Луна - спутник Земли

Луна - спутник Земли  

.Встаёт Луна и мстит она за муки 

Надменной удалённости своей. 

Лунатики протягивают руки 

И обречённо следуют за ней.

На крыльях одичалого сознанья, 

Весомостью дневной утомлены, 

Летят они, бескрылые созданья, 

Прислушиваясь к отсветам Луны...

Белла Ахмадулина  

День и ночь меняются потому, что Земля вращается, и Луна закрывает Солнце...

Из ответа одной студентки на семинаре

Блеск полной Луны больше блеска Луны в первой или третьей четверти не в 2 раза, как это можно было подумать, а в 15 раз, так как в полнолуние на Луне не видны тени [Бронштен, 1955а]. Интересно, что в полнолуние, как и в другие фазы, центр и края лунного диска одинаково ярки, что говорит о многочисленных неровностях поверхности [Марков, 1955]. Тени к полнолунию исчезают очень быстро, и яркость резко увеличивается.

Луна отстоит от Земли в среднем на 384 395 км, то есть на 30 земных диаметров и на 110 лунных диаметров.

Период обхода вокруг Земли - 27,3217 земных суток (сидерический месяц). Период смены фаз - 29,5306 земных суток (синодический месяц).

Критическая скорость для лунной поверхности - 2,37 км/с [Марков, 1955].

Скорость движения по орбите - 1,02 км/с.

Период обращения вокруг оси строго соответствует периоду обращения вокруг Земли, и поэтому Луна обращена к Земле всегда одной стороной. Только часть противоположной стороны (18%) бывает видна из-за либрации Луны (из-за "покачивания" при движении по орбите - это связано с неравномерным движением Луны по эллиптической орбите), а также из-за несовпадения плоскостей орбит Земли и Луны и движения линии узлов [Марков, 1955]. Из-за первого обстоятельства мы можем заглядывать на противоположное полушарие на 6 градусов и 51 секунду по долготе за оба края, из-за второго - на 7 градусов 54 секунды за северный и южный полюсы [Марков, 1955].

Обратная сторона Луны сфотографирована в 1959 г. с помощью советской космической станции "Луна-3".

Луна - трёхосный эллипсоид, большая ось которого направлена к Земле [Марков, 1955].

Ось наклонена на 5,1 градуса к плоскости орбиты.

Орбита наклонена на 5,9 градуса к земной орбите [Марков, 1955]. Линия пересечения плоскостей орбит Земли и Луны совершает оборот за 18,6 года [Марков, 1955].

Орбита Луны заметно эллиптическая, и поэтому во время затмений Луна либо полностью закрывает Солнце, либо со всех сторон остаётся светящийся солнечный ободок (если Луна далеко от Земли). Расстояние до Луны колеблется в интервале 363 000 - 405 500 км.

Движение Луны по орбите усложнено также притяжением к Солнцу: когда Луна ближе к нему, чем Земля, она притягивается сильнее Земли; когда дальше - слабее (приливные силы действуют на систему Земля-Луна аналогично тому, как они действуют на каждое из двух тел в отдельности, но значительно сильнее).

Самое древнее упоминание о затмении Солнца Луной содержится в китайской хронике конца IX века до нашей эры. Затмение было особым, так как произошло во время восхода Солнца. Это позволило точно датировать событие: 21 апреля 899 г [Двойной восход Солнца, 1987]. Полное совпадение времени затмений по китайским хроникам и по астрономическим вычислениям - одно из опровержений лженаучных попыток "сократить" человеческую историю в несколько раз.

Масса Луны - 0,012 земной массы, или 7,33*1025 г (Луна в 81,5 раз легче Земли). До недавнего времени система Земля-Луна считалась самой двойной планетой (основное тело и спутник ближе всего друг к другу по размеру), но теперь первенство по этому показателю перешло к системе Плутон-Харон.

Диаметр Луны - 3 476 км, примерно четверть земного (0,27). Площадь поверхности - 7,5% земной поверхности (площадь Северной и Южной Америк вместе). Объём - в 50 раз меньше Земли.

Плотность Луны значительно меньше плотности Земли - 3,34 г/см3. Это очень важный параметр, на основании которого судят о происхождении Луны (см. ниже).

Сила тяжести в 6 раз слабее, чем на Земле (0,16 земной). По словам Нейла Армстронга: "... ощущение притяжения на Луне приятнее, чем земное, и даже приятнее состояния невесомости" [Улубеков, 1984].

