1.5. Луна

Землю нередко и не без основания называют двойной планетой Земля–Луна. Луна (Селена, в греческой мифологии богиня Луны), наша небесная соседка, первой подверглась непосредственному изучению.

Общие сведения о Луне. Движения Луны. Луна – природный спутник Земли, находящийся от нее на расстоянии 384 тыс. км (60 радиусов Земли). Средний радиус Луны 1738 км (почти в 4 раза меньше земного). Масса Луны составляет 1/81 массы Земли, что значительно больше, чем подобные отношения у других планет Солнечной системы (кроме пары Плутон–Харон); поэтому систему Земля–Луна считают двойной планетой. Она имеет общий центр тяжести – так называемый барицентр, который находится в теле Земли на расстоянии 0,73 радиуса от ее центра (1700 км от поверхности Океана). Вокруг этого центра вращаются оба составляющих системы, и именно барицентр совершает движение по орбите вокруг Солнца. Средняя плотность лунного вещества 3,3 г/см³ (земного – 5,5 г/см³). Объем Луны в 50 раз меньше Земли. Сила лунного притяжения в 6 раз слабее земного. Луна вращается вокруг своей оси, из-за чего немного сплюснута у полюсов. Ось вращения Луны составляет с плоскостью лунной орбиты угол 83°22'. Плоскость орбиты Луны не совпадает с плоскостью орбиты Земли и наклонена к ней под углом 5°9'. Места пересечения орбит Земли и Луны называют узлами лунной орбиты.

Орбита Луны представляет собою эллипс, в одном из фокусов которого находится Земля, поэтому расстояние от Луны до Земли меняется от 356 до 406 тыс. км. Период орбитального обращения Луны и соответственно одинакового положения Луны на небесной сфере называют сидерическим (звездным) месяцем (лат. sidus, sideris (род. п.) – звезда). Он составляет 27,3 земных суток. Сидерический месяц совпадает с периодом суточного вращения Луны вокруг оси из-за их одинаковой угловой скорости ( = 13,2° в сутки), установившейся по причине тормозящего воздействия Земли. Из-за синхронности этих движений Луна обращена к нам всегда одной стороной. Однако мы видим почти 60% ее поверхности благодаря либрации – кажущемуся покачиванию Луны вверх-вниз (из-за несовпадения плоскостей лунной и земной орбит и наклона оси вращения Луны к орбите) и влево-вправо (ввиду того что Земля находится в одном из фокусов лунной орбиты, а видимое полушарие Луны смотрит в центр эллипса).

При движении вокруг Земли Луна занимает различные положения относительно Солнца. С этим связаны различные фазы Луны, т. е. разные формы ее видимой части. Основные четыре фазы: новолуние, первая четверть, полнолуние, последняя четверть. Линию на поверхности Луны, отделяющую освещенную часть Луны от неосвещенной, называют терминатором (рис. 4).

В новолуние Луна находится между Солнцем и Землей и обращена к Земле неосвещенной стороной, поэтому невидна. В первую четверть Луна видна с Земли на угловом расстоянии 90° от Солнца, а солнечные лучи освещают лишь правую половину обращенной к Земле стороны Луны. В полнолуние Земля находится между Солнцем и Луной, обращенное к Земле полушарие Луны ярко освещено Солнцем, и Луна видна как полный диск. В последнюю четверть Луна вновь видна с Земли на угловом расстоянии 90° от Солнца, а солнечные лучи освещают левую половину видимой стороны Луны. В промежутках между этими основными фазами Луна видна то в виде серпа, то как неполный диск.

