Ruchy naturalnego satelity Ziemi

Naturalny satelita (księżyc) to ciało niebieskie pochodzenia naturalnego, obiegające planetę. Ściśle rzecz biorąc planeta i jej księżyce krążą wokół wspólnego środka masy. Tradycyjnie tylko największy obiekt z takiego układu jest nazywany planetą, lecz w przypadku planety i księżyca o zbliżonych rozmiarach mówi się czasem o planetach podwójnych (np. układy Ziemia - Księżyc i Pluton - Charon). W Układzie Słonecznym jest co najmniej 140 księżyców. (Najprawdopodobniej wiele innych krąży wokół planet w układach pozasłonecznych). Duże planety gazowe posiadają rozbudowany system satelitów, Merkury i Wenus nie mają księżyców, Pluton ma trzy księżyce - jeden duży i dwa mniejsze, Mars ma dwa niewielkie księżyce, Ziemia ma jeden stosunkowo duży księżyc.
Księżyc, który jest drugim (po Słońcu) pod względem jasności obiektem na niebie. Księżyc porusza się wokół Ziemi po prawie kołowej orbicie, położonej w płaszczyźnie nachylonej do płaszczyzny ekliptyki (płaszczyzna geometryczna zawierająca orbitę Ziemi) pod kątem 5,1o. Średnia odległość Księżyca od Ziemi wynosi 384,4 tys. km, Najmniejsza odległość nazywamy perygeum, a największą apogeum. Okres jego obiegu wokół naszej planety jest równy 27,3 dnia, a okres jego obrotu jest równy okresowi obiegu wokół Ziemi, a więc Księżyc pozostaje do niej zwrócony zawsze tą samą stroną. Promień Księżyca wynosi 1738 km (0,27 promienia Ziemi), a jego masa jest równa 7,35x1022 kg, co stanowi 1/81 masy Ziemi (stosunek masy Księżyca do masy Ziemi jest największy ze stosunków mas satelitów do mas ich macierzystych planet w Układzie Słonecznym). Średnia gęstość materii, z której składa się Księżyc, wynosi zaledwie 3,34 g/cm3.
Na Księżycu nie ma atmosfery (otoczki gazowej) i nie ma wody. Uderzające meteoryty i staczające się ze stoków górskich kamienie nie powodują więc hałasu. Bez atmosfery panuje tam martwy spokój. Jaskrawe Słońce i czarny mrok nocy następują bezpośrednio po sobie. Temperatura powierzchni dnia przekracza 130C, a w nocy spada do -150C. Siła ciężkości (przyciąganie) Księżyca jest z powodu jego małej masy znacznie mniejsza niż na Ziemi: stosunek tych sił wynosi 1:6. Człowiek ważący na Ziemi 72 kg na Księżycu ważyłby tylko 12 kg

Księżyc wykazuje znane wszystkim fazy. Wynikają one ze zmiany jego położenia względem Słońca i Ziemi, wskutek czego obserwujemy różną część półkuli Księżyca oświetlonej przez Słońce. Gdy Księżyc znajduje się pomiędzy Ziemią i Słońcem mówimy, że jest w nowiu. Nie możemy go dostrzec, gdyż promienie słoneczne oświetlają niewidoczną z Ziemi półkulę Księżyca. Około tygodnia po momencie nowiu kształt Księżyca przypomina literę D. Tę fazę nazywamy pierwszą kwadrą. Księżyc jest widoczny wówczas na niebie w godzinach wieczornych. W trakcie kolejnej fazy - pełni możemy obserwować Księżyc przez całą noc. Jest widoczna cała tarcza, a nasz naturalny satelita znajduje się z przeciwnej strony Ziemi niż Słońce. Ostatnia kwadra następuje w przybliżeniu w tydzień po pełni. Księżyc jest widoczny w drugiej połowie nocy, a jego kształt zbliża się do litery C. Pełny obieg Księżyca wokół Ziemi trwa 27 dni i 8 godzin. Tyle też czasu potrzebuje Księżyc, aby powrócić w to samo miejsce na niebie. Ponieważ jednak w tym czasie Słońce przesunęło się wśród gwiazd o kąt bliski 30, więc Księżyc potrzebuje dodatkowo 2 dni i 4 godzin, aby "dogonić" Słońce. Łącznie więc, Księżyc w swoim ruchu po niebie mija Słońce co 29,5 dnia. Ten odstęp czasu nazywa się miesiącem synodycznym i zarazem tyle trwa pełny cykl faz Księżyca. W wyniku rozmaitych perturbacji Księżyc wykonuje niewielkie wahania wokół linii łączącej go z Ziemią, w wyniku czego w ciągu odpowiednio długiego czasu możemy zaobserwować kilkustopniowy wycinek odwrotnej strony Księżyca. Jednak cała odwrotna strona Księżyca może być zaobserwowana tylko z pokładów statków kosmicznych. W czasie pełni, Słońce i Księżyc znajdują się po przeciwnych stronach Ziemi; mówimy wówczas, że Księżyc znajduje się w opozycji do Słońca.

