3.5.2.2. Луна

Луна – единственный естественный спутник Земли, обращается вокруг Земли по эллиптической орбите. Среднее расстояние от Земли до Луны 384,4 тыс. км (минимальное – 356 тыс. км, максимальное – 406 тыс. км). Средняя скорость движения Луны по орбите составляет 1,02 км/с. Орбита Луны наклонена к земной орбите под углом 5° 9′. Луна совершает один оборот вокруг Земли за 27,3 суток. Этот период называется сидерическим лунным месяцем. Период вращения Луны вокруг своей оси совпадает с периодом обращения Луны вокруг Земли. Поэтому Луна всегда обращена к Земле одним и тем же полушарием. С Земли можно наблюдать около 59% лунной поверхности, причиной этого является некоторое покачивание лунного диска, так называемая «либрация».

Луна периодически изменяет свой внешний вид – от узкого серпа до полного диска. Фазы Луны связаны с изменением взаимного положения Луны, Земли и Солнца в результате вращения Луны вокруг Земли. Полный период смены фаз Луны составляет 29,5 суток и называется синодическим месяцем. Временная разница между синодическим и сидерическим месяцем объясняется тем, что не только Луна вращается вокруг Земли, но и Земля движется вокруг Солнца. Вследствие этого, лунные сутки (29,5 земных суток), немного превышают период вращения Луны вокруг своей оси (27,3 земных суток), т.о. лунный день и лунная ночь длятся около 15 земных суток. В период лунного дня солнечные лучи нагревают поверхность Луны на экваторе до +130°С, ночью поверхность охлаждается до –170°С.

В случаях, когда Солнце, Земля и Луна выстраиваются на одной линии, наступают солнечные (Луна находится между Солнцем и Землей) и лунные (Земля находится между Солнцем и Луной) затмения. Затмения повторяются в одной и той же последовательности. Период повторения затмений составляет 6585,3 суток (18 лет 11 суток 8 часов). Этот период называется «саросом».

Форма Луны близка к шару с радиусом 1738 км (0,27 экваториального радиуса Земли), объем Луны составляет 2,2∙10¹⁰ км³ (1/49 объема Земли). Масса Луны 7,35∙10²² кг, что в 81,3 раза меньше массы Земли. Средняя плотность Луны 3,34 г/см³, что в 1,5 раза меньше средней плотности Земли. Ускорение свободного падения на поверхности Луны равно 1,62 м/с² ( в 6 раз меньше, чем на Земле).

Первое описание поверхности Луны было сделано Г.Галилеем после изобретения им телескопа. Поверхность Луны при взгляде с Земли представляет сочетание светлых и темных пятен. Темные пятна получили название морей – это большие низменные равнины. Они находятся ниже среднего уровня поверхности Луны. В большинстве случаев моря расположены на стороне Луны, обращенной в сторону Земли, занимая до 40% видимой поверхности. В связи с тем, что поверхность морей отражает небольшое количество света, они кажутся темными. Считается, что моря обязаны своим происхождением истечению лавы вследствие вулканической деятельности, имевшей место 3,8 – 3,3 млн. лет назад.

Светлые области – материки представляют собой возвышенные гористые участки. В подавляющем большинстве лунные горы имеют кольцевую форму, их называют кратерами, а самые большие – цирками. Большая часть кратеров и крупных круглых углублений образовалась от удара метеоритов. Удары больших метеоритов вызывали извержение лавы из лунной мантии, поэтому вокруг кратеров можно наблюдать следы лавовых потоков. На поверхности Луны наблюдаются также горные хребты (длиной в сотни километров и высотой 3 – 5 км) и протяженные трещины и борозды.

Интенсивное развитие космических исследований в ХХ веке существенно повысило уровень наших знаний о Луне. С 1959 г. были успешно осуществлены полеты к Луне более 50 космических аппаратов серий «Луна», «Зонд» (СССР), «Рейнджер», «Сервейер», «Лунар Орбитер» (США) и космических кораблей серии «Аполлон» (США). С помощью космических аппаратов было произведено фотографирование поверхности Луны в крупных масштабах, получены данные о ее гравитационных и магнитных полях, доставлены на Землю образцы лунного грунта. Самоходные аппараты «Луноход-1» и «Луноход-2» обследовали свыше 100 кв. км поверхности Луны (1970 – 1973 гг.). На космических кораблях серии «Аполлон» с 1969 г. осуществлен ряд пилотируемых полетов к Луне с высадкой астронавтов на лунную поверхность.

