Луна – естественный спутник Земли

Луна является единственным естественным спутником Земли и ближайшим к ней небесным телом. Первым, кто выдвинул идею о том, что Луна является спутником Земли и вместе с ней движется вокруг Солнца, был Коперник. Первым человеком, ступившим на поверхность Луны 21 июля 1969г., был американский астронавт Н. Армстронг.

Рис.1.50. Вид Земли с поверхности Луны

Луна обращается вокруг Земли по почти эллиптической орбите со средним удалением 384 400км и с периодом 27,3217 средних суток (сидерический месяц). Экстремальные расстояния от Земли равны 364 400 и 406 730км. Средние солнечные сутки на Луне равны среднему синодическому месяцу (среднему промежутку между двумя одинаковыми фазами Луны, например, полнолуниями) –

Рис.1.51. Фазы Луны

29 суток 12 часов 44 минуты 02,82 секунды. Истинные солнечные сутки могут отклоняться от средних на 13 часов в обе стороны, что связано как с неравномерностью движения Земли по орбите, так и с наклоном орбиты Луны к эклиптике, с эллиптичностью её орбиты и с наклоном оси вращения Луны к плоскости орбиты.

Средняя скорость движения по орбите составляет 1,02км/сек. Средний эксцентриситет орбиты равен 0,0549. Вращение Луны вокруг её оси происходит с тем же периодом в 27,3217 суток (угловая скорость вращения - 13° 10¢ 34,9² в одни средние сутки), вследствие чего она всегда обращена к Земле одной и той же стороной. Но в результате либраций (своеобразных покачиваний) Луны телескопическим наблюдениям с Земли доступны 59% её поверхности. Для Луны физическими либрациями называют явления, которые на самом деле представляют не что иное, как нутацию оси инерции в пространстве под действием приливов, создаваемых Землёй на Луне.

Наклон оси вращения к эклиптике составляет 88°28¢38², а к плоскости орбиты Луны – от 83°11¢ до 83°29¢ Общая площадь поверхности Луны равна 3,8×10⁷ км², что составляет 3/40 части земной поверхности.

В течение каждого своего оборота вокруг Солнца с периодом 29,5306 суток (синодический месяц) Луна представляется с Земли Т (рис.1.51, 1.52) в различных фазах, определяемыми её положением относительно Солнца S, которым она освещается. При долготе Луны, равной долготе Солнца, имеет место новолуние (L4). Если же долгота Луны отличается от долготы Солнца на 180°, то будет наблюдаться полнолуние (L2). Положения Луны L1 и L3, когда угол при Луне между направлениями на Землю и на Солнце равен 90°, называются квадратурами или четвертями.

Рис.1.52. Фазы и квадратуры Луны

Наблюдения Луны в квадратурах были положены в основу способа определения расстояния от Земли до Солнца, предложенного за 200 лет до н. э. древнегреческим астрономом, «Коперником древнего мира» (по выражению Ф. Энгельса) Аристархом (320-250гг. до н.э.), а лунные затмения уже с древних времён использовались для определения разности долгот между двумя пунктами на земной поверхности. Метод лунных затмений широко использовался великими мореплавателями в конце 15 и в начале 16 веков для определения долгот открытых ими земель. Мореплаватели того времени приурочивали свои путешествия к заранее известным лунным затмениям. Так, например, случилось с Колумбом, когда, приплыв на остров Ямайка, он использовал затмение Луны 29 февраля 1504г. для того, чтобы внушить к себе почтение со стороны аборигенов.

Древние греки в своём исчислении времени принимали основной единицей продолжительность синодического месяца. В 19-и тропических годах содержится ровно 235 таких месяцев. Этот 19-и летний период, установленный греками за 400 лет до н.э., называется циклом или кругом Луны, потому что по истечении его все фазы Луны начинают повторяться снова в прежние дни года. Числа от 1 до 19, указывающие порядок разных годов в этом цикле, получили название золотых чисел.

Форма Луны очень близка к шару радиусом 1738км (0,27 экваториального радиуса Земли), объём Луны равен 2,2×10¹⁹ м³ (1/49 объёма Земли), масса Луны равна 7,35×10²² кг, что в 81,3 раза меньше массы Земли. Масса Луны настолько мала, что около неё не может удержаться сколько-нибудь заметная атмосфера, даже если бы она и появилась. Вследствие этого Луна долгое время считалась «мёртвым телом». Средняя плотность Луны 3,34 г/см³ или 3340 кг/м³. Ускорение свободного падения на поверхности Луны равно 1,623 м/с², что в 6 раз меньше, чем на Земле. Динамическое сжатие Луны, характеризующееся коэффициентом (для Луны), в 5 раз меньше, чем Земли.