Период полной смены лунных фаз, т. е. период возвращения Луны в первоначальное положение относительно Солнца и Земли, называют синодическим месяцем. Он составляет в среднем 29,5 средних солнечных суток. В течение синодического месяца на Луне один раз происходит смена дня и ночи, продолжительность которых –14,7 суток. Синодический месяц более чем на двое суток больше сидерического. Это результат того, что направление осевого вращения Земли и Луны совпадает с направлением орбитального движения Луны. Когда Луна за 27,3 суток совершит полный оборот вокруг Земли, Земля по своей орбите вокруг Солнца продвинется примерно на 27°, так как ее угловая орбитальная скорость около 1° в сутки. При этом Луна займет то же положение среди звезд, но не будет в фазе полнолуния, так как для этого ей надо продвинуться по своей орбите еще на 27° за «убежавшей» Землей. Поскольку угловая скорость движения Луны равна примерно 13,2° в сутки, она преодолевает это расстояние примерно за двое суток и дополнительно продвигается еще на 2° за движущейся Землей. В результате синодический месяц оказывается на двое с лишним суток больше сидерического (рис. 5). Хотя Луна движется вокруг Земли с запада на восток, видимое перемещение ее на небосводе происходит с востока на запад благодаря большой скорости вращения Земли по сравнению с орбитальным движением Луны. При этом во время верхней кульминации (высшей точки своего пути на небосводе) Луна показывает направление меридиана (север – юг), чем можно пользоваться для приблизительной ориентировки на местности. А так как верхняя кульминация Луны при разных фазах происходит в разные часы суток: при первой четверти – около 18 ч, во время полнолуния – в полночь, при последней четверти – около 6 ч утра (по местному времени), то этим можно пользоваться и для приблизительной оценки времени ночью.

Физическая природа Луны. Интенсивное изучение физической природы Луны началось с 1959 г., когда советский космический аппарат «Луна-2» впервые достиг поверхности Луны, а «Луна-3» сфотографировал из космоса обратную сторону Луны. В 1966 г. «Лу-на-9» совершила мягкую посадку на Луну, установив, что грунт планеты имеет прочную структуру, а не пылеобразную, как считали некоторые ученые. 21 июля 1969 г. на Луне впервые побывали земляне – американцы Нейл Армстронг и Эдвин Олдрин. В 1970 и 1973 гг. на Луне в течение нескольких месяцев работали советские автоматические передвижные устройства – луноходы. Они передали на Землю более 20 000 изображений, исследовали химический состав и физико-механические свойства лунного грунта.

В настоящее время рельеф Луны достаточно хорошо изучен. Видимые невооруженным глазом темные участки, названные некогда«морями», оказались обширными безводными низменными равнинами (самая большая –«Океан Бурь»), а светлые участки – «материки» представлены возвышенными и гористыми пространствами. Максимальная амплитуда высот более 10 км. Основные планетарные структуры лунной поверхности – кольцевые кратеры диаметром до 20 – 30 км и многокольцевые цирки диаметром от 200 до1000 км, окаймленные гористыми местностями. Предполагают, что кольцевые структуры имеют различное происхождение – метеоритное, вулканическое или комбинированное ударно-взрывное. Специалист по рельефу планетных тел А. А. Лукашов считает, что устройство поверхности Луны «демонстрирует подчиненную роль эндогенных факторов по сравнению с факторами космогенными...». Метеоритная теория в настоящее время наиболее признанная. Нередки на Луне и линейные образования: тектонические разломы, вытянутые горные гряды и хребты (Кавказ, Альпы, Апеннины, Карпаты и др.).

Исследования образцов лунных грунтов, доставленных на Землю в 1970–1973 гг. американскими астронавтами на космических кораблях «Аполлон» и советскими космическими аппаратами «Луна», показали, что по минералого-петрографическому составу поверхностные обломочные породы Луны (так называемый реголит) схожи с земными магматическими породами – базальтами и др. Мощность лунной коры около 65 км. В коре «морей» отмечается повышенное содержание тяжелых элементов (железа, титана, хрома, циркония, тория и др.), в коре «материков» – окиси кремния, алюминия, натрия, калия. Альбедо поверхности Луны составляет в среднем около 7%. У лунного грунта, насыщенного инертными газами, чрезвычайно низкая теплопроводность, из-за чего на глубине 0,5 м постоянная температура – около –50 °С. Магнитное поле Луны очень слабое.

На Луне нет ни атмосферы, ни гидросферы. Температура на поверхности Луны изменяется от +130°С на освещенной стороне до –170 °С на теневой. Причина температурных контрастов заключается в отсутствии воздуха. А поскольку нет воздуха, то нет ни ветра, ни звуков, ни облаков, ни дождей, не бывает ни зари, ни сумерек, ни радуги. Небо там всегда совершенно черное, на нем одновременно можно видеть звезды, Солнце и Землю, которая висит на небосводе в одном и том же месте.

