Луна вращение. Общие сведения о Луне. Движения Луны

⁰

Можно сказать, что на первый взгляд Луна просто движется вокруг планеты Земля с определенной скоростью и по определенной орбите.

В реальности это очень сложный трудноописуемый с научной точки зрения процесс движения космического тела, протекающий под воздействием множества различных факторов. Таких, например как, форма Земли, если мы помним из школьной программы, она немного сплюснута, а так же очень сильно влияет то, что например, Солнце притягивает ее в 2,2 раза сильнее, чем наша родная планета.

Снимки космического аппарата Deep Impact последовательность перемещения Луны

При этом производя точные расчеты движения, необходимо так же учитывать, что посредством приливного взаимодействия Земля передает Луне момент импульса вращения, тем самым создавая силу, заставляющую ее отдаляться от себя. При этом гравитационное взаимодействие данных космических тел является не постоянным и с увеличением расстояния оно уменьшается, приводя к уменьшению и скорость удаления Луны. Вращение Луны вокруг Земли относительно звёзд называется сидерическим месяцем и равен 27,32166 суток.

Почему она светится?

Вы не задавались вопросом, почему иногда мы видим только часть Луны? Или почему она светится? Давайте разберёмся в этом! Спутник отражает лишь 7% солнечного света падающего на нее. Это происходит, потому что в период бурной активности Солнца лишь отдельные участки ее поверхности способны поглощать и накапливать солнечную энергию, а после слабо излучать ее.

Пепельный свет — отраженный свет от Земли

Сама по себе она не может светиться, а способна лишь отражать свет Солнца. Поэтому мы видим только ту ее часть, которую ранее осветило Солнце. Данный спутник движется по определенной орбите вокруг нашей планеты и угол между ним, Солнцем и Землей постоянно меняется, в результате мы и видим различные фазы Луны.

Инфографика «Фазы Луны»

Время между новолуниями составляет 28,5 дня. То, что один месяц длиннее другого можно объяснить движением Земли вокруг Солнца, то есть когда спутник делает полный оборот вокруг Земли, сама планета в этот момент продвигается на 1/13 часть вокруг своей орбиты. И что бы Луна снова была между Солнцем и Землей ей нужно еще около двух суток времени.

Несмотря на то, что она постоянно вращается вокруг своей оси, она всегда смотрит на Землю одной и той же стороной, это значит, что вращение, которое она совершает вокруг собственной оси и вокруг самой планеты синхронно. Эта синхронность вызвана приливами.

Обратная сторона

Наш спутник вращается вокруг собственной оси равномерно, а вокруг Земли согласно определенному закону, суть которого состоит в следующем: данное движение неравномерно — вблизи перигея оно быстрее, а вот вблизи апогея чуть медленнее.

Иногда возникает возможность взглянуть на оборотную сторону Луны, если вы находитесь на востоке или, например на западе. Это явление носит название оптической либрацией по долготе, существует еще и оптическая либрация по широте. Она возникает из-за наклона лунной оси относительно Земли, и наблюдать это можно на юге и севере.

Луна вращается вокруг Земли по эллиптической орбите, совершая в собственном движении полный оборот за один месяц (среднее расстояние 385 тыс. км). Плоскость ее орбиты составляет с плоскостью эклиптики угол, равный 508. В течение суток Луна перемещается по орбите против суточного вращения сферы примерно на 13,2. Поэтому суточное изменение прямого восхождениясоставляет в среднем 13,2и колеблется от10до17в сутки; суточные изменения склоненияколеблются от долей градуса до7, а наибольшее изменение за месяц достигает5-7. Вследствие влияния Земли период обращения Луны вокруг Земли примерно равен периоду вращения ее вокруг оси и поэтому Луна к Земле обращена одной стороной. Кроме собственного движения, у Луны, как и у всех светил, наблюдается суточное движение, являющееся следствием вращения Земли вокруг своей оси. Совместное собственное и суточное движение Луны происходит по спиралям.

Так как за одни сутки Луна отходит в собственном движении назад, против суточного движения, на 13,2, то моменты кульминации Луны по отношению к звездам ежесуточно запаздывают на 53 мин. Ежесуточное отставание Луны от Солнца составляет 12,2, и, следовательно, период одного суточного оборота Луны вокруг Земли на 49 мин больше, чем у Солнца.

Промежуток времени, в течение которого Луна совершает в собственном движении полный оборот по орбите относительно неподвижных звезд, называют звездным или сидерическим месяцем. Его продолжительность составляет 27,32 сут.

Промежуток времени, в течение которого Луна совершает полный оборот относительно Солнца, также имеющего собственное движение, называется лунным или синодическим месяцем. Его продолжительность 29,53 сут.

Фазы и возраст Луны. Луна – темное тело и способно лишь отражать свет солнечных лучей. В зависимости от положения Луны по отношению к Земле и Солнцу наблюдатель будет видеть большую или меньшую часть освещенной поверхности Луны. Поэтому принято говорить, что Луна находится в различных фазах (рис. 3.12.), граница освещенности называется терминатором.

Различают четыре основные фазы Луны:

новолуние: Луна в положении Л 1 ; Солнце освещает ее обратную сторону, земной наблюдатель Луны не видит;

первая четверть: Луна в положении Л 3 ; наблюдатель видит полудиск, обращенный выпуклостью вправо;

полнолуние: Луна в положении Л 5 ; наблюдатель видит вест диск;

последняя четверть: Луна в положении Л 7 ; наблюдатель видит полудиск, обращенный выпуклостью влево.

Луна проходит через все фазы за 29,53 сут. Количество дней, прошедших от новолуния до данной фазы, называют возрастом Луны (В). В ежедневных таблицах МАЕ на каждый день года указывается возраст Луны с точностью до 0 д,1, а фазы изображаются для трехсуточного интервала одним из восьми различных значков, показывающих величину освещенной части лунного диска.

Фазы новолуние и полнолуние в судовождении называют также сизигиями (В 0 и 15), а фазы первой и последней четверти – квадратурами (В7 и 22).

