1η φάση «Αρίσταρχος» 2005, Λύκειο: θέματα και λύσεις

(Α) Φάσεις: Νέα Σελήνη → αύξων μηνίσκος → πρώτο τέταρτο → αύξουσα αμφίκυρτη → Πανσέληνος → φθίνουσα αμφίκυρτη → τελευταίο τέταρτο → φθίνων μηνίσκος, σε έναν συνοδικό μήνα (29,5 μέρες). Οφείλονται στο ότι ο Ήλιος φωτίζει πάντα το μισό της Σελήνης, και εμείς, καθώς εκείνη περιφέρεται, βλέπουμε κάθε φορά διαφορετικό μέρος από το φωτισμένο μισό. Δεν οφείλονται στη σκιά της Γης. Ίδιο ημισφαίριο: η Σελήνη περιστρέφεται γύρω από τον άξονά της σε ακριβώς όσο χρόνο περιφέρεται γύρω από τη Γη (27,3 μέρες), λόγω παλιρροϊκού κλειδώματος: οι παλιρροϊκές δυνάμεις της Γης «φρενάρισαν» την περιστροφή της. Με τις «λικνίσεις» βλέπουμε περίπου το 59% της επιφάνειάς της.

(Β) Ατμόσφαιρα: πρακτικά όχι, μόνο μια εξαιρετικά αραιή «εξώσφαιρα». Η βαρύτητά της είναι μικρή (ταχύτητα διαφυγής 2,4 km/s), και τα μόρια αερίων, θερμαινόμενα από τον Ήλιο, αποκτούν αρκετή ταχύτητα για να διαφύγουν. Επιπλέον, δεν έχει μαγνητικό πεδίο να την προστατεύει από τον ηλιακό άνεμο.

(Γ) Δημιουργία: η επικρατέστερη είναι η θεωρία της γιγάντιας πρόσκρουσης. Πριν από περίπου 4,5 δισεκατομμύρια χρόνια, ένα σώμα μεγέθους Άρη (η «Θεία») χτύπησε τη νεαρή Γη. Τα συντρίμμια από τους μανδύες των δύο σωμάτων σχημάτισαν δίσκο γύρω από τη Γη, και από αυτόν συγκεντρώθηκε η Σελήνη. Η θεωρία εξηγεί γιατί η Σελήνη έχει μικρό σιδερένιο πυρήνα, λίγα πτητικά στοιχεία και πετρώματα με ισοτοπική σύσταση σχεδόν ίδια με της Γης.

(Α) Κίνδυνοι: ακτινοβολία (κοσμική ακτινοβολία υψηλής ενέργειας και ηλιακές εκλάμψεις), με κίνδυνο καρκίνου και βλάβης στο νευρικό σύστημα. Έλλειψη βαρύτητας: απώλεια οστικής μάζας (περίπου 1–2% τον μήνα), ατροφία μυών, ανακατανομή υγρών και προβλήματα όρασης, αδυναμία του καρδιαγγειακού συστήματος. Ψυχολογικοί: απομόνωση, περιορισμένος χώρος, καθυστέρηση στην επικοινωνία με τη Γη (έως περίπου 20 λεπτά από τον Άρη). Επίσης βλάβες στα συστήματα υποστήριξης ζωής και μικρομετεωροειδή.

(Β) Αντιμετώπιση: θωράκιση (νερό, πολυαιθυλένιο, και ένα «καταφύγιο» για τις ηλιακές καταιγίδες), παρακολούθηση του Ήλιου για έγκαιρη προειδοποίηση, ταχύτεροι κινητήρες για συντομότερα ταξίδια. Καθημερινή άσκηση με ειδικά όργανα, διατροφή και φάρμακα για τα οστά, ίσως τεχνητή βαρύτητα με περιστροφή του σκάφους. Προσεκτική επιλογή και εκπαίδευση πληρώματος, ψυχολογική υποστήριξη. Διπλά (εφεδρικά) συστήματα και ανακύκλωση αέρα και νερού.

(Γ) Παραδείγματα: ο Απόλλων 13 (1970), όπου μετά από έκρηξη δεξαμενής οξυγόνου το πλήρωμα επέζησε χρησιμοποιώντας τη σεληνάκατο ως «σωσίβιο». Η ηλιακή καταιγίδα του Αυγούστου 1972, ανάμεσα στις αποστολές Απόλλων 16 και 17, που θα ήταν επικίνδυνη για αστροναύτες στη Σελήνη. Η πυρκαγιά στον σταθμό Mir (1997). Οι αστροναύτες μακράς παραμονής (π.χ. Β. Πολιακόφ, 437 μέρες) χρειάστηκαν εβδομάδες αποκατάστασης για να ξαναπερπατήσουν κανονικά.

