Hoofdstuk 4 - De maan en haar bewegingen PDF

Hoofdstuk 4: De maan en haar bewegingen Kernvragen: Waarom zien we de maan in verschillende gestalten aan de hemel? Welke gevolgen ondervinden we van de nabijheid van de maan? Wat is het verschil tussen een zoneclips en een maansverduistering? 1 Kenmerken van de maan Manen zijn afgekoelde lichame...

Hoofdstuk 4: De maan en haar bewegingen Kernvragen: Waarom zien we de maan in verschillende gestalten aan de hemel? Welke gevolgen ondervinden we van de nabijheid van de maan? Wat is het verschil tussen een zoneclips en een maansverduistering? 1 Kenmerken van de maan Manen zijn afgekoelde lichamen, kleiner dan de planeet waarrond ze in een bijna cirkelvormige baan draaien. De aarde heeft zo één maan in haar greep, die zich in een ellipsvormige baan op een gemiddelde afstand van 384 400 km beweegt. Net als planeten geven manen geen licht. De maan is zichtbaar omdat ze het licht van de zon reflecteert. Onze maan is bolvormig en kleiner dan de aarde. Daardoor is de zwaartekracht op de maan ongeveer zes keer kleiner dan op aarde. Dat zorgt ervoor dat de maan geen gasmoleculen kan vasthouden en dat er slechts een verwaarloosbare atmosfeer aanwezig is. De afwezigheid van een atmosfeer op de maan heeft verschillende gevolgen: Er is geen bescherming tegen meteorietinslagen, waardoor het maanoppervlak veel kraterinslagen vertoont. Er is geen dampkring om het licht te verspreiden, waardoor het niet-belichte deel van de maan volledig donker is. De hemelkoepel is er zwart, en niet blauw of bewolkt. Er is een maximale uitstraling van warmte, waardoor de temperaturen in het niet- belichte deel zeer laag zijn (-170 °C) en in het belichte deel zeer hoog (+130 °C). Er is geen wind op de maan, waardoor de Amerikaanse vlag niet kan wapperen en enkel met behulp van een horizontale stok recht kan blijven staan. Je kunt enkel op de maan lopen met een zuurstoffles en een speciaal maanpak, anders verbrand of bevries je. Dat pak beschermt je ook tegen gevaarlijke uv- straling van de zon die het maanoppervlak bereikt. Doordat de zwaartekracht op de maan lager is dan die op de aarde, kun je er niet normaal lopen, maar eerder ‘huppelen’ of springen. 2 Bewegingen van de maan 2.1 De beweging van de maan rond de aarde De maan draait in 27 dagen, 7 uur en 44 minuten in een ellipsvormige baan in tegenwijzerzin rond de aarde. Dat is de maanrevolutie. Tijdens die beweging maakt het baanvlak van de maan een hoek van ongeveer 5° met het eclipticavlak. Tijdens de omloop van de maan rond de aarde zie je dagelijks het belichte deel van de maan veranderen, dat zijn de schijngestalten van de maan. Fig. 2.30 De beweging van de maan rond de aarde 2.1.1 Schijngestalten van de maan De maan heeft verschillende schijngestalten die we kunnen waarnemen: nieuwe maan, eerste kwartier, volle maan en laatste kwartier (fig. 2.31). a Bij nieuwe maan (NM) staat de maan tussen de aarde en de zon, waardoor het voor ons onzichtbare deel van de maan wordt belicht door de zon. b Bij het eerste kwartier (EK) wordt de helft van het belichte halfrond zichtbaar (letter ‘p’ van ‘premier’). c Bij volle maan (VM) staat de aarde tussen de maan en de zon, waardoor het volledig belichte deel van de maan naar de aarde is gericht. d Bij het laatste kwartier (LK) wordt opnieuw de helft van het belichte halfrond zichtbaar (letter ‘d’ van ‘dernier’). Het baanvlak van de maan maakt een hoek van 5° met het eclipticavlak, wat ervoor zorgt dat de volle maan nog zichtbaar is vanaf de aarde. De maan, de aarde en de zon staan niet precies op een rechte lijn, dat gebeurt enkel bij een volledige maansverduistering en bij een zoneclips. Tussen nieuwe en volle maan neemt de schijngestalte van de maan toe, dat is de wassende maan. De krimpende maan is de maan tussen de