Оси эллипсоида Луны: а = 1739,23 ± 0,11км (направлена к Земле), в=1735,44 ± 0,27км, с = 1736,04 ± 0,29км (полярная).

Галилей открыл существование лунного рельефа. Его наблюдения положили начало лунной картографии, которая продолжала разрабатываться и смогла удовлетворить возродившийся интерес к проблемам Луны. Первая карта Селены (Луны) была опубликована в книге Фонтенеля (1655-1757) «Разговоры о множестве миров». На рис.1.52 представлен фрагмент карты видимой стороны Луны.

Рис.1.53. Фрагмент карты видимой стороны Луны

Гравитационное поле Луны очень неоднородно, а источники гравитационных аномалий находятся ближе к поверхности, чем на Земле. Гравитационные поля видимой и невидимой сторон Луны имеют много общего и характеризуются среднеквадратическим изменением ±500мкм×с^-2. На видимой стороне в областях круговых морей обнаружены положительные аномалии силы тяжести до 3000мкм×с^-2 (масконы – концентрации масс). Максимальная величина приливного изменения силы тяжести, вызванного притяжением Земли, составляет примерно 1,5×10^-5 от величины силы тяжести на Луне, влияние солнечного прилива составляет менее 0,15мкм×с^-2. Гравитационная связь между Землёй и Луной была осуществлена в 1972г. в программе «Аполлон-17».

Момент инерции Луны составляет 1/1300 момента инерции Земли. По наблюдениям орбит лунных спутников их значения равны ( - масса, - экваториальный радиус Луны):

Луна вращается относительно Солнца с периодом 29,53 суток (синодический месяц), так что лунный день и лунная ночь длятся, соответственно, почти по 15 суток. В период лунного дня солнечные лучи нагревают поверхность Луны в центре её видимого диска до +110°С, ночью поверхность в этой точке охлаждается до -120°С.

Точно знать параметры вращения Луны необходимо для правильной постановки лазерных измерений расстояний Земля-Луна с использованием уголковых отражателей, установленных на Луне. Угловое отклонение светового луча на 1² соответствует его перемещению по поверхности Земли на 2 км. На лунной долготе 45° это приводит к ошибке в определении расстояния Земля-Луна в 5,6м. Либрации имеют амплитуду около 100², следовательно, поправки в измерения расстояния могут достигать 500м. Отсюда ясно, что для обеспечения точности в 1см необходимо знать угол поворота Луны с точностью 0,002².

На поверхности Луны установлены 5 уголковых отражателей, доставленных туда российскими (Луноход-1, 1970г., Луноход-2, 1973г.) и американскими (Аполлон-11, 1969г., Аполлон-14, 1971г., Аполлон-15, 1971г.) космическими аппаратами. Измеренные расстояния до уголковых отражателей, установленных на Луне, позволяют решать астрономические, геодезические и геодинамические задачи: уточнять координаты пункта наблюдений, теорию движения Луны, положение отражателей, параметры физической либрации Луны, параметры вращения Земли, параметры её орбитального движения, изучать перемещения литосферных плит.

Светолокация космических объектов стала возможной после открытия оптических квантовых генераторов, благодаря работам, выполненным в Физическом институте АН СССР под руководством лауреатов Нобелевской премии академиков Н.Г. Басова и А.М. Прохорова. В том же институте под руководством профессора Ю.Л. Кокурина проводились работы по лазерной локации Луны. В 1963г. в Крымской обсерватории впервые было получено отражение лазерного импульса от поверхности Луны, а в 1965г. измерено расстояние до Луны с точностью около 200м. Современная точность измерений составляет несколько дециметров, а в перспективе составит единицы сантиметров.

Особый интерес представляет проект размещения на Луне радиоинтерферометрической обсерватории. Это даст возможность уточнить параметры системы Земля-Луна в инерциальной системе отсчёта, закреплённой каталогами координат квазаров, определять положения центра масс системы Земля-Луна относительно центра масс Земли на каждую эпоху, уточнить теорию движения Луны.