Kiedy Księżyc wchodzi pomiędzy Ziemię a Słońce i na pewnym obszarze Ziemi przesłania tarczę słoneczną, zachodzi zjawisko zaćmienia Słońca. Kiedy Księżyc zakrywa całkowicie tarczę Słońca, mówimy o zaćmieniu całkowitym, jeśli zaś zakrywa tylko jego część, mamy zaćmienie częściowe. Oczywiście to samo zaćmienie może być dla jednych obserwatorów zaćmieniem całkowitym, a dla innych - częściowym. Wśród zaćmień Słońca wyróżnia się zaćmienie obrączkowe, kiedy na brzegu tarczy słonecznej pozostanie jasna obwódka. Zaćmienie Słońca może nastąpić tylko podczas nowiu (ku Ziemi Księżyc odwrócony jest stroną nieoświetloną). Zaćmienie Księżyca następuje wtedy, gdy Księżyc znajdzie się w cieniu Ziemi. Jego tarcza staje się wtedy dużo ciemniejsza. Także i w tym przypadku występują zarówno zaćmienia całkowite jak i częściowe. W czasie zaćmienia całkowitego cały Księżyc znajduje się w cieniu Ziemi, natomiast podczas zaćmienia częściowego tylko część jego tarczy znajduje się w cieniu, reszta zaś w półcieniu. Może też się zdarzyć, że Księżyc znajdzie się w półcieniu, ale nie wejdzie do cienia Ziemi: mówimy wtedy o półcieniowym zaćmieniu Księżyca. Zaćmienia Księżyca mogą występować tylko podczas pełni. Każdego roku może się zdarzyć 2 do 5 zaćmień Słońca i co najwyżej 3 zaćmienia Księżyca.

Nie tylko Ziemia przyciąga Księżyc, jest także odwrotnie. Odbiciem tego są pływy, powodujące zmiany poziomu wód oceanicznych. Gdy woda opada, mówimy o odpływie, a gdy podnosi się, mamy przypływ. Pływy wywołane są przyciąganiem Księżyca. Ponieważ Księżyc silniej przyciąga tę stronę Ziemi, która jest zwrócona ku niemu, niż stronę przeciwną, powstają dwa spiętrzenia pływowe. Pomiędzy nimi znajdują się doliny odpływowe. W czasie jednego obrotu Ziemi wokół swojej osi wszystkie morza świata wchodzą w zasięg oddziaływania obu spiętrzeń pływowych. Jest to przyczyna dwukrotnego występowania przypływu i odpływu w ciągu doby. Przyciąganie Słońca także powoduje powstawanie pływów, są one jednak ponad dwukrotnie słabsze niż pływy pochodzące od oddziaływania Księżyca. Przypływy mają maksymalną amplitudę wtedy, gdy Księżyc i Słońce oddziaływują na Ziemię z tego samego kierunku, czyli zarówno podczas pełni, jak i nowiu. Ten najsilniejszy przypływ nazywany jest też przypływem syzygijnym lub wiosennym. Kiedy oddziaływania Słońca i Księżyca znoszą się częściowo, a dzieje się to wtedy, kiedy są one oddalone od siebie na niebie o mniej więcej kąt prosty, amplituda przypływu jest najmniejsza. Ma to oczywiście miejsce o okolicach pierwszej i ostatniej kwadry, z tego też względu przypływ taki nazywa się przypływem kwadrowym.
Księżyc zwraca ku Ziemi zawsze tę samą stronę, ponieważ w ciągu jednego obiegu dookoła Ziemi wykonuje jeden obrót wokół własnej osi. Doznaje on przy tym niewielkich wahań (libracji). Dzięki temu z Ziemi możliwe jest zaobserwowanie nieco ponad połowy (około 59%) jego całkowitej powierzchni. Gdy obserwujemy Księżyc na kilka dni przed nowiem lub po nowiu, dostrzegamy nie tylko cienki cienki sierp, lecz również świecącą słabym światłem pozostałą część tarczy Księżyca. Światło to nazywane jest "popielatym światłem Księżyca". Jest to światło słoneczne odbite od Ziemi ku Księżycowi. W okresie nowiu, obserwator na Księżycu widzi Ziemię, "w pełni". Ziemia w pełni widziana z Księżyca oświetla jego powierzchnię 100 razy mocniej niż Księżyc w pełni oświetla powierzchnię Ziemi.