Взаимным движением Луны вокруг Земли, а Земли вокруг Солнца объясняется возможность лунных и солнечных затмений.

И Земля и Луна, как тела темные, отбрасывают от себя в мировое пространство конус тени. Очевидно, что конус тени Земли будет значительно больше конуса тени Луны (диаметр Луны примерно равен ¼ диаметра Земли).

Затмение Луны бывает тогда, когда Луна в своем собственном движении попадает в конус тени Земли (фаза полнолуния).

Затмение Солнца бывает тогда, когда конус тени Луны покрывает тот или иной участок Земли (фаза новолуния).

Рис. 3.13 поясняет простейшие из возможных лунных и солнечных затмений. S – солнечные лучи, конус лунной тени покрывает участок Земли ab, L – положение Луны в конусе тени Земли.

Как видно из рисунка солнечное затмение может наблюдаться лишь на небольшом участке земной поверхности; затмение же Луны видно для наблюдателей всего земного полушария, обращенного к Луне.

Если бы плоскость орбиты Луны всегда совпадала с плоскостью земной орбиты и при этом расстояние Луны от Земли оставалось неизменным, то каждое полнолуние мы наблюдали бы затмение Луны, а каждое новолуние ряд наблюдателей мог бы видеть затмение Солнца.

В действительности такое положение является для взаимного движения этих светил только частным случаем и относительно редким. Вообще же орбиты Луны и Земли не совпадают (угол наклона 58), а расстояния до Луны колеблются от 59 до 61 земного радиуса.

Поэтому в общем случае солнечное и лунное затмения – явления очень сложные и имеют разнообразную форму. Их может и вовсе не быть, если Луна проходит вне конуса тени Земли, а конус тени Луны не попадает на Землю. Солнечное затмение может быть полным, но может быть и частичным, когда только часть солнечного диска будет покрыта тенью Луны; оно может быть и кольцевым, когда тень Луны закроет только центральную часть солнечного диска, и внешние его края останутся освещенными.

Видимое движение планет по небесной сфере

Планеты, обращающиеся подобно Земле вокруг Солнца, будут иметь видимые перемещения, отсюда они и получили свое название «блуждающие звезды».

Планеты, орбиты которых лежат внутри земной, называются нижними планетами и могут занимать следующие характерные относительно Земли положения (рис. 3.14): нижнее соединение (точка а) между Солнцем и Землей; верхнее соединение (точка b) "за Солнцем". Элонгация (западная в точке с и восточная в точке d) – это наибольшее угловое удаление планеты от Солнца (для Венеры не более 48, Меркурия 28).

Рис. 3.14. Рис. 3.15.

Планеты, орбиты которых лежат вне орбиты Земли, называются верхними планетами и могут занимать следующие положения (рис. 3.14.): противостояние n, когда Земля находится между Солнцем и планетой (если расстояние минимально, противостояние называется великим); соединение b, когда планета находится «за Солнцем»; квадратуры К и К, когда разность долгот Солнца и планеты равна 90.

Если по результатам наблюдений получить ипланеты и нанести ее видимый путь на сферу или карту, то получим кривую, близкую к эклиптике, но имеющую более сложный характер, часто с петлями и зигзагами.

Видимое движение планет по сфере объясняется движением их по орбитам в одну и ту же сторону, но с различными скоростями. При движении нижней планеты ее освещенная часть то поворачивается к Земле, то от Земли, т.е. планета аналогично Луне видна в различных фазах; у верхних планет смены фаз не наблюдается.

Для морских наблюдений используются только четыре наиболее яркие планеты: Венера, Марс, Юпитер и Сатурн. Яркости и условия видимости этих так называемых "навигационных" планет меняются в зависимости от расстояния до Земли, фазы Венеры и положения их на сфере.

Нижняя планета Венера в верхнем и нижнем соединениях теряется в лучах Солнца и с Земли не видна. В положении с – западной элонгации – Венера видна утром перед восходом Солнца; в восточной элонгации d – вечером перед заходом Солнца. Наибольшей яркости – около –4 m ,2 – Венера достигает в фазе 0,25, когда видна четверть диска, так как в этом положении она находится значительно ближе к Земле, чем в фазе полного диска.

Наиболее яркие планеты – Венера и Юпитер – видны на небе даже при Солнце, но только в астрономическую трубу секстана. В это время можно осуществить определение места по одновременным наблюдениям, например, Венеры и Солнца.

Верхние планеты – Марс, Юпитер и Сатурн – бывают невидимы только вблизи соединения, когда они теряются в лучах Солнца. Яркости этих планет меняются в широких пределах. Так, Марс имеет обычно яркость около 1 m , а во время великого противостояния яркость его возрастает до – 2 m ,5. Яркость Юпитера колеблется от – 2,5 до – 1 m ,5.

"Навигационные" планеты можно опознать сравнительно легко. Венера всегда близка к Солнцу, поэтому видима лишь как яркая белая "вечерняя или утренняя звезда". Марс имеет красновато- оранжевый цвет, Юпитер – желтоватый, а Сатурн – белый. Для всех планет характерно отсутствие мерцания, заметного даже у самых ярких звезд. Условия видимости планет на каждый месяц данного года указаны в ежегодниках.

Луна — спутник нашей планеты, с незапамятных времен притягивающий взоры ученых и просто любопытных людей. В древнем мире и астрологи, и астрономы посвящали ей внушительные трактаты. От них не отставали и поэты. Сегодня в этом смысле мало что изменилось: орбита Луны, особенности ее поверхности и недр тщательно изучаются астрономами. Составители гороскопов также не сводят с нее глаз. Влияние спутника на Землю изучается и теми и другими. Астрономы исследуют, как взаимодействие двух космических тел отражается на движении и других процессах каждого. За время изучения Луны знания в этой области значительно увеличились.

Происхождение

По исследованиям ученых, Земля и Луна образовались примерно в одно время. Возраст обоих тел составляет 4,5 миллиарда лет. Существует несколько теорий происхождения спутника. Каждая из них объясняет отдельные особенности Луны, но оставляет несколько нерешенных вопросов. Наиболее близкой к истине сегодня считается теория гигантского столкновения.