volle maan en de nieuwe maan, de schijngestalte neemt dan af. Fig. 2.32 De beweging van de maan rond de aarde 2.1.2 Duur van de omloop van de maan rond de aarde Fig. 2.33 De siderische en synodische maand De tijd die verstrijkt tussen twee momenten waarop de maan exact dezelfde positie inneemt ten opzichte van een ster, wordt de siderische maand (fig. 2.33) genoemd. Die periode komt overeen met de tijd die de maan nodig heeft om een volledige baan rond de aarde te maken en duurt 27 dagen, 7 uur en 44 minuten. Ondertussen beweegt de aarde ook in haar baan rond de zon en schuift de maan mee op. Om vanop de aarde de maan opnieuw in dezelfde stand ten opzichte van de zon te zien, moet de maan nog iets meer dan twee dagen opschuiven in haar baan om de aarde. Dat noemen we de synodische maand (fig. 2.33), die 29 dagen, 12 uur en 44 minuten duurt. Die periode komt overeen met de tijd tussen twee opeenvolgende nieuwe manen. 2.2 De schijnbeweging van de maan aan de hemelkoepel Fig. 2.34 Het ontstaan van een ‘maan-dag’ Door de aardrotatie zien we de maan elke dag van oost over zuid naar west om de aarde bewegen. In werkelijkheid draait de maan in 27 dagen, 7 uur en 44 minuten rond de aarde en legt ze daarbij dagelijks in tegenwijzerzin 13° 10’ 17” af aan de sterrenhemel. De aarde doet er 50 minuten extra over om weer in dezelfde positie ten opzichte van de maan te komen. Daardoor vinden de maansopgang, -culminatie en -ondergang gemiddeld ongeveer 50 minuten later plaats per dag. Een ‘maan-dag’ duurt dus 24 uur en 50 minuten. 2.3 De beweging van de maan rond haar eigen as De maan draait in 27 dagen, 7 uur en 44 minuten rond haar eigen as, dat is de maanrotatie. Dat komt overeen met de siderische tijd van de maan rond de aarde. De beide bewegingen van de maan heffen elkaar dus op, waardoor we vanop de aarde altijd hetzelfde deel van de maan te zien krijgen. Tijdens de eerste missie van het ruimteschip Orion in november 2022 werden de eerste duidelijke foto’s gemaakt van de achterkant van de maan. Orion kwam op zijn dichtste punt tot op 130 kilometer van het maanoppervlak aan de achterzijde van de maan. 3.1 Zoneclips Fig. 2.36 Schematische voorstelling zoneclips Wanneer de maan door het eclipticavlak gaat, beweegt ze precies tussen de zon en de aarde en werpt ze een schaduw op de aarde. Voor een gebied op aarde is dan tijdens een deel van de dag de zon niet meer of slechts gedeeltelijk zichtbaar. Dat fenomeen noemen we een zoneclips. Een zoneclips is mogelijk als de zon, maan en aarde in deze volgorde op één lijn liggen. Dat kan alleen bij nieuwe maan. Hoewel vaak wordt gesproken van een zonsverduistering, is dat eigenlijk niet correct aangezien de zon niet wordt verduisterd, maar afgeschermd wordt door de maan. Bij een zoneclips wordt de corona van de zon zichtbaar (zie thema ‘De kosmos’). Het feit dat de schijnbare grootte van de zon en maan vanop aarde ongeveer gelijk is, is puur toeval. De zon is 400 keer groter dan de maan, maar staat ook 400 keer verder weg. Dat betekent dat een totale eclips slechts zeer zelden op een bepaalde plaats voorkomt. Fig. 2.37 Verschillende fases van de zoneclips 3.2 Maansverduistering Fig. 2.38 Schematische voorstelling maansverduistering Tijdens haar omwenteling rond de aarde schuift de maan soms geheel of gedeeltelijk in de schaduw van de aarde. Vanop aarde kunnen we die verduistering van de maan waarnemen. De maan kan alleen in de schaduw van de aarde vallen als de zon, de aarde en de maan in die volgorde op één lijn liggen, en dus is een maansverduistering alleen mogelijk bij volle maan. Niet elke volle maan leidt tot een maansverduistering. Dat komt doordat de baan van de maan om de aarde een hoek van 5° maakt met het eclipticavlak. In de meeste gevallen zal de volle maan dus enkele graden boven of