Движение по луне. Орбита Луны
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.
Аналогично движению Солнца Луна также перемещается относительно звёзд. Но её движение происходит по сложной траектории, которая складывается из двух движений: движения вокруг Земли и движения вместе с Землёй вокруг Солнца. При этом Луна движется вокруг Земли по эллиптической орбите в ту же сторону, в какую Земля вращается вокруг своей оси. Поэтому мы видим Луну перемещающейся среди звёзд навстречу вращению неба.
Направление движения Луны всегда одно и то же - с запада на восток. Видимая орбита Луны на небесной сфере - это большой круг, который наклонён к плоскости эклиптики всего на 05 о 09’. Как видим, этот круг пересекает эклиптику в двух точках, которые называются узлами или драконическими точками.
Полный оборот вокруг Земли Луна совершает за 27 д 7 ч 43 мин 6 с. Это, так называемый, сидерический или звёздный месяц. Самое интересное в этом то, что именно за такой же промежуток времени Луна делает один оборот вокруг своей оси. Поэтому нам на Земле всегда видна только одна её сторона.
Как мы уже говорили, движение Луны вокруг Земли очень сложное. Поэтому его изучение является одной из самых трудных задач небесной механики. Однако при наблюдении за Луной с Земли мы с вами легко можем наблюдать изменение её вида. Происходит это по следующей причине. Вам наверняка известно, что Луна не имеет собственного свечения - она лишь отражает Солнечный свет. В свою очередь, Солнце освещает лишь половину лунного шара. Поэтому, по мере движения Луны по своей орбите её видимая освещённая часть постоянно меняется - происходит смена лунных фаз.
Кстати, освещённая сторона Луны всегда указывает в сторону Солнца, даже если оно скрыто за горизонтом. А линия светораздела, отделяющая освещённую часть Луны от неосвещённой, называется терминатором.
Итак, всего принято различать четыре основные фазы Луны: новолуние, первая четверть, полнолуние и последняя четверть.
Фаза новолуния наступает тогда, когда Луна проходит между Солнцем и Землёй. В этот момент мы её не видим, так как она обращена к нам своей тёмной стороной и располагается где-то недалеко от Солнца.
Через пару дней в западной части неба появляется и продолжает расти узкий и яркий серп молодой Луны. Иногда при этом можно наблюдать и остальную часть Луны, которая светиться тусклым сероватым свечением, так называемым пепельным светом . Это явление объясняется тем, что лунный серп освещается непосредственно Солнцем, а остальная часть её поверхности - рассеянным солнечным светом, отражённым Землёй.
Ещё в течение нескольких дней можно видеть, как серп Луны увеличивается по ширине, и его угловое расстояние от Солнца возрастает. Спустя 7 суток после новолуния становится видна́ правая половина лунного диска - наступает фаза первой четверти.
Далее фаза увеличивается, и через 14-15 суток после новолуния Луна приходит в противостояние с Солнцем. Её фаза становится полной - наступает полнолуние . Солнечные лучи освещают всё лунное полушарие, обращённое к Земле. В этой фазе Луна видна над горизонтом в течение всей ночи: она восходит при заходе Солнца, проходит через южную сторону неба, и заходит за горизонт в момент восхода Солнца.
После полнолуния Луна начинает постепенно приближаться к Солнцу. Сначала на правом крае лунного диска появляется небольшой ущерб в форме серпа́, который в течение нескольких дней увеличивается в размерах. Спустя неделю после полнолуния наступает фаза третьей или последней четверти.
В этой фазе мы вновь, как и в первой четверти, видим половину освещённого полушария Луны, но ту, которая в первой четверти была не освещена.
Луна восходит где-то около полуночи. К моменту восхода Солнца она оказывается в южной стороне неба. А заходит днём.
В дальнейшем лунный серп будет обращён выпуклостью влево (к востоку), так как Луна, постепенно приближаясь к Солнцу с запада, освещается им слева. Теперь мы можем наблюдать Луну только под утро, незадолго до восхода Солнца. Затем вновь наступает новолуние.
Интервал времени, прошедшей, например, от новолуния до новолуния, непостоянен и в среднем составляет 29 сут 12 ч 44 мин 03 с.
Промежуток времени между двумя последовательными одинаковыми фазами Луны называется синодическим месяцем.
Теперь давайте сравним синодический и сидерический месяцы:
Не трудно увидеть, что первый длиннее второго более чем на двое суток. Понять почему это так не сложно, если вспомнить, что Земля не стоит на месте, а движется вокруг Солнца. Предположим, что мы начали наблюдать за движением Луны в момент новолуния. Итак, как мы уже знаем, что примерно через 27,3 суток Луна совершит полный оборот вокруг Земли и займёт на небе прежнее положение относительно звёзд. За это время наша планета, проходя по орбите примерно один градус в сутки, пройдёт по орбите дугу в 27 о градусов. Следовательно, чтобы Луне вновь оказаться в новолунии, ей придётся дополнительно пройти по орбите такую же дугу в 27 о градусов. А на это Луне придётся затратить чуть более двух суток, так как за сутки она перемещается примерно на тринадцать 13 о градусов.