Согласно гипотезе, планета, по своим размерам сходная с Марсом, столкнулась с молодой Землей. Удар пришелся по касательной и стал причиной выброса в космос большей части вещества этого космического тела, а также некоторого количества земного «материала». Из этого вещества и сформировался новый объект. Радиус орбиты Луны первоначально составлял шестьдесят тысяч километров.

Гипотеза гигантского столкновения хорошо объясняет многие особенности строения и химического состава спутника, большинство характеристик системы Луна-Земля. Однако, если брать теорию за основу, все же остаются непонятными некоторые факты. Так, дефицит железа на спутнике можно объяснить лишь тем, что ко времени столкновения на обоих телах произошла дифференциация внутренних слоев. На сегодняшний день нет доказательств, что подобное имело место. И тем не менее, несмотря на подобные контраргументы, гипотеза гигантского столкновения считается основной во всем мире.

Параметры

Луна, как и большинство других спутников, не имеет атмосферы. Обнаружены лишь следы кислорода, гелия, неона и аргона. Температура поверхности на освещенных и затемненных участках поэтому сильно отличается. На солнечной стороне она может подниматься до +120 ºС, а на темной опускаться до -160 ºС.

Среднее расстояние между Землей и Луной составляет 384 тысячи км. По форме спутник — практически идеальный шар. Разница между экваториальным и полярным радиусом небольшая. Они составляют 1738,14 и 1735,97 км соответственно.

Полный оборот Луны вокруг Земли занимает чуть больше 27 дней. Движение спутника по небу для наблюдателя характеризуется сменой фаз. Время от одного полнолуния до другого несколько больше указанного периода и составляет примерно 29,5 дней. Разница возникает потому, что Земля и спутник также движутся вокруг Солнца. Луне, чтобы оказаться в первоначальном положении, приходится преодолевать чуть больше одного круга.

Система «Земля-Луна»

Луна — спутник, несколько отличающий от остальных подобных объектов. Главная его особенность в этом смысле — это масса. Она оценивается в 7,35*10 22 кг, что составляет примерно 1/81 от аналогичного параметра Земли. И если сама масса не является чем-то из ряда вон выходящим на космических просторах, то ее соотношение с характеристикой планеты нетипично. Как правило, отношение масс в системах «спутник-планета» несколько меньше. Аналогичным соотношением могут похвастаться только Плутон и Харон. Эти два космические тела некоторое время назад стали характеризовать как систему двух планет. Похоже, что такое обозначение справедливо и в случае с Землей и Луной.

Движение Луны по орбите

Спутник совершает один оборот вокруг планеты относительно звезд за сидерический месяц, который длится 27 дней 7 часов и 42,2 минуты. Орбита Луны по форме представляет собой эллипс. В разные периоды спутник располагается то ближе к планете, то дальше от нее. Расстояние между Землей и Луной при этом изменяется от 363 104 до 405 696 километров.

С траекторией движения спутника связано еще одно доказательство в пользу предположения о том, что Землю со спутником необходимо рассматривать как систему, состоящую из двух планет. Орбита Луны располагается не вблизи экваториальной плоскости Земли (как это свойственно большинству спутников), а практически в плоскости вращения планеты вокруг Солнца. Угол между эклиптикой и траекторией движения спутника составляет чуть больше 5º.

Орбита движения Луны вокруг Земли подвержена влиянием многих факторов. В связи с этим определение точной траектории спутника — задача не самая простая.

Немного истории

Теория, объясняющая, как движется Луна, была заложена еще в 1747 году. Автором первых расчетов, приблизивших ученых к пониманию особенностей орбиты спутника, стал французский математик Клеро. Тогда, в далеком восемнадцатом веке, обращение Луны вокруг Земли часто выдвигалось в качестве аргумента против теории Ньютона. Расчеты, сделанные с использованием сильно расходились с видимым перемещением спутника. Клеро разрешил эту задачу.

Исследованием вопроса занимались такие известные ученые, как Даламбер и Лаплас, Эйлер, Хилл, Пюизо и другие. Современная теория обращения Луны фактически началась с работ Брауна (1923 г.). Исследования британского математика и астронома помогли устранить расхождения между расчетами и наблюдением.

Непростая задача

Движение Луны заключается в двух основных процессах: вращение вокруг оси и обращение вокруг нашей планеты. Вывести теорию, объясняющую перемещение спутника, было бы не так уж и сложно, если бы его орбита не подвергалась воздействию различных факторов. Это и притяжение Солнца, и особенности формы Земли, и других планет. Подобные воздействия возмущают орбиту и предсказать точное положение Луны в конкретный период становится трудной задачей. Для того чтобы понять, в чем тут дело, остановимся на некоторых параметрах орбиты спутника.

Восходящий и нисходящий узел, линия апсид

Как уже говорилось, орбита Луны наклонена к эклиптике. Траектории движения двух тел пересекаются в точках, названных восходящим и нисходящим узлами. Располагаются они на противоположных сторонах орбиты относительно центра системы, то есть Земли. Воображаемая прямая, которая соединяет две эти точки, обозначается как линия узлов.

Ближе всего к нашей планете спутник оказывается в точке перигея. Максимальное расстояние разделяет два космических тела, когда Луна оказывается в апогее. Прямая, соединяющая две эти точки, называется линией апсид.

Возмущения орбиты

В результате влияния на перемещение спутника сразу большого числа факторов по сути оно представляет собой сумму нескольких движений. Рассмотрим наиболее заметные из возникающих возмущений.

Первая из них — это регрессия линии узлов. Прямая, соединяющая две точки пересечения плоскости лунной орбиты и эклиптики, не зафиксирована на одном месте. Она очень медленно перемещается в направлении, противоположном (потому и называется регрессией) движению спутника. Другими словами, плоскость орбиты Луны поворачивается в пространстве. На один полный оборот ей требуется 18,6 лет.