Главными факторами разрушения горных пород на поверхности Луны и изменения ее лика являются: 1) суточные колебания температуры; 2) бомбардировка метеоритами, приводящая к расплавлению и спеканию поверхностных пород и уменьшающая гравитационное смещение материала; 3) облучение поверхностных пород солнечным ветром; 4) космический вакуум, который необходимо учитывать при излиянии магмы на поверхность и интенсивном ее разбрызгивании в ранние геологические эпохи (около 2 млрд лет назад). Сейчас же глубинная активность Луны ослаблена, и она представляет собой тектонически безжизненное тело, лунотрясения редки. Лунный ландшафт – каменистая пустыня. При таких природных условиях органическая жизнь на Луне невозможна. Общепринятой точки зрения на образование Луны («дочь» она или «сестра» Земли?) нет.

Приливы и отливы на Земле. Луна, являясь ближайшим к Земле и большим по массе космическим телом, оказывает на нее наибольшее гравитационное воздействие, вызывая приливы и отливы во всех оболочках Земли: литосфере, атмосфере, гидросфере и биосфере. Приливообразующая сила – равнодействующая силы притяжения Луны и центробежной силы, возникающей при вращении системы Земля–Луна вокруг барицентра. На Земле одновременно существуют два прилива в ближайшей точке к Луне и наиболее удаленной и два отлива в точках, расположенных на угловом расстоянии 90° от линии Луна – Земля (рис. 6). Поскольку Луна обращается вокруг Земли с запада на восток и за солнечные сутки (24 ч) проходит по своей орбите 13,2°, то лунные сутки – промежуток времени между двумя последовательными одноименными кульминациями Луны на любом меридиане Земли – оказываются длиннее солнечных суток на 50 мин и равны 24 ч 50 мин. В течение лунных суток на Земле бывает два прилива и два отлива. Полный приливной цикл, т. е. изменение уровня воды в Мировом океане, где приливы и отливы наиболее выразительны, между последовательными приливами (или отливами), завершается за 12 ч 25 мин, а между приливом и отливом проходит 6 ч 12 мин 30 с.

– сила тяготения

– центробежная сила

– равнодействующая сила

Рис. 6. Приливообразующие силы Луны (по Л. К. Давыдову и др.)

Одновременно с лунными приливами бывают и солнечные приливы с полным периодом 24 ч, но они в 2,2 раза слабее лунных в связи с большой удаленностью Солнца от Земли. Лунные и солнечные приливы складываются в новолуние и полнолуние (сизигийные приливы) и вычитаются в первой и последней четверти (квадратурные приливы). Первые примерно на 40% выше вторых.

Общепланетарное значение приливных волн заключается в том, что, перемещаясь с востока на запад вслед за видимым передвижением Луны, они тормозят осевое вращение Земли и удлиняют сутки (на 0,0016 с в столетие). При этом изменяется не только фигура Земли за счет медленного уменьшения полярного сжатия, но и лик Земли. Благодаря приливам все оболочки Земли непрерывно пульсируют. Они вызывают ежесуточные вертикальные смещения земной поверхности до 50 см, полусуточные колебания приземного атмосферного давления, изменяют условия органической жизни в прибрежных частях Мирового океана, формируют берега, т. е. участвуют во многих природных процессах, а также оказывают влияние на хозяйственную деятельность приморских стран.

Рис. 7. Солнечное (а – полное, в – частное) и лунное (полное) затмения

Лунные и солнечные затмения. На Земле периодически происходят лунные и солнечные затмения. Их наблюдают тогда, когда Солнце, Земля и Луна находятся на одной линии, т. е. когда новолуние или полнолуние случается вблизи узлов лунной орбиты. В фазу новолуния Луна загораживает своим непрозрачным телом диск Солнца для жителей некоторых районов Земли – происходит солнечное затмение (полное, частное, кольцеобразное). В фазу полнолуния, будучи на одной прямой с Солнцем и Землей, Луна попадает в конусообразную тень Земли – происходит лунное затмение (полное или частное), видимое на ночном полушарии Земли (рис. 7).