunie widziałby Słońce znajdujące się w pobliżu horyzontu. Słońce mogłoby wznieść się nad horyzont jedynie na wysokość 2’2”. I na taką samą głębokość schować się pod horyzontem. Mieszkaniec równika widziałby z kolei Słońce, które podczas kulminacji górnej praktycznie zawsze znajduje się w pobliżu zenitu.

Fizyka Merkurego

 

Merkury porusza się po orbicie zbliżonej do eliptycznej, nachylonej do ekliptyki pod kątem 7,005°. Mimośród orbity planety jest największy spośród wszystkich mimośrodów orbit planet w naszym układzie Słonecznym i wynosi 0,24084. Średnia odległość planety od Słońca to 57,91 mln km. Jednego pełnego obiegu wokół Słońca dokonuje w czasie 87,97 dni. Okres obrotu Merkurego wokół własnej osi wynosi 58 dni 15 godzin 26 minut. Jak już wspomniano, okres obiegu wokół Słońca i okres wirowania planety wokół własnej osi pozostają w rezonansie – trzem obrotom wokół osi odpowiadają dwa obiegi planety wokół Słońca. A więc przy każdym drugim położeniu Merkurego w peryhelium planeta byłaby zwrócona tą samą stroną ku Słońcu.

Doba Słoneczna na Merkurym trwa 2 lata merkuriańskie i wynosi 176 dni. Oś obrotu planety odchylona jest od prostopadłej do płaszczyzny orbity jedynie o 0,034°. Albedo powierzchni planety wynosi 0,142. Atmosfera Merkurego jest bardzo rozrzedzona. Ciśnienie przy powierzchni gruntu planety to 10^-12 hPa. Merkury ma niestabilną egzosferę złożoną z tlenu, sodu, potasu, helu, wapnia oraz wodoru. Natomiast atmosfera zbudowana jest głównie z helu, magnezu, tlenu, wodorotlenków, potasu, wody, krzemu, wapnia oraz jonów O⁺, H₂O⁺, OH^–. Na Merkurym – pomimo bliskości Słońca – są rejony, w których panuje wieczny cień. Są to dna kraterów w pobliżu biegunów planety. Z kolei reszta planety, wobec praktycznego braku atmosfery, doświadcza silnych kontrastów temperatury. Różnica między temperaturą dnia i nocy potrafi osiągać kilkaset stopni Celsjusza (dokładnie, między -173°C w dnach kraterów do 427°C w merkuriańskie południe). Jego orbita jest, jak już wiemy, mocno wydłużona, co też wpływa na cykl wzrostów i spadków temperatury. W aphelium temperatura powierzchni w merkuriańskie południe jest o 100°C niższa w porównaniu do temperatury powierzchni planety znajdującej się w peryhelium [10]. 

Do Merkurego wysłano z powodzeniem kilka sond, takich jak Mariner 10, Messenger, MPO (Mercury Planetary Orbiter), MIO (Mercury Magnetospheric Orbiter) czy w przed kilku laty – BepiColombo, nazwane tak od włoskiego naukowca i inżyniera Giuseppe Colombo (który opracował strategię lotu na Merkurego, polegającą na serii coraz większych zbliżeń sondy do tej planety).

Zdjęcia wykonane przez sondy pozwoliły ustalić szereg faktów z historii i chwili obecnej najbliższej Słońcu planety. Wynika z nich, że przed około 4 mld lat Merkury – podobnie jak Księżyc czy Mars – przeżył erę ciężkiego bombardowania, gdy część materii wczesnego Układu Słonecznego nie była w stanie uformować planet. Znaleziono też ślady aktywności wulkanicznej na planecie. Merkury ma też wyjątkowo wysoką średnią gęstość, podobną do Ziemi i Wenus.

Możliwe, że wnętrze Merkurego, stygnąc o kilkaset K, skurczyło się o kilkaset km [11]. Świadczą o tym „rozmyte” kratery na powierzchni planety. Z kolei w pobliżu biegunów znaleziono lód wodny, pomimo raczej ekstremalnych temperatur wokoło. To czyni Merkurego podobnym do Marsa i Ziemi.