Движется и линия апсид. Перемещение прямой, соединяющий апоцентр и перицентр, выражается в повороте плоскости орбиты в ту же сторону, куда движется Луна. Происходит это гораздо быстрее, чем в случае линии узлов. Полный оборот занимает 8,9 лет.

Кроме того, лунная орбита испытывает колебания определенной амплитуды. С течением времени изменяется угол между ее плоскостью и эклиптикой. Диапазон значений — от 4°59" до 5°17". Так же, как и в случае с линией узлов, период таких колебаний составляет 18,6 лет.

Наконец, орбита Луны меняет свою форму. Она немного вытягивается, затем снова возвращается к первоначальной конфигурации. При этом меняется эксцентриситет орбиты (степень отклонения ее формы от окружности) от 0,04 до 0,07. Изменения и возвращение в первоначальное положение занимают 8,9 лет.

Не все так просто

В сущности, четыре фактора, которые необходимо учитывать во время расчетов, — это не так уж и много. Однако ими не исчерпываются все возмущения орбиты спутника. На самом деле, каждый параметр движения Луны испытывает постоянное воздействие большого числа факторов. Все это усложняет задачу по прогнозированию точного расположения спутника. А учет всех этих параметров часто представляет собой важнейшую задачу. Например, расчет траектории движения Луны и его точность влияет на успешность миссии космического аппарата, отправленного к ней.

Влияние Луны на Землю

Спутник нашей планеты сравнительно мал, однако его воздействие хорошо заметно. Пожалуй, всем известно, что именно Луна формирует приливы на Земле. Тут сразу нужно оговориться: Солнце также вызывает похожий эффект, но из-за гораздо большего расстояния приливное воздействие светила мало ощутимо. Кроме того, изменение уровня воды в морях и океанах связано и с особенностями вращения самой Земли.

Гравитационное воздействие Солнца на нашу планету примерно в двести раз больше, чем аналогичный параметр Луны. Однако приливные силы в первую очередь зависят от неоднородности поля. Расстояние, разделяющее Землю и Солнце, сглаживает их, поэтому воздействие близкой к нам Луны более мощное (в два раза значительнее, чем в случае светила).

Приливная волна образуется на той стороне планеты, которая в данный момент обращена к ночному светилу. На противоположной стороне также возникает прилив. Если бы Земля была неподвижной, то волна двигалась бы с запада на восток, располагаясь точно под Луной. Ее полный оборот завершался бы за 27 с небольшим дней, то есть за сидерический месяц. Однако период вокруг оси составляет чуть меньше 24 ч. В результате волна бежит по поверхности планеты с востока на запад и один оборот завершает за 24 часа и 48 минут. Поскольку волна постоянно встречается с материками, она смещается вперед по направлению движения Земли и опережает в своем беге спутник планеты.

Удаление орбиты Луны

Приливная волна вызывает перемещение огромной массы воды. Это непосредственным образом влияет на движение спутника. Внушительная часть массы планеты смещается с линии, соединяющей двух тел, и притягивает к себе Луну. В результате спутник испытывает воздействие момента силы, который ускоряет ее движение.

При этом материки, набегающие на приливную волну (они движутся быстрее волны, поскольку Земля вращается с большей скоростью, чем обращается Луна), испытывают воздействие силы, тормозящей их. Это приводит к постепенному замедлению вращения нашей планеты.

В результате приливного взаимодействия двух тел, а также действия и момента импульса, спутник переходит на более высокую орбиту. При этом уменьшается скорость Луны. По орбите она начинает двигаться медленнее. Нечто похожее происходит и с Землей. Она замедляется, следствием чего является постепенное увеличение длительности суток.

Луна удаляется от Земли примерно на 38 мм в год. Исследования палеонтологов и геологов подтверждают расчеты астрономов. Процесс постепенного замедления Земли и удаления Луны начался примерно 4,5 миллиарда лет назад, то есть с момента образования двух тел. Данные исследователей свидетельствуют в пользу предположения, что раньше лунный месяц был короче, а Земля вращалась с большей скоростью.

Приливная волна возникает не только в водах мирового океана. Похожие процессы происходят и в мантии, и в земной коре. Однако они менее заметны, поскольку эти слои не столь податливы.

Удаление Луны и замедление Земли не будет происходить вечно. В конце концов, период вращения планеты сравняется с периодом обращения спутника. Луна «зависнет» над одним участком поверхности. Земля и спутник будут всегда повернуты одной и той же стороной друг к другу. Тут уместно вспомнить, что часть этого процесса уже завершена. Именно приливное взаимодействие привело к тому, что на небе всегда видна одна и та же сторона Луны. В космосе есть пример системы, пребывающей в подобном равновесии. Это уже называвшиеся Плутон и Харон.

Луна и Земля находятся в постоянном взаимодействии. Нельзя сказать, какое из тел больше влияет на другое. При этом оба подвергаются и воздействию Солнца. Значительную роль играют и другие, более удаленные, космические тела. Учет всех подобных факторов делает довольно трудной задачу точного построения и описания модели движения спутника по орбите вокруг нашей планеты. Однако огромное количество накопленных знаний, а также постоянно совершенствующая аппаратура позволяют более или менее точно спрогнозировать положение спутника в любое время и предсказать будущее, которое ожидает каждый объект в отдельность и систему Земля-Луна в целом.

Луна сопровождает нашу планету в её большом космическом путешествии вот уже несколько миллиардов лет. И показывает она нам, землянам, из века в век всегда один и тот же свой лунный пейзаж. Почему мы любуемся только одной стороной нашего спутника? Вращается ли Луна вокруг своей оси или же парит в космическом пространстве неподвижно?

Характеристики нашего космического соседа

В Солнечной системе имеются спутники гораздо крупнее Луны. Ганимед - спутник Юпитера, к примеру, в два раза тяжелее Луны. Но зато она - самый большой спутник относительно материнской планеты. Её масса составляет более процента от земной, а диаметр - около четверти земного. Таких пропорций в солнечной семье планет больше нет.