Температура колеблется от минус 160 до плюс 120 градусов Цельсия (в полночь и в полдень). По более поздним данным - от минус 155 до плюс 105 градусов Цельсия.

Воды и атмосферы на Луне нет. Именно из-за этого существуют такие резкие перепады температуры. Из-за этого нет и полутеней. Утром и вечером приподнятые участки (горы, кратеры) отбрасывают длинные чёткие тени и особенно хорошо видны с Земли в телескоп. Линия, разделяющая освещённую и неосвещённую часть Луны, называется терминатором.

Луна в среднем желтовато-коричневая. Самые яркие точки отражают 22% света, самые тёмные ("моря") - 4 - 5%. Значит, веществ вроде мела или снега там нет [Марков, 1955]. Луна по цвету сходна с вулканическим пеплом, и диапазон цветности там меньше, чем на Земле.

Сверху лунная поверхность покрыта тонким слоем пыли (несколько см), под которым до глубины 4 - 12 м лежит лунный реголит - мелкий обломочный материал, выброшенный из небольших кратеров. Далее до глубины 30 м находятся выбросы из больших кратеров. Далее до 1 км - трещиноватый базальт. По крайней мере, такое строение имеет лунная поверхность в месте посадки земных аппаратов [Жарков, 1983].

На поверхности Луны есть "моря" - сухие и более тёмные низменные области, "материки" - более светлые и несколько возвышенные области, горы в виде колец, метеоритные кратеры (с крутой возвышенностью в середине) и метеоритные цирки (без центральной горки), цепочки кратеров (см. ниже). Из "морей" наиболее велики Океан Бурь, Море Ясности, Море Спокойствия, Море Дождей, Море Изобилия, Море Кризисов. Последние два расположены рядом, что легло в основу некоторых анекдотов относительно планов Советского Союза по освоению Луны (по ошибке не там сели).

Теоретически в южной полярной области Луны возможен лёд в кратерах, так как Солнце там никогда не светит, и температура составляет минус 230 градусов Цельсия [Лёд на Луне! 1995]. Может быть слой льда и снега в 50 см - от ледяных метеоритов. Американская станция "Клементина" в 1994 г. зафиксировала необычный характер радиосигналов в районе южного полюса. Таким должно быть отражение от разрозненных пятен снега и льда. Для проверки планировался запуск зонда "Lunar Prospector" в сентябре 1997 г. [В поисках лунной влаги, 1997]. Зонд был запущен в январе 1998 г., измерил энергию нейтронов, возникающих в лунном грунте от космических лучей. Известно, что вода замедляет нейтроны. По этим данным считается, что на Луне нет сплошного ледяного покрова нигде, но есть кристаллики льда в лунном реголите (от 0,3 до 1% массы в кратерах на полюсах). Станция через какое-то время была переведена на более низкую орбиту (100 - 20 км), чтоб увеличилась её разрешающая способность и найдены были кратеры, где воды особенно много [Бережной, 1999]. Убедительных результатов не было, и станция была направлена в один из кратеров, где разбилась со скоростью 1 км/с. Надеялись, что при ударе водяной пар будет выброшен в окололунное пространство и замечен с Земли, но последствия падения не были видны ["Lunar Prospector"..., 2000].

Основная бомбардировка Луны метеоритами происходила от 4,6 до 3,5 миллиардов лет назад, но есть и относительно недавние кратеры, которые отличаются "лучами" - прямыми расходящимися во все стороны выбросами вещества, которые не успели потемнеть. Лучи, например, тянутся от кратеров Коперник и Тихо. Они видны даже в подзорную трубу. Кратер Коперник возник "всего" 800 миллионов лет назад (возраст определяется по количеству более молодых мелких кратеров поверх старого кратера). Известно до 300 систем лучей [Марков, 1955].

Некоторые лунные метеоритные кратеры достигают диаметра 150 - 200 км, чего нет на Земле. Есть остатки кратеров ещё большего размера. Море Дождей - это бывший кратер диаметром 1 000 км, заполнившийся лавой, поднявшейся после удара по трещинам.