Поверхность Луны в целом довольно тёмная. Среднее геометрическое альбедо равно 0,073, т.е. Луна отражает 7,3% падающих на неё солнечных световых лучей. К наиболее характерным особенностям поверхности Луны, изученным оптическими методами с Земли, относятся:

• тёмные, относительно ровные участки поверхности – «моря». Они занимают около 40% видимой поверхности Луны;
• более светлые гористые участки – «материки» с характерными для Луны кольцевыми горами (цирками) и кратерами, имеющими кольцевой вид и горку в центре;
• лунные горные хребты часто длиной в сотни километров и высотой 3-5км;
• протяжённые трещины и борозды;
• светлые лучи, тянущиеся от некоторых крупных кратеров на расстояния в сотни и даже тысячи километров.

Число цирков и кратеров с диаметром свыше 20км на видимой стороне Луны достигает нескольких сотен. Каталог лунных образований содержит свыше 17 тысяч кратеров диаметром больше 3,5км только на видимой стороне Луны. Оптические методы позволили изучить с Земли лунные образования, размеры которых не меньше нескольких сотен метров.

Полёты к Луне космических аппаратов и космических кораблей начали осуществляться с 1959г. Первый полёт человека вокруг Луны был выполнен в декабре 1968г. в кабине космического корабля «Аполлон-8» на высоте 112км над лунной поверхностью. В 1969г., 20 июля, была осуществлена первая высадка человека на Луну. Самоходные аппараты «Луноход-1» и «Луноход-2» в 1970-73гг. обследовали лунную поверхность на площади свыше 100 тыс. км². Результаты этих исследований кратко сводятся к следующему:

· преобладающей формой лунного рельефа являются горы. Тёмные пятна более ровных морей занимают меньшую часть поверхности Луны. Соотношение морских и материковых районов для лунного шара составляет 1:6. Моря в основном концентрируются на обращённом к Земле полушарии (~ 40% площади). На обратной стороне Луны есть лишь два небольших морских участка. Отсутствие морей на обратной стороне Луны как бы уравновешивается наличием огромных впадин, дно которых имеет светлый материковый характер. Эти впадины были названы талассоидами, что в переводе с греческого означает «мореподобные»;

· были открыты масконы – локализованные концентрации массы на некоторой глубине под лунной поверхностью. Как правило, они располагаются в центрах круговых морей;

· полученная информация полностью разрушила представление о наличии на Луне мощного пылевого покрова. Оказалось, что Луна покрыта особой породой – реголитом, мелкозернистым обломочно-пылевым материалом, который возник в результате дробления лунных пород при падении метеоритов и резких перепадов температуры. Самый верхний слой имеет плотность 1,1-1,2г/см³, но уже на глубине нескольких дециметров плотность и прочность грунта значительно возрастают. До глубины 1-2км свойства грунта отвечают раздробленным горным породам, уплотняющимся под действием собственного веса. Глубже 2км до 25км лунная кора состоит из базальтов, ещё глубже (примерно до 40км) – из норита или анортозита;

· магнитное поле Луны весьма слабое и составляет по величине примерно 0,1% магнитного поля Земли. Существует теория, по которой Луна некогда имела сильное магнитное поле, утраченное в результате резких внутренних термических изменений;

· до 1972г. считали, что Луна не имеет ядра, либо оно уже давно остыло. В 1973г. сейсмометры, расположенные на поверхности Луны, зафиксировали сейсмические колебания, вызванные падением крупного тела на невидимую с Земли сторону Луны. Из анализа полученных данных был сделан вывод о наличии расплавленных пород в теле Луны, т.е. горячего ядра.

Одной из главных целей лунных исследований по-прежнему остаётся решение проблемы происхождения и эволюции Луны и её связи с Землёй. Предложен целый ряд гипотез происхождения и образования Луны. В частности, высказываются предположения, что Луна выделилась из мантии Земли (гипотеза отторжения), что Луна и Земля образовались одновременно как двойная планета в тесной близости друг к другу путём аккреции (падения вещества на космическое тело из окружающего пространства) сходного родительского вещества (гипотеза совместного происхождения), что Луна образовалась где-то в Солнечной системе и лишь в последствии была захвачена Землёй (гипотеза захвата), наконец, что Луна образовалась путём объединения кольца планетезималий (тел промежуточной массы), некогда окружавших Землю. Пока ни одной из этих гипотез нельзя безоговорочно отдать предпочтение. Однако тот факт, что возраст образцов лунных пород колеблется в пределах 3,5-4,5 млрд. лет и близок к возрасту Земли, определённому независимо, свидетельствует в пользу гипотезы совместного происхождения.