Przejścia planet przed tarczą Słońca

Przejścia planet przed tarczą Słońca — trochę teorii

Niniejszy tekst został napisany na prośbę pewnego internauty, ale po pewnych modyfikacjach uznałem go za godny publikacji w Sieci. Może przyda się i Tobie…?

We wszystkich poniższych opisach zakładam domyślnie, że mowa jest o obserwacjach z powierzchni Ziemi. Zanim przejdę do bardziej szczegółowych wyjaśnień, opiszę pokrótce i możliwie prosto, na czym polega zjawisko przejścia planety przed tarczą Słońca. Takie zjawisko nazywa się również tranzytem (czytaj także tutaj).

Jeśli jakieś ciało niebieskie przechodzi przed innym ciałem, to dla obserwatora tego zdarzenia oba ciała znajdują się na jednej linii. Trzecim ciałem jest obserwator (ogólniej: Ziemia). Skoro "coś" przechodzi przed "czymś", to znaczy, że jeden obiekt przesłania drugi, czyli ciało zakrywające jest bliżej, a ciało zakrywane dalej. Jest to intuicyjnie oczywiste i nie wymaga głębszych rozważań. Przypadki szczególne są następujące:

zaćmienie Słońca. Układ wygląda nastepująco: Słońce ---> Księżyc ---> Ziemia (strzałki wskazują kierunek padania promieni słonecznych). Księżyc może przesłonić tarczę Słońca częściowo (zaćm. częściowe — zdjęcie), całkowicie (zaćm. całkowite — zdjęcie) lub w ten sposób, że wokół Księżyca pozostanie świecąca otoczka (zaćm. obrączkowe — rysunek),
zaćmienie Księżyca, czyli układ Słońce ---> Ziemia ---> Księżyc. Ziemia rzuca cień w przestrzeni, przez stożek cienia przechodzi Księżyc. Wyróżniamy zaćmienia częściowe (rysunek), całkowite (rysunek) i półcieniowe (rysunek). Więcej o zaćmieniach Słońca i Księżyca napisałem tutaj,
zakrycie gwiazdy, planety lub planetoidy przez Księżyc — tarcza Księżyca zasłania gwiazdę, planetę lub planetoidę (intuicyjnie oczywiste). Gwiazdy zakrywane przez Księżyc w jego miesięcznym ruchu po niebie są z oczywistych przyczyn ograniczone do stosunkowo wąskiego pasa zodiakalnego,
zakrycie gwiazdy przez planetę lub planetoidę. Planeta lub planetoida (np. z głównego pasa między Marsem a Jowiszem) jest znacznie mniejsza od gwiazdy, ale ze względu na stosunek odległości jest w stanie na krótki czas zasłonić bardzo odległą gwiazdę. Obserwujemy wtedy swego rodzaju "zaćmienie",
przejście księżyca przed tarczą macierzystej planety — najłatwiej zaobserwować taki "kosmiczny taniec" na przykładzie Jowisza i jego czterech największych satelitów, tzw. księżyców galileuszowych,
przejście planety przed tarczą Słońca. Można je potraktować jako odmianę przypadków a) lub d), jednak w innej skali. Jasność Słońca spada, ale jest to tak nieznaczna wartość, że zdolne są do jej wykrycia tylko przyrządy.

Dla naszych potrzeb załóżmy początkowo, że planety obiegają Słońce po orbitach kołowych (układ heliocentryczny) i że wszystkie poruszają się w tej samej płaszczyznie pokrywającej się z równikiem słonecznym. Obserwator ziemski co pewien czas zauważy, że na tle Słońca przechodzi Merkury oraz Wenus. Częściej zobaczymy Merkurego niż Wenus, ponieważ porusza się po orbicie o mniejszym promieniu i co za tym idzie — obiega je w krótszym niż Wenus czasie.

"Prawdziwy" Układ Słoneczny nie jest tak idealnie prosty. Planety nie dość, że poruszają się po elipsach, to jeszcze płaszczyzna każdej elipsy jest nachylona pod innym kątem do orbit pozostałych planet i równika słonecznego. W związku z tym mniej prawdopodobna jest sytuacja, że trzy ciała — Słońce, Merkury/Wenus i Ziemia znajdą się w jednej chwili na jednej prostej. Taka cykliczność jednak występuje: w ciągu stulecia następuje średnio 13 przejść Merkurego i 1,35 przejście Wenus (to znaczy, że tranzyt Wenus można obserwować w odstępach czasu średnio większych niż 100 lat).

Z tych rozważań łatwo można wywnioskować, że hipotetyczny obserwator na Merkurym nigdy nie zobaczy przejścia żadnej planety na tle Słońca, z Wenus od czasu do czasu można spostrzec przejście Merkurego, a obserwator np. na Saturnie ma szansę ujrzeć tranzyt Merkurego, Wenus, Ziemi, Marsa, różnych planetoid oraz Jowisza. Ogólna zasada jest wobec tego taka, że można zobaczyć przejście na tle Słońca tylko tych ciał, które znajdują się pomiędzy obserwatorem i Słońcem. Jest to intuicyjnie jasne — orbita ciała przechodzącego na tle tarczy słonecznej musi zawierać się w orbicie tej planety, na której znajduje się obserwator.

