Zaćmienie Księżyca: Gdy Cień Ziemi Zmienia Księżyc na Krwawy Czerwień

Zaćmienie Księżyca nie jest ściemnieniem Księżyca. To Księżyc ślizgający się przez cień tak ogromny, że z drugiej strony Ziemi rozciąga się na około 1,4 milionu kilometrów w kosmos – i zamiast zniknąć, Księżyc zwykle po prostu zmienia się na głęboką, rdzawą czerwień.

Ten cień to własny cień Ziemi, rzucany przez światło słoneczne w taki sam sposób, jak każdy przedmiot rzuca cień. To, co sprawia, że zaćmienie Księżyca warte jest oglądania, to wszystko pomiędzy: jak długo Księżyc pozostaje w tym cieniu, dlaczego zmienia kolor zamiast stać się czarny, i jak starożytni obserwatorzy nieba przekształcili jego rytm w funkcjonujący kalendarz, wieku zanim ktokolwiek zrozumiał, dlaczego się to stało.

Przewodnik ten przechodzi przez mechanikę zaćmienia Księżyca – cień, kolor, czas – i kilka bardziej dziwnych kątów, od proroctwa zbudowanego wokół czterech kolejnych zaćmień po schwytanie Słońca i zaćmionego Księżyca na niebie w tym samym momencie.

Ziemia jest około 3,7 razy szersza niż Księżyc, a ta różnica wielkości jest ważniejsza, niż byś się spodziewał: tworzy stożek całkowitego cienia Ziemi, zwany umbrą, rozciągający się na około 1,4 miliona kilometrów w kosmos, zanim się zwęża do punktu. To znacznie więcej miejsca niż Księżyc potrzebuje do zniknięcia.

Własny cień Księżyca działa na odwrót. Ponieważ Księżyc jest znacznie mniejszy, jego umbra osiąga punkt dopiero po około 384 402 kilometrach – przez przypadek blisko rzeczywistej odległości Ziemia-Księżyc, dlatego ścieżka totalności całkowitego zaćmienia słonecznego na Ziemi to zawsze wąski pas. Cień Ziemi nie ma tego problemu; całkowicie pochłania Księżyc, z dodatkowym miejscem.

Gdyby Ziemia nie miała atmosfery, całkowicie zaćmiony Księżyc byłby po prostu czarny. Zamiast tego światło słoneczne dotyka krawędzi atmosfery Ziemi w drodze do Księżyca, a ta cienka warstwa powietrza działa jak filtr: niebieskie długości fal rozprzestrzeniają się na odległość, pozostawiając głównie ciepłe, rdzawe tony do ukończenia podróży. To, co ląduje na Księżycu, to zasadniczo światło każdego wschodu i zachodu słońca na Ziemi, które dzieje się w tym samym czasie, wygięte wokół planety i ponownie skupione na powierzchni Księżyca.

Astronomowie rzeczywiście oceniają, jak żywie się to przejawiają. Francuski astronom André Danjon wymyślił skalę, wciąż używaną dzisiaj, do oceny, jak ciemny lub jasny wygląda całkowicie zaćmiony Księżyc. Na słabym końcu, L=0, Księżyc może być prawie niewidoczny w połowie totalności. Na jasnym końcu, L=4, zamiast tego świeci żywa miedź lub pomarańczowy. Ta sama mechanika zaćmienia, to samo czerwone światło – ale ile kurzu i chmur przypadkowo siedzi w atmosferze Ziemi w tym tygodniu, może zmienić wynik z jednego ekstremum na drugie.

Nie każde zaćmienie Księżyca oferuje tę pełną czerwoną widowisko. Częściowe zaćmienie Księżyca ma miejsce, gdy Słońce, Ziemia i Księżyc nie są dokładnie w linii, więc Księżyc przechodzi tylko przez część cienia Ziemi, podczas gdy reszta pozostaje w świetle słonecznym. Zaćmienie półcienia jest jeszcze bardziej subtelne – Księżyc przechodzi tylko przez jaśniejszą zewnętrzną krawędź cienia Ziemi, przyciemniony lekko bez głębokich zmian barwy. Około jedna trzecia wszystkich zaćmień Księżyca to zaćmienia półcienia, a tylko 3% tych półcieniowych zaćmień jest wystarczająco głębokie, aby kwalifikować się jako całkowite półcieniowe zaćmienia – co oznacza, że większość zaćmień, które możesz przeczytać jako „zaćmienie Księżyca dzisiaj wieczorem", jest w rzeczywistości słabego rodzaju, łatwe do przeoczeń, chyba że wiesz, gdzie szukać.