Wysoka gęstość średnia Merkurego oraz pomiary spektroskopowe nasuwały wniosek, że Merkury zawiera najwięcej żelaza i niklu spośród wszystkich planet Układu Słonecznego. Żelazowo-niklowe jądro stanowi 75% promienia planety. Wewnętrzna część jądra jest stała i ma rozmiary 2000 km. Zewnętrzne jądro jest płynne i ma grubość około 1000 km [12]. Niektórzy badacze twierdzą, że Merkury posiada jeszcze jedną warstwę jądra stałego, otaczającego część płynną jądra, złożoną z żelaza i siarki [13,14]. Krzemowy płaszcz planety ma grubość około 500-700 km, natomiast skorupa planety ma rozmiary rzędu 100-300 km [12].

Prognoza pogody

Sytuacja synoptyczna: Polska będzie pod wpływem układu niskiego ciśnienia, z centrum 985 hPa nad wyspami Lewisa. Niż znajdzie się w stadium okludowania i wypełnienia. Z zachodu na wschód będzie przemieszczał się chłodny front atmosferyczny. Wschodnie rejony Polski będą jeszcze w zasięgu ciepłego wycinka układu cyklonalnego.

Zachmurzenie ogólne: całkowite.

Warunki obserwacyjne: brak dobrych warunków do obserwacji.

Literatura

1. Jean Meeus, Mathematical Astronomy Morsels IV, 2007, Willmann-Bell, Inc.
2. Jean Meeus, Astronomy Tables Of The Sun, Moon and Planets, Third Edition, 1983-2015, Willmann-Bell, Inc.
3. Jean Meeus, More Mathematical Astronomy Morsels, 2002, Willmann-Bell, Inc.
4. Jean Meeus, Transits, 1989, Willmann-Bell, Inc.
5. Zbigniew Dworak, Z astronomią za pan brat, 1989. Iskry, Warszawa.
6. Grzegorz Białkowski, Mechanika klasyczna, mechanika punktu materialnego i bryły sztywnej, 1975. PWN, Warszawa.
7. Lew. D. Landau, Jewgienij M. Lifszyc, Teoria Pola, wyd. IV, 2009, PWN.
8. Andrzej K. Wróblewski, Janusz A. Zakrzewski, Wstęp do fizyki, tom II, część I, 1989, PWN, Warszawa.
9. Pedro G. Ferreira, Teoria doskonała, stulecie geniuszy i bitwa o ogólną teorię względności, 2015, Prószyński i S-ka, Warszawa.
10. Hannau Karttunen, Pekka Kroger, Heikki OJa, Markku Poutanwen, Karl Johan Donner, Astronomia ogólna, PWN, 2020
11. Paweł Artymowicz, Astrofizyka układów planetarnych, PWN, Warszawa, 1995.
12. Antonio Genova: Scientists find evidence Mercury has a solid inner core. American Geophysical Union, 2019
13. Steven A. Hauck II. The curious case of Mercury’s internal structure. „Journal of Geophysical Research: Planets”. 118, s. 1204-1220, 2013-06-05. DOI: 10.1002/jgre.20091
14. Sean C. Solomon, Larry R. Nittler, Brian J. Anderson, Mercury: The View after Messenger, 2018, Cambridge University Press.
15. P. G. Kuligowski, Poradnik Miłośnika Astronomii, PWN, 1976
16. Stanisław R. Brzostkiewicz, Wenus siostra Ziemi, Nasza Księgarnia, 1988.
17. James B. Hartle. Grawitacja. Wprowadzenie do ogólnej teorii względności Einsteina, Wydawnictwo Uniwersytetu Warszawskiego, 2010.

Czytaj więcej:

• Cały artykuł
• Spojrzenie w grudniowe niebo

 

Opracowanie:

dr Grzegorz Duniec, Centrum Modelowania Meteorologicznego IMGW-PIB

dr Marcin Kolonko, Centrum Modelowania Meteorologicznego IMGW-PIB

Źródło: CMM IMGW-PIB

Na ilustracji: Wygląd nieba w dniu 21 XII 2022 roku o godzinie 16. W rzeczywistości będzie jaśniej. Źródło: https://stellarium-web.org/