На Луне есть цепочки явно взаимосвязанных одновозрастных кратеров. Раньше думали, что один из таких кратеров основной, а остальные вторичные (падало вещество, выброшенное при первом ударе). После кометной бомбардировки Юпитера в 1994 г. (см. ниже) появилась гипотеза, аналогично объясняющая эти цепочки: Луна сначала разрывает подходящее к ней тело приливными силами, обломки выстраиваются один за другим на орбите и, совершив половину витка, бомбят крутящуюся Луну один за другим [Происхождение кратерных цепочек на Луне, 1994]. На Луне также известны альбедные аномалии, которые не проявляются в рельефе. Возможно, это следы столкновения с кометами [Бережной, 1999].

Самые высокие лунные горы достигают 8 км, то есть соразмерны самым высоким земным горам.

На обратной стороне Луны несколько меньше "морей", но в остальном обе стороны Луны сходны. Море Восточное - древний кратер диаметром 900 км, который окружён несколькими грядами кольцевых гор, словно по воде от брошенного камешка побежали и застыли несколько круговых волн. Другие "моря" (Изобретателей, Москвы) не велики по площади.

По современным представлениям у Луны есть небольшое и, возможно, железное ядро (исходя из отсутствия магнитного поля и сравнительно малой плотности). Далее идёт зона частично расплавленного вещества (наличием её объясняют зарегистрированные приборами лунотрясения). Далее - мантия. Далее - кора. На видимой стороне Луны кора имеет толщину 60 км, на обратной - 100 км [Жарков, 1998]. Из-за различий в мощности коры центр массы на 2 км смещён к Земле [Жарков, 1983]. Различия в мощности коры пока не объяснены, но неравномерность параметров на оси Земля-Луна вряд ли случайна.

Сейсмические станции, установленные на Луне экипажами "Аполлон" регистрировали сотрясения от ударов метеоритов, падений космических аппаратов, а также собственно лунотрясения [Кусков, 1998]. Эти данные позволяют утверждать, что плотность лунных недр почти не возрастает с глубиной, а давление в центре Луны соответствует земному на глубине 150 км. Лунная кора видимой стороны должна иметь толщину 58 км, верхняя мантия залегать на глубинах 58 - 270 км, средняя мантия - 270 - 500 км, нижняя мантия - от 500. Далее по характеру распространения сейсмических волн ясно, что до глубины 1000 - 1200 км никакого ядра у Луны нет, но в самом центре всё-таки может быть железное ядро радиусом 300 - 400 км или сульфидное ядро (FeS) радиусом 480 - 600 км. В общем, если ядро есть, то оно маленькое.

Суммарная годовая энергия лунотрясений на 9 порядков меньше, чем землетрясений [Жарков, 1983]. 

Среди собственных лунотрясений различаются: 

тепловые суточные; 

глубинные с глубиной очага в 100 км (на границах круговых морей, до 5 в год); 

глубокофокусные с глубиной очага в 700 - 1100 км (очень слабые, между литосферой и астеносферой, вызваны неравномерностью фигуры Луны, периодичны лунным приливам - 13.6; 27.2; 27.5; 206 суток; 6 лет). 

При ударе метеорита и т.п. Луна дольше Земли "звучит" сейсмически (как колокол), так как меньше Земли и тверда, а потому не гасит волну [Жарков, 1983].

Собственное магнитное поле на Луне, как уже говорилось, отсутствует, но 4,6 - 3,2 миллиарда лет назад оно имелось. Сейчас имеются только разные по мощности местные магнитные поля, связанные с метеоритами [Жарков, 1983].

Луна - уникальное тело в Солнечной системе. Здесь самое низкое значение Fe/Si (железо/кремний) для известных тел, включая планеты, их спутники, комету Галлея и метеориты. В этом отношении Луна противоположна маленькому, но тяжёлому Меркурию [Кусков, 1998]. Материковые породы на Луне обогащены алюминием и обеднены железом и магнием. Гористые районы Луны сложены анортозитом, который образуется при постепенном застывании магмы, когда лёгкие и богатые алюминием соединения всплывают. Но есть бассейн Эйткена диаметром 2600 км, где алюминия мало, зато много железа и титана. Бассейн возник, когда при столкновении верхний слой оказался содран, и обнажились породы, богатые железом. "Моря" возникли позднее из-за повторного плавления железомагнезиальных пород на глубине более 400 км (от 4,3 до 3 млрд. лет назад). В море Спокойствия, где сел "Apollo-11", оказалось примерно в 10 раз больше титана, чем в среднем [Химический состав Луны, 2002].