Давайте попытаемся ответить на вопрос о том, вращается ли Луна вокруг своей оси, присмотревшись повнимательнее к ближайшему нашему космическому соседу. По принятой сегодня в научных кругах теории, естественный спутник наша планета приобрела будучи ещё протопланетой - не до конца остывшей, покрытой океаном жидкой раскалённой лавы, в результате столкновения с другой планетой, меньшей по размеру. Поэтому химические составы лунного и земного грунтов слегка отличаются - тяжёлые ядра столкнувшихся планет слились, из-за чего земные породы богаче железом. Луне же достались остатки верхних слоёв обеих протопланет, там больше камня.

Вращается ли Луна

Если быть точным, то вопрос о том, вращается ли Луна, не совсем корректный. Ведь как и любой спутник в нашей системе, она оборачивается около материнской планеты и вместе с ней кружится вокруг светила. А вот, Луны не совсем обычно.

Сколько ни смотри на Луну, она всегда повёрнута к нам кратером Тихо и морем Спокойствия. «А вращается ли Луна вокруг своей оси?» − из века в век задавали себе вопрос земляне. Строго говоря, если оперировать геометрическими понятиями, ответ зависит от выбранной системы координат. Относительно Земли осевое вращение у Луны и вправду отсутствует.

А вот с точки зрения наблюдателя, расположенного на линии Солнце-Земля, осевое вращение Луны будет хорошо заметно, причём один полярный оборот до доли секунды окажется равен по длительности орбитальному.

Интересно, что явление это в Солнечной системе не уникально. Так, спутник Плутона Харон всегда смотрит на свою планету одним боком, точно так же ведут себя спутники Марса - Деймос и Фобос.

На научном языке это называется синхронным вращением или приливным захватом.

Что такое прилив?

Для того чтобы понять суть этого явления и уверенно ответить на вопрос о том, вращается ли Луна вокруг собственной оси, необходимо разобрать суть приливных явлений.

Представим себе две горы на поверхности Луны, одна из которых «смотрит» прямо на Землю, другая же находится в противоположной точке лунного шара. Очевидно, что если бы обе горы не были частью одного небесного тела, а вращались вокруг нашей планеты самостоятельно, их вращение не могло бы быть синхронным, та что ближе, по законам ньютоновской механики, должна вращаться быстрее. Именно поэтому массы лунного шара, расположенные в противоположных по направлению к Земле точках, стремятся «убежать друг от друга».

Как «остановилась» Луна

Как действуют приливные силы на то или иное небесное тело, удобно разобрать на примере нашей собственной планеты. Мы ведь тоже вращаемся вокруг Луны, а точнее Луна и Земля, как и положено в астрофизике, "водят хоровод" вокруг физического центра масс.

В результате действия приливных сил и в ближайшей, и в наиболее удалённой от спутника точке уровень воды, покрывающей Землю, поднимается. Причём максимальная амплитуда прилива-отлива может достигать 15 и более метров.

Ещё одной особенностью данного явления является то, что эти приливные «горбы» ежесуточно огибают поверхность планеты против её вращения, создавая трение в точках 1 и 2, и таким образом потихоньку останавливают Земной шар в его вращении.

Воздействие же Земли на Луну гораздо сильнее из-за разности масс. И хотя на Луне нет океана, на каменные породы приливные силы действуют ничуть не хуже. И результат их работы налицо.

Так вращается ли Луна вокруг своей оси? Ответ положительный. Но вращение это тесно связано с движением вокруг планеты. Приливные силы за миллионы лет выровняли осевое вращение Луны с орбитальным.

А что же Земля?

Астрофизики утверждают, что сразу после большого столкновения, ставшего причиной образования Луны, вращения нашей планеты была намного больше, чем сейчас. Сутки длились не более пяти часов. Но в результате трения приливных волн о дно океана год за годом, тысячелетие за тысячелетием вращение замедлялось, и нынешние сутки длятся уже 24 часа.

В среднем каждый век прибавляет нашим суткам по 20-40 секунд. Учёные предполагают, что через пару миллиардов лет наша планета будет смотреть на Луну так же, как и Луна на неё, то есть одной стороной. Правда этого, скорее всего, не произойдёт, так как ещё раньше Солнце, превратившись в красного гиганта, «проглотит» и Землю, и ее верного спутника - Луну.

Кстати, приливные силы дарят землянам не только повышение и понижение уровня мирового океана в районе экватора. Воздействуя на массы металлов в земном ядре, деформируя горячий центр нашей планеты, Луна помогает поддерживать его в жидком состоянии. А благодаря активному жидкому ядру, наша планета имеет собственное магнитное поле, защищающее всю биосферу от убийственного солнечного ветра и смертоносных космических лучей.

В 1609 году, после изобретения телескопа, человечество сумело впервые подробно рассмотреть свой космический спутник. С тех пор Луна - это наиболее изученное космическое тело, а также первое, на котором сумел побывать человек.

Первое, с чем предстоит разобраться - чем же является наш спутник? Ответ неожиданный: хотя Луна и считается спутником, технически она является такой же полноценной планетой, как и Земля. У нее большие размеры - 3476 километров в поперечнике на экваторе - и масса в 7,347×10 22 килограмм; Луна лишь немногим уступает , самой маленькой планете Солнечной Системы. Все это делает ее полноценным участником гравитационной системы Луна-Земля.

Известен и другой такой тандем в Солнечной системе, и Харон. Хотя вся масса нашего спутника составляет чуть больше сотой части массы Земли, Луна не обращается вокруг самой Земли - у них есть общий центр массы. А близость к нам спутника порождает еще один интересный эффект, приливный захват. Из-за него Луна всегда повернута к Земле одной и той же стороной.

Более того, изнутри Луна устроена как полноценная планета - у нее есть кора, мантия и даже ядро, а в далеком прошлом на ней существовали вулканы. Однако от древних ландшафтов уже ничего не осталось - на протяжении четырех с половиной миллиардов лет истории Луны на нее падали миллионы тонн метеоритов и астероидов, которые избороздили ее, оставив кратеры. Некоторые удары были настолько сильны, что прорвали ее кору вплоть до самой мантии. Котлованы от таких столкновений образовали лунные моря, темные пятна на Луне, которые легко различимы с . Более того, они присутствуют исключительно на видимой стороне. Почему? Об этом мы расскажем дальше.