Totalność trwa tak długo, jak długo trwa, ponieważ Księżyc jest, mówiąc względnie, powoli poruszającym się celem. Dryfuje na swojej orbicie zaledwie około 1,03 km/s – ledwie więcej niż jego własna średnica na godzinę – co jest wystarczająco powolne, aby totalność wewnątrz ciemnej umbry Ziemi mogła rozciągnąć się do prawie 107 minut w najkorzystniejszych ustawieniach. Biorąc pod uwagę słabsze fazy częściowe po obu stronach, całe zdarzenie, od pierwszego dotyku Księżyca z cieniem do ostatniego, może trwać nawet 236 minut.

Zaćmienie 27 lipca 2018 r. pokazało dokładnie, jak długo to może być w praktyce: Księżyc spędził 1 godzinę i 43 minuty całkowicie wewnątrz cienia Ziemi, z całkowitego zaćmienia 3 godziny i 55 minut – ciągły, stopniowo czerwieniejący spektakl dla każdego, kto jest wystarczająco cierpliwy, aby oglądać od początku do końca.

Długo zanim ktokolwiek wiedział, czym jest umbra, babilońscy i później greccy astronomowie zauważyli, że zaćmienia powtarzają się w rytmie. Ten rytm zwany jest saros: okres 18 lat i 11 dni, po którym geometria Słońca, Ziemi i Księżyca ustawia się niemal w taki sam sposób. Każdy cykl saros zwykle zawiera 70 zaćmień razem, 29 z nich Księżycowych – wystarczająco regularny wzorzec do przewidywania zaćmień na tysiące lat bez czego innego niż ostrożne prowadzenie dokumentacji.

NASA od tego czasu przekształciła tę przewidywalność w swoje własne dzieła referencyjne. Towarzyszący katalog, Five Millennium Canon of Lunar Eclipses, tabularyzuje każde zaćmienie Księżyca od 2000 r. pne do 3000 r. ne, a jego uzupełniający Five Millennium Catalog sięga 201 stron szczegółów zaćmienia za zaćmieniem – pięciotysięczletnia książka rezerwacji do cienia.

Zaćmienie Księżyca może się zdarzyć tylko podczas pełni księżyca, ze Ziemią umieszczoną między Słońcem a Księżycem – co powinno uczynić niemożliwym zobaczenie obu obiektów na niebie jednocześnie. Refraktacja atmosferyczna czasem łamie tę regułę, w efekcie zwanym seleneliomem: przez kilka minut tuż po wschodzie lub tuż przed zachodem słońca zarówno wschodzące lub zachodzące Słońce, jak i zaćmiony Księżyc mogą pojawić się zarówno powyżej przeciwległych horyzontów w tym samym czasie, każdy lekko wygięty powyżej swojej prawdziwej pozycji przez samo powietrze. To krótka luka optyczna w inny sposób ścisłej geometrii orbitalnej.

Zaćmienia Księżyca niepokoiły ludzi przez tysiąclecia – według Księgi Pieśni czerwony Księżyc pochłonięty przez ciemność był brany jako ostrzeżenie przed zbliżającym się głodem lub chorobą. Ten instynkt powrócił w 2014 r., gdy całkowite zaćmienie Księżyca 15 kwietnia otworzyło tetradę: cztery kolejne całkowite zaćmienia Księżyca, uzupełniane zaćmieniami 8 października 2014, 4 kwietnia 2015 i 28 września 2015. Chrześcijańscy kaznodzieje John Hagee i Mark Biltz budowali swoje przepowiednie o krwawym księżycu wokół tej serii pełni.

Same tetrady nie są tak rzadkie – od 1. wieku naszej ery miało miejsce 62 z nich – ale tetrada z lat 2014-2015 przyciągnęła nieproporcjonalną uwagę, ponieważ zbiegła się ze znaczącymi świętami religijnymi, coś, co zrobiło tylko 8 z tych 62 tetrad. Zaćmienia były astronomicznie nieznaczące; zbieg kalendarza był całą historią.

Jeszcze jedna liczba wiąże cały obraz razem, choć należy raczej do zaćmień słonecznych niż zaćmień księżycowych. Mierzone przez ich dyski Słońce jest około 400 razy szersze niż Księżyc – a jednak Księżyc orbituje około 400 razy bliżej Ziemi niż Słońce. Dwie niezwiązane liczby, które lądują na tym samym stosunku, to powód, dla którego Słońce i Księżyc wydają się być prawie dokładnie tej samej wielkości od Ziemi, co jest powodem, dla którego zaćmienia słoneczne mogą być całkowite. Nie ma nic wspólnego z tym, dlaczego Księżyc zaczerwienia się podczas własnego zaćmienia – ale to to samo orbitalne sąsiedztwo, które sprawia, że zaćmienia Księżyca są możliwe w pierwszej kolejności, ponieważ pełnia może paść tylko w cień Ziemi, ponieważ Ziemia siedzi między dwoma ciałami, których pozorne rozmiary tak blisko się zgadzają.

• NASA: Lunar Eclipse Page
• NASA Science: Eclipses and the Moon