Существует несколько гипотез возникновения Луны [Как образовалась Луна, 1986]: 

земная мантия оторвалась от молодой и быстро вращающейся в то время Земли (деление); 

захваченная планета (лунный грунт резко отличается от земного по составу); 

возникла одновременно и вместе с Землёй из одного и того же газово-пылевого облака; 

выбита в результате столкновения Земли с телом тяжелее Марса (поэтому Луна легка, так как возникла не из земного ядра, а из земной мантии и коры). 

Теоретически при некотором стечении обстоятельств все четыре случая возможны, но популярней всего последняя гипотеза, так как только она объясняет, почему у Луны нет или почти нет железного ядра, и вся она сходна с земной мантией [Грив, 1990; "Ударное" происхождение Луны, 1990]. Впрочем, сходство с земной мантией не полное, и, принимая ударную гипотезу, нужно предположить, что ударившее тело привнесло много своего вещества [Кусков, 1998].

Луна эволюционировала [Жарков, 1983]: 

4,57 - 4,46 млрд. лет назад, горячая Луна, период формирования макроструктуры недр, осаждается расплавленное ядро (Fe - FeS), существует магнитное поле, Луна уже повёрнута к Земле одной стороной, а её кора асимметрична; 

4,46 - 3,86 млрд. лет назад, образование макроструктуры материков, кристаллизация верхней мантии, вулканизм, интенсивная бомбардировка метеоритами и рост коры, Луна равномерно "побита" метеоритами - всюду кратеры с несколькими кольцами гор; на Земле от этой эпохи не осталось следов, и самые древние горные породы имеют возраст 3,8 млрд. лет [Жарков, Мороз, 2000]; 

4 - 3,9 млрд. лет назад, ударное образование круговых морей и исчезновение прежней поверхности; 

3,9 - 3,16 млрд. лет назад (по другим данным - 2,8 млрд. лет назад) базальтовая лава заполнила впадины лунных морей, с тех пор в "морях" меньше кратеров, чем на "материках", где прежняя поверхность полностью уцелела; в это время исчезает магнитное поле; 

послеморской период, добавились только отдельные кратеры с "лучами" (Коперник, Тихо и множество мелких). 

Система Земля-Луна тоже прошла длительную эволюцию. Когда-то и Луна, и Земля вращались вокруг своих осей значительно быстрее, чем сейчас, и были ближе друг к другу. Потом вращение вокруг осей притормозилось из-за приливного трения: Земля стала вращаться медленней, а Луна относительно Земли полностью остановилась (более 4,5 млрд. лет назад). Но это означает, что Луна должна была постепенно отодвинуться от Земли согласно закону сохранения количества движения (медленней движение вокруг оси - быстрее движение по орбите). Отобрав у Земли часть энергии, Луна ускорилась и стала вращаться вокруг Земли по более далёкой орбите. То же самое можно сказать более конкретно. Так как Земля вращается вокруг оси быстрее, чем вокруг неё вращается Луна, приливные выступы на Земле чуть опережают события. Ближайший к Луне выступ при этом разгоняет Луну на орбите, причём в большей степени, чем её тормозит отстающий дальний выступ [Жарков, 1983].

Система продолжает эволюционировать в том же направлении, и Луна каждый год отодвигается от Земли на 3,8 см (по данным лазерной локации). Или на 4,4 см в год (по данным изучения затмений) [Жарков, 1983]. Так будет происходить до тех пор, пока Луна не остановит Землю. Тогда воспреобладают силы трения о космическую среду (это не совсем пустота - там метеорные частицы, какое-то количество газа, частицы солнечного ветра, гравитационные поля и т.п.). Луна начнёт передавать энергию космической среде и постепенно сближаться с Землёй. Когда-нибудь она сблизиться так, что приливные силы Земли разорвут Луну и превратят в кольцо - примерно такое же, как вокруг Сатурна, но более значительное. Впрочем, Земля и Луна могут значительно измениться и даже исчезнуть ещё до этого из-за расширения Солнца.

Луна активно изучалась в середине века, а теперь интерес к ней упал. Его можно подхлестнуть только экономическим использованием Луны (перевалочный пункт на пути в более далёкий Космос, сырьевая база и т.п.). Одно из возможных использований - использование радиоактивного гелия (гелий три), принесённого солнечным ветром. Это хорошее термоядерное топливо, возможное топливо для будущих космических кораблей, и добыть его можно, нагрев лунный грунт до 600 градусов Цельсия (начало выделения - 200 градусов, при 600 градусах - выделяется 75%) [Кульчински, Шмитт, 1990]. Кто будет владеть Луной, тот будет владеть Землёй...