(Α) και (Β) Η διαδρομή, με απόσταση από τη Γη ή τον Ήλιο: Σελήνη 384.000 km (1,3 δευτερόλεπτα φωτός) → Αφροδίτη (στην κοντινότερη θέση περίπου 40 εκατομμύρια km) → Ήλιος 150 εκατομμύρια km = 1 AU (8,3 λεπτά φωτός) → Άρης 1,5 AU από τον Ήλιο → ζώνη αστεροειδών 2,1–3,3 AU → Δίας 5,2 AU → Κρόνος 9,5 AU → Ουρανός 19 AU → Ποσειδώνας 30 AU (4 ώρες φωτός) → Πλούτωνας και ζώνη Kuiper 30–50 AU → ηλιόπαυση, το όριο του ηλιακού ανέμου, περίπου 120 AU (το Voyager 1 την πέρασε το 2012) → νέφος του Oort περίπου 2.000–100.000 AU (έως 1–2 έτη φωτός).

Πέρα από το ηλιακό σύστημα: Proxima Centauri 4,2 έτη φωτός → λαμπρά γειτονικά άστρα (Σείριος 8,6 έτη φωτός) → Νεφέλωμα του Ωρίωνα περίπου 1.300 έτη φωτός → κέντρο του Γαλαξία περίπου 26.000 έτη φωτός → Νέφη του Μαγγελάνου περίπου 160.000–200.000 έτη φωτός → Ανδρομέδα 2,5 εκατομμύρια έτη φωτός → σμήνος της Παρθένου περίπου 54 εκατομμύρια έτη φωτός → οι μακρινότεροι γαλαξίες και η ακτινοβολία υποβάθρου, στο όριο του παρατηρήσιμου σύμπαντος.

(Γ) Σχεδίαση: σε γραμμική κλίμακα είναι αδύνατη: αν η Γη απέχει 1 cm από τον Ήλιο, ο Proxima Centauri είναι 2,7 km μακριά. Η σωστή λύση είναι μια λογαριθμική κλίμακα, όπου κάθε υποδιαίρεση αντιστοιχεί σε δεκαπλάσια απόσταση: 1 AU, 10 AU, 100 AU και ούτω καθεξής, με τα σώματα τοποθετημένα κατά σειρά πάνω σε αυτήν.

(Α) Λόξωση: η γωνία ανάμεσα στο επίπεδο της εκλειπτικής και στο επίπεδο του ουράνιου ισημερινού. Ισοδύναμα, η κλίση του άξονα της Γης ως προς την κάθετο στο επίπεδο της τροχιάς της: σήμερα περίπου 23,44°. Δεν είναι απόλυτα σταθερή: ταλαντεύεται μεταξύ περίπου 22,1° και 24,5° με περίοδο περίπου 41.000 ετών, και σήμερα μειώνεται αργά. Η κίνηση της Γης: περιφέρεται γύρω από τον Ήλιο στο επίπεδο της εκλειπτικής, αριστερόστροφα όπως φαίνεται από τον βορρά, με μέση ταχύτητα περίπου 30 km/s. Είναι λίγο γρηγορότερη στο περιήλιο (αρχές Ιανουαρίου) και λίγο αργότερη στο αφήλιο (αρχές Ιουλίου). Ο άξονας κρατά σταθερό προσανατολισμό στον χώρο, προς τον Πολικό.

(Β) Συνέπειες: οι εποχές: ο Ήλιος φτάνει σε διαφορετικό ύψος και η διάρκεια της μέρας αλλάζει μέσα στο έτος. Οι κλιματικές ζώνες: οι τροπικοί κύκλοι στις ±23,44° και οι πολικοί κύκλοι στις ±66,56° ορίζονται από τη λόξωση. Ο ήλιος του μεσονυκτίου και η πολική νύχτα. Τα σημεία ανατολής και δύσης του Ήλιου μετακινούνται στον ορίζοντα. Οι αργές μεταβολές της λόξωσης συμβάλλουν στις εναλλαγές παγετωνικών περιόδων (κύκλοι Milankovitch).

(Γ) Άλλοι πλανήτες: ναι, ο καθένας έχει τη δική του κλίση άξονα: Ερμής περίπου 0°, Αφροδίτη 177° (ανάδρομη περιστροφή), Άρης 25,2° (εποχές παρόμοιες με τις δικές μας, αλλά διπλάσιας διάρκειας), Δίας 3,1° (σχεδόν καθόλου εποχές), Κρόνος 26,7°, Ουρανός 97,8° (ακραίες εποχές), Ποσειδώνας 28,3°. Από τη Γη τις βλέπουμε έμμεσα: οι πολικές κάλυπτρες του Άρη μεγαλώνουν και μικραίνουν με τις εποχές του, οι δακτύλιοι του Κρόνου αλλάζουν κλίση και κάθε περίπου 15 χρόνια βλέπονται «κόψη» και σχεδόν εξαφανίζονται, και στον Ουρανό τα τηλεσκόπια βλέπουν διαφορετικό πόλο ανάλογα με την εποχή.