Среди космических тел, Луна влияет на Землю сильнее всего - кроме, разве, Солнца. Лунные приливы, которые регулярно поднимают уровень воды в мировом океане - наиболее очевидное, но не самое сильное воздействие спутника. Так, постепенно отдаляясь от Земли, Луна замедляет вращение планеты - солнечный день вырос из первоначальных 5 до современных 24-х часов. А еще спутник служит естественным барьером против сотен метеоритов и астероидов, перехватывая их на подлете к Земле.

И вне сомнения, Луна - это лакомый объект для астрономов: как любителей, так и профессионалов. Хотя расстояние до Луны измерено с точностью до метра с помощью лазерных технологий, а образцы грунта с нее неоднократно привозили на Землю, там все еще остается место для открытий. Например, ученые охотятся за лунными аномалиями - таинственными вспышками и сияниями на поверхности Луны, не всем из которых находится объяснение. Оказывается, наш спутник скрывает гораздо больше, чем видно на поверхности - давайте же разберемся в тайнах Луны вместе!

Топографическая карта Луны

Характеристики Луны

Научному изучению Луны сегодня больше 2200 лет. Движение спутника на небосклоне Земли, фазы и расстояние от него до Земли были подробно описаны еще древними греками - а внутреннее строение Луны и ее история исследуются по сей день космическими аппаратами. Тем не менее века работы философов, а затем физиков и математиков дали весьма точные данные о том, как выглядит и движется наша Луна, и почему она именно такая. Все сведения о спутнике можно разделить на несколько категорий, взаимовытекающих друг из друга.

Орбитальные характеристики Луны

Как движется Луна вокруг Земли? Если бы наша планета была неподвижной, спутник вращался бы по почти идеальному кругу, время от времени незначительно приближаясь и отдаляясь от планеты. Но ведь и сама Земля вокруг Солнца - Луне приходится постоянно «догонять» планету. А еще наша Земля не является единственным телом, с которым наш спутник взаимодействует. Солнце, находящееся в 390 раз дальше Земли от Луны, массивнее Земли в 333 тысячи раз. И даже с учетом закона обратных квадратов, по которому интенсивность любого источника энергии резко падает при отдалении, Солнце притягивает Луну в 2,2 раза сильнее Земли!

Поэтому конечная траектория движения нашего спутника напоминает спираль, да еще и непростую. Ось лунной орбиты колеблется, сама Луна периодически приближается и отдаляется, а в глобальных масштабах и вовсе улетает от Земли. Эти же колебания приводят к тому, что видимая сторона Луны - это не одно и то же полушарие спутника, но разные его части, которые попеременно поворачиваются к Земле из-за «покачивания» спутника на орбите. Эти перемещения Луны по долготе и широте называются либрациями, и позволяют заглянуть за обратную сторону нашего спутника задолго до первого облета космическими аппаратами. С востока на запад Луна проворачивается на 7,5 градуса, а с севера на юг - на 6,5. Поэтому с Земли легко можно увидеть оба полюса Луны.

Конкретные орбитальные характеристики Луны полезны не только астрономам и космонавтам - к примеру, фотографами особенно ценится суперлуние: фаза Луны, в которой она достигает максимального размера. Это полнолуние, во время которого Луна находится в перигее. Приведем основные параметры нашего спутника:

Орбита Луны - эллиптическая, ее отклонение от идеального круга, составляет около 0,049. Учитывая колебания орбит, минимальное расстояние спутника до Земли (перигей) оставляет 362 тысячи километров, а максимальное (апогей) - 405 тысяч километров.
Общий центр массы Земли и Луны находится за 4,5 тысячи километров от центра Земли.
Сидерический месяц - полное прохождение Луны по своей орбите - проходит за 27,3 дня. Однако для полного оборота вокруг Земли и смены лунных фаз требуется на 2,2 дня больше - ведь за то время, что Луна идет по своей орбите, Земля пролетает тринадцатую часть собственной орбиты вокруг Солнца!
Луна находится в приливном захвате Земли - она вращается вокруг своей оси с той же скоростью, что и вокруг Земли. Из-за этого Луна постоянно повернута к Земле одной и той же стороной. Такое состояние характерно для спутников, которые находятся очень близко к планете.

Ночь и день на Луне очень долгие - по половине земного месяца.
В те периоды, когда Луна выходит из-за земного шара, ее видно на небе - тень нашей планеты постепенно сползает со спутника, позволяя освещать его Солнцу, а затем обратно закрывает его. Смены освещенности Луны, видимые с Земли, называются ее . Во время новолуния спутника не видно на небе, в фазе молодой Луны появляется ее тонкий серп, напоминающий завиток буквы «Р», в первой четверти Луна освещена ровно наполовину, а во время полнолуния ее заметно лучше всего. Дальнейшие фазы - вторая четверть и старая луна - происходят в обратном порядке.

Интересный факт: так как лунный месяц короче календарного, иногда за один месяц может быть два полнолуния - второе называется «голубой луной». Она такая же яркая, как и обычная полня - Землю она освещает на 0,25 люкс (для примера, обычное освещение внутри дома составляет 50 люкс). Сама Земля освещает Луну в 64 раза сильнее - целых 16 люкс. Разумеется, весь свет не собственный, а отраженный солнечный.

Орбита Луны наклонена к плоскости орбиты Земли и регулярно ее пересекает. Наклонение спутника постоянно меняется, варьируясь между 4,5° и 5,3°. На смену наклонения Луны уходит больше 18 лет.
Луна движется вокруг Земли со скоростью 1,02 км/с. Это намного меньше скорости движения Земли вокруг Солнца - 29,7 км/с. Максимальная скорость космического аппарата, достигнутая зондом для исследования Солнца «Гелиос-Б», составляла 66 километров в секунду.