На Луне нет воды и ее паров. Данные, полученные с помощью космического аппарата «Клементина» в 1994 г. позволяют предположить, что в некоторых глубоких кратерах, расположенных около полюсов и постоянно находящихся в тени, может быть водяной лед. Луна не обладает атмосферой, поэтому ее поверхность не защищена от солнечных и космических лучей и метеоритов. Поверхность Луны покрыта слоем реголита, являющегося смесью мелких обломков горных пород и породообразующих минералов, а также частиц, возникающих при кратерообразующих процессах. Толщина реголитового слоя в районах морей от 4 до 8 м, в материковых районах – от 4 до 12 м. Анализ лунного грунта свидетельствует о его базальтовом происхождении. На Земле базальты встречаются в вулканических зонах.

Внутреннее строение Луны изучается по результатам записей лунных землетрясений и ударов метеоритов, зафиксированных доставленными на Луну сейсмостанциями. Недра Луны, как и Земли, имеют слоисто-оболочечное строение. Под слоем реголита находится материковая кора толщиной от 50 до 100 км. Под корой находится мантия, в которой выделяют верхнюю (до глубины 300 – 400 км), среднюю (до глубины 1000 км) и нижнюю (глубже 1100 км) мантии. Ядро Луны состоит из железоподобного вещества, находящегося в состоянии частичного расплава, предполагаемый радиус ядра от 170 до 360 км. Между нижней мантией и ядром находится область, напоминающая земную астеносферу. Температура здесь около 1500° С, давление более 10⁸ Па. Различают поверхностные и глубинные лунные землетрясения. Поверхностные зарождаются в мантии на глубине до 300 км. Глубинные землетрясения происходят на глубине примерно 1000 км и носят циклический характер. У Луны нет магнитного поля, но некоторые породы ее поверхности проявляют остаточный магнетизм. Можно предположить, что в более ранние периоды истории Луны магнитное поле могло существовать.

Происхождение Луны – одна из древнейших загадок астрономии. Программами «Аполлон» и «Луна» на Землю было доставлено 380 кг образцов лунного грунта, что позволило более детально изучить Луну. Возраст образцов лунных пород колеблется в пределах 4,5 – 3,5 млрд. лет, что близко к возрасту Земли. Существуют четыре гипотезы о происхождении Луны. Согласно первой, Луна представляла собой независимо сформировавшуюся в Солнечной системе планету, оказавшуюся в непосредственной близости от Земли и захваченную нашей планетой силой притяжения. Этой теорией можно объяснить разницу в химическом составе поверхности Луны и Земли. Гипотеза «захвата» маловероятна с точки зрения динамики, т.к. переход тела, двигавшегося по независимой гелиоцентрической орбите вокруг Солнца, на эллиптическую (практически круговую) геоцентрическую орбиту вокруг Земли противоречит известным физическим законам. Под действием притяжения Земли небесное тело, подобное Луне, проходя около Земли, просто изменило бы свою траекторию.

Вторая – приливная гипотеза предполагает, что в далеком прошлом Земля вращалась вокруг своей оси гораздо быстрее, чем сейчас, в результате чего под действием центробежных сил, сложившихся с гравитационным воздействием пролетавшего в непосредственной близости от Земли крупного небесного тела, от нашей планеты оторвался крупный кусок. Оторвавшийся кусок оказался на стационарной орбите вокруг Земли и превратился в Луну. Исследования химического состава лунного грунта опровергают эту гипотезу.

По третьей гипотезе, Луна сформировалась из различных веществ и обломков, которые находились на орбите рядом с Землей. С помощью этой гипотезы нельзя объяснить разницу в химическом составе Луны и Земли.

В последние десятилетия ХХ века появилась еще одна гипотеза – гипотеза гигантского столкновения. Согласно этой гипотезе, Луна образовалась в результате сильнейшего столкновения нашей планеты с небесным телом, похожим на Марс. Произошло это в период, когда земная кора еще до конца не оформилась и Земля находилась в полужидком состоянии. В результате столкновения на околоземную орбиту выплеснулось значительное количество вещества земной мантии и коры. Постепенно это вещество уплотнилось и превратилось в Луну. Эта гипотеза объясняет и низкую плотность лунного вещества, и близость его химического состава к составу вещества земной коры и мантии, т.к. при столкновении земное ядро не было затронуто и на орбиту не попало. Окончательно вопрос о происхождении Луны еще не решен.