onder de aardschaduw staan. Een maansverduistering gebeurt alleen bij volle maan en als de maan zich dichtbij of in een van de knopen (= snijpunten maanbaan en eclipticavlak) van de maanbaan bevindt. Fig. 2.39 Hoek maanbaan en eclipticavak In tegenstelling tot een zoneclips blijft de maan zichtbaar bij een maansverduistering. Er treedt wel een verduistering op maar door het licht dat door de atmosfeer van de aarde verspreid wordt, is er een rode schijn aanwezig. Dat wordt ook wel een bloedmaan genoemd. Fig. 2.40 Bloedmaan 4.1 Het ontstaan van getijden Fig. 2.41 Het ontstaan van de getijden De hoogte van het zeeniveau aan de kust schommelt dagelijks volgens de getijden. Getijden zijn het gevolg van de gravitatiekracht van de maan op de aarde. Om de verschillen in waterstanden te verklaren, onderzoeken we het verschil van de kracht van de maan op de aarde in vier verschillende punten op aarde (fig. 2.39). We kiezen als referentie de gravitatiekracht die het middelpunt van de aarde (C) ondervindt ten gevolge van de maan (→F⁡m centrum). We tekenen deze kracht met rode pijlen in vier punten (1, 2, 3 en 4) om ze daarna te kunnen vergelijken met de echte gravitatiekracht (zwarte pijlen) ten gevolge van de maan in die punten (fig. 2.41c). De aantrekkingskracht van de maan op een (water)deeltje (→F⁡m) verschilt naargelang de afstand tot de maan. Deze kracht is omgekeerd evenredig met het kwadraat van de afstand tussen de tweemassa’s (→F⁡m ~ 1r2 ). De aantrekkingskracht is dus het grootst in 1 (→F⁡m⁢1) en het kleinst in 3 (→F⁡m⁢3).In het centrum van de aarde is →F⁡m = →F⁡m centrum (fig. 2.41b). Het verschil tussen de schijnbare gravitatiekracht (→F⁡m centrum) en de echte gravitatiekracht (→F⁡m) van de maan op de aarde op een bepaalde plaats (m) is de verschilkracht (→F⁡v). Hoewel de verschilkracht klein is, is ze voldoende sterk om getijden te veroorzaken: →F⁡v = →F⁡m – →F⁡m centrum = echte gravitatiekracht – centrumkracht (fig. 2.41c).(fig. 2.41c). 4.2 Eb en vloed Fig. 2.42 Lage en hoge waterstand Wanneer de getijdenuitstulping op zijn hoogst is, is het hoogtij. Aangezien de totale hoeveelheid water op aarde gelijk blijft, betekent een toename van water op de ene plek automatisch exact 90 lengtegraden verder een afname van water. Op die plek is dan de laagste waterstand of laagtij. De overgang van laagtij naar hoogtij is vloed. De overgang van hoogtij naar laagtij is eb. Door de aardrotatie ervaart elke plaats op aarde twee keer per dag eb en vloed. Het duurt 12 uur en 25 minuten vanaf het moment van hoogtij tot het volgende hoogtij. Dat komt doordat tijdens eb en vloed de maan zich langs haar baan verplaatst (zie fig. 2.34). Het kost de maan 24 uur en 50 minuten om zich op precies dezelfde positie ten opzichte van een bepaald punt op aarde te bevinden. Daardoor treden hoog- en laagtij telkens op verschillende tijdstippen van de dag op. 4.3 Springtij en doodtij Fig. 2.43 Het ontstaan van springtij en doodtij Door haar aantrekkingskracht varieert het getij in hoogte. Hoewel de zon een veel grotere massa heeft dan de maan, is haar invloed tweemaal zo klein omdat ze veel verder van de aarde staat. Wanneer de zon en maan op een lijn liggen (bij nieuwe en bij volle maan) werken ze samen en ontstaat springtij. Dat gebeurt ongeveer om de twee weken. Bij springtij is er een hoge vloed en een lage eb, waardoor het getijdenverschil groter is dan gewoonlijk. Wanneer de maan in het eerste of in het laatste kwartier staat, werken de aantrekkingskrachten van de maan en de zon elkaar tegen en ontstaat een doodtij. Dat leidt tot een hoge laagwaterstand en een lage hoogwaterstand, en dus een klein getijdenverschil. Om veiligheidsredenen moeten watersporters, strandwandelaars aan de voet van kliffen en wadlopers altijd de getijdentabellen raadplegen.