Физические параметры Луны и ее состав

Для того чтобы понять, насколько большая Луна и из чего она состоит, людям понадобилось немало времени. Только в 1753 году ученый Р. Бошкович сумел доказать, что у Луны нет существенной атмосферы, равно как и жидких морей - при покрытии Луной звезды исчезают мгновенно, когда наличие дало бы возможность наблюдать их постепенное «затухание». Еще 200 лет понадобилось на то, чтобы советская станция «Луна-13» в 1966 году измерила механические свойства поверхности Луны. А про обратную сторону Луны вообще не было ничего не известно вплоть до 1959 года, пока аппарат «Луна-3» не сумел сделать первые ее снимки.

Команда космического корабля «Аполлон-11» доставила первые образцы на поверхность в 1969 году. Также они стали первыми людьми, которые побывали на Луне - до 1972 года на ней приземлилось 6 кораблей, и высадились 12 астронавтов. В достоверности этих полетов часто сомневались - однако многие пункты критиков исходили из их несведущести в космическом деле. Американский флаг, который по уверениям конспирологов «не мог развеваться в безвоздушном пространстве Луны», на самом деле твердый и статичный - его специально укрепили твердыми нитями. Это было сделано специально для того, чтобы сделать красивые снимки - провисшее полотно не столь зрелищное.

Многие искажения цветов и форм рельефа в отражениях на шлемах скафандров, в которых искали фальсификат, были обусловлены золотым напылением на стекле, защищающем от ультрафиолетового . Советские космонавты, которые смотрели трансляцию высадки астронавтов в реальном времени, также подтвердили достоверность происходящего. А кто сможет обмануть эксперта в своем деле?

А полные геологические и топографические карты нашего спутника составляются по сегодняшний день. В 2009 году космическая станция LRO (англ. «Lunar Reconnaissance Orbiter», Лунный Орбитальный Зонд) не только доставила самые детальные снимки Луны в истории, но и доказала наличие на ней большого количества замерзшей воды. Он же поставил точку в дискуссии о том, были ли люди на Луне, засняв следы деятельности команды «Аполлон» с низкой орбиты Луны. Аппарат был укомплектован оборудованием из нескольких стран мира, в том числе и из России.

Так как к исследованию Луны подключаются новые космические государства вроде Китая и частные компании, свежие данные поступают каждый день. Мы собрали основные параметры нашего спутника:

Площадь поверхности Луны занимает 37,9х10 6 квадратных километров - около 0,07% от всей площади Земли. Невероятно, но это лишь на 20% превышает площадь всех заселенных человеком местностей на нашей планете!
Средняя плотность Луны 3,4 г/см 3 . Она на 40% меньше плотности Земли - в первую очередь из-за того, что спутник лишен многих тяжелых элементов вроде железа, которыми богата наша планета. Кроме того, 2% массы Луны приходится на реголит - мелкую крошку камня, созданную космической эрозией и ударами метеоритов, плотность которой ниже обычной породы. Его толща в отдельных местах достигает десятков метров!
Все знают, что Луна намного меньше Земли, что сказывается на ее гравитации. Ускорение свободного падения на ней составляет 1,63 м/с 2 - всего 16,5 процентов от всей силы притяжения Земли. Прыжки астронавтов на Луне были очень высокими несмотря даже на то, что их скафандры весили 35,4 килограмма - почти как рыцарские доспехи! При этом они еще сдерживались: падение в условиях вакуума было достаточно опасным. Ниже - видео прыжков астронавта из прямой трансляции.

Лунные моря охватывают около 17% всей Луны - в основном ее видимую сторону, которая почти на треть покрыта ими. Они являются следами ударов особенно тяжелых метеоритов, которые буквально сорвали со спутника его кору. В этих местах от мантии Луны поверхность отделяет лишь тонкий, полукилометровый слой застывшей лавы - базальта. Поскольку ближе к центру любого большого космического тела концентрация твердых веществ растет, в лунных морях больше металла, чем где-либо по Луне.
Основная форма рельефа Луны - это кратеры и другие производные от ударов и ударными волнами, которастероидов. Лунные горы и цирки были построены громадными ые изменяли структуру поверхности Луны до неузнаваемости. Особенно сильна их роль была в начале истории Луны, когда та была еще жидкой - падения поднимали целые волны расплавленного камня. Это же стало причиной образования лунных морей: обращенная к Земле сторона была сильнее раскалена из-за концентрации в ней тяжелых веществ, из-за чего астероиды влияли на нее сильнее, чем на прохладную обратную сторону. Причиной такого неравномерного распределения вещества стало притяжение Земли, особенно сильное в начале истории Луны, когда та была ближе.

Кроме кратеров, гор и морей, в луне существуют пещеры и трещины - уцелевшие свидетели тех времен, когда недра Луны были также раскалены, как и , и на ней действовали вулканы. В этих пещерах часто присутствуют водные льды, как и у кратеров на полюсах, из-за чего их часто рассматривают как места для будущих лунных баз.
Настоящий цвет поверхности Луны - очень темный, ближе к черному. По всей же Луне попадаются самый разные цвета - от бирюзово-голубого до почти оранжевого. Светло-серый оттенок Луны из Земли и на снимках обусловлен высокой освещенностью Луны Солнцем. Из-за темного цвета, поверхность спутника отражает лишь 12% от всех лучей, падающих от нашего светила. Будь Луна светлее - и во время полнолуний было бы светло как днем.

Как сформировалась Луна?

Исследование минералов Луны и ее история - одна из самых тяжелых для ученых дисциплин. Поверхность Луны открыта для космических лучей, а тепло у поверхности нечему задерживать - поэтому спутник днем накаляется до 105° C, а ночью остывает до –150° C. Двухнедельная продолжительность дня и ночи усиливает влияние на поверхность - и в итоге минералы Луны изменяются до неузнаваемости со временем. Однако удалось кое-что выяснить.