Używając obrotowej mapy nieba albo programu astronomicznego potrafiącego wyświetlać wygląd nieba w zadanym momencie można łatwo ustalić pozycje Słońca w chwilach, w których nastąpiły (albo nastąpią) tranzyty. Weźmy dla przykładu 7 maja 2003 r., 8 listopada 2006 r. (tranzyty Merkurego) i 8 czerwca 2004 r. (tranzyt Wenus). 7 maja 2003 r. Słońce było w znaku Barana, 8 listopada 2006 r. będzie w znaku Wagi, a 8 czerwca 2004 — w Byku. Dodanie roku do każdej daty jest właściwie nieistotne — przecież co roku tego samego dnia Słońce jest w tym samym gwiazdozbiorze zodiakalnym. Pomijam bardzo nieznaczne (rzędu 1' rocznie) cofanie się Słońca po ekliptyce. Tobie, Czytelniku, pozostawiam odpowiedź na pytanie, w jakim znaku były lub będą wtedy Merkury i Wenus i dlaczego. Warto w tym miejscu "rozprawić się" z kilkoma błędnymi poglądami na temat horoskopów i tego, pod jakim znakiem urodził się każdy z nas. Piszę na ten temat tutaj.

Z tranzytem nieodłącznie wiąże się pojęcie koniukcji dolnej (zwanej również złączeniem dolnym). Jest to po prostu chwila, w której dana planeta wewnętrzna (Merkury lub Wenus) znajduje się najbliżej Słońca (najbliżej w sensie odległości na niebie, a nie odległości w przestrzeni). Dla obserwatora na Ziemi ma wtedy największą średnicę kątową. KAŻDY tranzyt następuje w chwili koniunkcji dolnej, ale nie każda koniunkcja dolna wiąże się z przejściem planety na tle tarczy słonecznej. Skoro mówimy o koniunkcji dolnej, powinna być i górna. I rzczywiście — to chwila, w której Słońce znajduje się dokładnie pomiędzy Ziemią a daną planetą, która jest wówczas niewidoczna z Ziemi.

Przeciwieństwem koniunkcji są elongacje. Są to momenty największych oddaleń danej planety od Słońca na niebie. Należy dobrze rozumieć pojęcie "odległość" nie jako wielkość fizyczną wyrażoną w jednostkach długości, ale jako odległość kątową; kąt między półprostymi łączacymi środki Słońca i Ziemi oraz Ziemi i planety. Elongacja wschodnia oznacza, że planeta znajduje się na wschód od Słońca, podobnie elongacja zachodnia to odległość od Słońca na zachód. Pojęcie "elongacja" stosuje się tylko do Merkurego i Wenus. Maksymalne wartości elongacji nie są jednakowe za każdym razem i zależą od wzajemnej konfiguracji Słońca, Ziemi i danej planety.

Jeśli Wenus jest w elongacji wschodniej, to zachodzi później niż Słońce. Staje się to oczywiste, jeśli narysujemy sobie tę sytuację na schematycznej mapce. Okręgiem oznaczmy niebo, zaznaczmy punkty kardynalne (północ, zachód, południe, wschód), narysujmy ekliptykę (fikcyjny okrąg na niebie, po którym porusza się Słońce i — w dobrym przybliżeniu — planety), w pewnym miejscu ekliptyki zaznaczmy Słońce, a na wschód od niego, również na ekliptyce (model kołowy) zaznaczmy Wenus. Teraz wyobraźmy sobie, że Słońce zachodzi. Co się dzieje? Słońce schowało się pod horyzontem, tzn. jest poza zasięgiem mapki, jakby "pod" płaszczyzną kartki. Co dzieje się w tym czasie z Wenus? Również przesuwa się na zachód, w kierunku zgodnym z pozornym ruchem nieba (i Słońca), ale zachodzi dopiero kilka godzin później niż Gwiazda Dzienna.

Dla przykładu rozpatrzmy ruch Wenus w pierwszej połowie 2004 roku. Na początku roku odległość Wenus — Słońce wynosi około 33 stopni, na początku lutego — ok. 39 stopni, na początku marca — ok. 44 stopni, w końcu marca (dokładnie 29 marca) mamy maksymalną elongację wschodnią — ok. 46 stopni, z początkiem maja wartość elongacji maleje do 41 stopni, na początku czerwca wynosi już tylko 13 stopni. 8 czerwca jest równa 0 stopni. Co to oznacza? Oczywiście koniunkcję dolną. Ale nie dość tego — mamy również tranzyt! (więcej o czerwcowym zjawisku tutaj). Na początku lipca elongacja ma wartość 29 stopni, ale to już jest elongacja zachodnia. Maksymalną elongację zachodnią planeta osiągnie 17 sierpnia.

Teraz łatwo wywnioskować, jakie będą warunki obserwacji Wenus między Nowym Rokiem a początkiem lata. Aż do końca maja planeta będzie dobrze widoczna wieczorem jako jasna gwiazda (tak się mówi, co prawda mało poprawnie w sensie formalnym, ale obrazowo). 8 czerwca nastąpi tranzyt, tzn. kilka dni przed i po tym zjawisku Wenus nie będzie widoczna z Ziemi, gdyż blask Słońca będzie ją "gasił". Później będzie można ją obserwować rano, przed wschodem Słońca. Początkowo będzie to trudne, ale już w końcu czerwca planeta będzie wschodzić około godzinę wcześniej niż Słońce.

Dodam jeszcze, że w okolicach maksymalnych elongacji można czasem dojrzeć Wenus gołym okiem (w tzw. "biały dzień"), chociaż nie jest to łatwe i trzeba wiedzieć, gdzie szukać. Można również spróbować obserwacji przez lornetkę. Uprzedzam jednak, że trzeba do tego dużo cierpliwości, pewnej ręki albo dobrego statywu i… bardzo czystego powietrza.