Сегодня считается, что Луна - это продукт столкновения крупного зародыша планеты, Тейи, с Землей, который произошел миллиарды лет назад, когда наша планета была полностью расплавленной. Часть столкнувшейся с нами планеты (а она была размером с ) была поглощена - но ее ядро вместе с частью поверхностной материи Земли было выброшено по инерции на орбиту, где и осталалось в виде Луны.

Это доказывает уже упоминавшийся выше дефицит железа и других металлов на Луне - к тому времени, когда Тейя, вырвала кусок земного вещества, большая часть тяжелых элементов нашей планеты была притянута гравитацией внутрь, к ядру. Это столкновение отразилось на дальнейшем развитии Земли - она стала вращаться быстрее, а ось ее вращения наклонилась, из-за чего стала возможной смена сезонов.

Дальше Луна развивалась как обычная планета - у нее сформировалось железное ядро, мантия, кора, литосферные плиты и даже своя атмосфера. Однако малая масса и бедный на тяжелые элементы состав привел к тому, что недра нашего спутника быстро остыли, а атмосфера - испарилась от высокой температуры и отсутствия магнитного поля. Однако кое-какие процессы внутри все еще происходят - из-за движений в литосфере Луны иногда происходят лунотрясения. Они представляют одну из главных опасностей для будущих колонизаторов Луны: их размах доходит до 5 с половиной баллов по шкале Рихтера, а длятся они куда дольше земных - нет океана, способного вобрать в себя импульс движения земных недр.

Основные химические элементы на Луне - это кремний, алюминий, кальций и магний. Минералы, которые образуют эти элементы, схожие с земными и даже встречаются на нашей планете. Однако главное отличие минералов Луны - это отсутствие воздействия воды и кислорода, вырабатываемого живыми существами, высокая доля метеоритных примесей и следы воздействия космического излучения. Озоновый слой Земли сформировался достаточно давно, а атмосфера сжигает большую часть массы падающих метеоритов, позволяя воде и газам медленно, но уверенно менять облик нашей планеты.

Будущее Луны

Луна - это первое космическое тело после Марса, которое претендует на первоочередную колонизацию человеком. В некотором смысле Луна уже освоена - СССР и США оставили на спутнике государственные регалии, а орбитальные радиотелескопы прячутся за обратной стороной Луны от Земли, генератора множества помех в эфире. Однако что ждет наш спутник в будущем?

Главный процесс, о котором уже не раз упоминалось в статье - это отдаление Луны за счет приливного ускорения. Оно происходит достаточно медленно - спутник улетает не больше чем на 0,5 сантиметра в год. Однако важно тут совершенно другое. Дистанцируясь от Земли, Луна замедляет ее вращение. Рано или поздно может наступить момент, когда сутки на Земле будут длиться столько же, сколько лунный месяц - 29–30 дней.

Однако у удаления Луны будет свой предел. После его достижения, Луна начнет витками приближаться к Земле - причем куда быстрее, чем отдалялась. Полностью врезаться ей, однако, не удастся. За 12–20 тысяч километров от Земли начинается ее полость Роша - гравитационный предел, при котором спутник какой-либо планеты может сохранять твердую форму. Поэтому Луна на подлете будет разорвана на миллионы маленьких фрагментов. Часть из них упадет на Землю, устроив бомбардировку в тысячи раз мощнее ядерной, а остальные образуют вокруг планеты кольцо наподобие . Однако оно будет не таким ярким - кольца газовых гигантов состоят изо льда, который в разы ярче темных пород Луны - их не всегда будет видно на небе. Кольцо Земли создаст проблему астрономам будущего - если, конечно, к тому времени на планете кто-либо останется.

Колонизация Луны

Однако все это произойдет через миллиарды лет. А до тех пор человечество рассматривает Луну как первый потенциальный объект для космической колонизации. Однако что именно подразумевается под «освоением Луны»? Сейчас мы вместе просмотрим ближайшие перспективы.

Многие представляют колонизацию космоса подобно колонизации Земли времен Нового Века - поиск ценных ресурсов, их добыча, а затем доставка обратно домой. Однако это неприменимо к космосу - в ближайшие пару сотен лет доставка килограмма золота даже с ближайшего астероида будет обходиться дороже, чем его добыча из самых сложных и опасных для работы шахт. Также Луна вряд ли выступит «дачным сектором Земли» в ближайшем будущем - хотя там и есть большие месторождения ценных ресурсов, там будет тяжело выращивать еду.

Зато наш спутник вполне может стать базой для дальнейшего освоения космоса в перспективных направлениях - например, того же Марса. Главная проблема космонавтики на сегодняшний день - это ограничения по весу космических аппаратов. Для запуска приходится строить монструозные конструкции, которым нужны тонны топлива - ведь нужно преодолеть не только притяжение Земли, но и атмосферу! А если это межпланетный корабль, то нужно его еще и заправить. Это серьезно стесняет конструкторов, принуждая их предпочитать экономность функциональности.

Луна подходит для стартовой площадки космических кораблей куда лучше. Отсутствие атмосферы и низкая скорость для преодоления притяжения Луны - 2,38 км/c против 11,2 км/с Земли - делают запуски намного проще. А залежи полезных ископаемых спутника позволяют сэкономить на весе топлива - камне на шее космонавтики, который занимает значительную долю массы любого аппарата. Если развернуть производство ракетного топлива на Луне, можно будет запускать большие и сложные космические корабли, собранные с деталей, доставленных с Земли. Да и сборка на Луне будет куда проще, чем на околоземной орбите - и намного надежнее.

Существующие на сегодняшний день технологии позволяют если не полностью, то частично осуществить этот проект. Однако любые шаги в эту сторону требуют риска. Вложение громадных денег потребуют исследования на предмет нужных ископаемых, а также разработка, доставка и тестирование модулей будущих лунных баз. А одна предполагаемая стоимость запуска даже первоначальных элементов способна разорить целую сверхдержаву!

Поэтому колонизация Луны - это предмет не столько работы ученых и инженеров, сколько людей всего мира для достижения столь ценного единства. Ибо в единстве человечества кроется истинная сила Земли.