Так же в астрономии принято выделять и лунный год , который равен 12 лунным месяцам или примерно 354 земным суткам, что на 11 дней короче календарного года. Такая разница приводит к тому, что одни и те же фазы Луны из года в год будут приходиться на разные даты. А повторяться в одни и те же дни они будут только раз в 19 лет.
А теперь, для закрепления нового материала, давайте ответим с вами на пару вопросов. Итак, в одной из книг приводится такое описание ночного неба: «За парком, низко над землёй, висел острый серп месяца, рогами налево... Большая Медведица клонилась к западу. Чувствовалось, что уже за полночь, но только-только после первых петухов". Здесь описано осеннее небо в Литве, средняя широта которой 55 о. Проверьте правильность описания.
Ответ на данный вопрос достаточно простой. Если месяц был острым серпом и с рогами налево, то это был "молодой" месяц. А мы уже выяснили, что до полуночи на небе такая Луна не задерживается. Значит, описание ночного неба в Литве, с точки зрения астрономии, неверное.
Кстати, для того, чтобы суметь отличить первую четверть Луны от последней, наблюдатель, находящийся в северном полушарии, может использовать следующее мнемоническое правило. Если лунный серп в небе похож на букву «С», то это Луна «Стареющая» или "Сходящая", то есть это последняя четверть. Если же мысленно приставив палочку к лунному серпу можно получить букву «Р», то это луна «Растущая», то есть это первая четверть.
И ещё один вопрос из книги: «На перекате играла полноводная река. Над левым, отлогим берегом сиял месяц в безоблачном звёздном небе, и серебристая полоса света перерезала реку". Считая, что, по всей вероятности, Луна была в полнолунии, сообразите, в каком направлении текла река.
Итак, мы с вами уже говорили, что в полнолуние Луна находится около своего положения в верхней кульминации, находясь на южной стороне небосвода. Значит, встав по течению реки, мы своей левой стороной повернёмся к югу. Следовательно, река текла на запад.
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.
Орбита Луны - траектория, по которой Луна вращается вокруг общего с Землёй центра масс, располагающегося примерно в 4700 км от центра Земли. Каждый оборот занимает 27,3 земных суток и называется сидерическим месяцем.
Луна является естественным спутником Земли и ближайшим к ней небесным телом.
Рис. 1. Орбита Луны
Рис. 2. Сидерический и синодический месяцы
Она обращается вокруг Земли по эллиптической орбите в том же направлении, что и Земля вокруг Солнца. Среднее расстояние Луны от Земли равно 384 400 км. Плоскость орбиты Луны наклонена к плоскости эклиптики на 5.09’ (рис. 1).
Точки пересечения орбиты Луны с эклиптикой называются узлами лунной орбиты. Движение Луны вокруг Земли для наблюдателя представляется как видимое ее движение по небесной сфере. Видимый путь Луны по небесной сфере называется видимой орбитой Луны. За сутки Луна перемещается по видимой орбите относительно звезд примерно на 13,2°, а относительно Солнца на 12,2°, так как Солнце за это время тоже перемещается по эклиптике в среднем на 1°. Промежуток времени, в течение которого Луна совершает полный оборот по своей орбите относительно звезд, называется звездным, или сидерическим, месяцем. Его продолжительность равна 27,32 средних солнечных суток.
Промежуток времени, в течение которого Луна совершает полный оборот по своей орбите относительно Солнца, называется с cинодическим месяцем.
Он равен 29,53 средних солнечных суток. Сидерический и синодический месяцы различаются примерно на двое суток за счет движения Земли по своей орбите вокруг Солнца. На рис. 2 показано, что при нахождении Земли на орбите в точке 1 Луна и Солнце наблюдаются на небесной сфере в одном и том же месте, например на фоне звезды K. Через 27,32 сут, т. е. когда Луна сделает полный оборот вокруг Земли, она снова будет наблюдаться на фоне той же звезды. Но так как Земля вместе с Луной за это время переместится по своей орбите относительно Солнца примерно на 27° и будет находиться в точке 2, то Луне необходимо еще пройти 27°, чтобы занять прежнее положение относительно Земли и Солнца, на что понадобится около 2 сут. Таким образом, синодический месяц длиннее сидерического на отрезок времени, который нужен Луне, чтобы переместиться на 27°.
Период вращения Луны вокруг своей оси равен периоду ее обращения вокруг Земли. Поэтому Луна обращена к Земле всегда одной и той же стороной. Вследствие того, что Луна за одни сутки перемещается по небесной сфере с запада на восток, т. е. в сторону, обратную суточному движению небесной сферы, на 13,2°, ее восход и заход ежесуточно запаздывают примерно на 50 мин. Это ежедневное запаздывание приводит к тому, что Луна непрерывно меняет свое положение относительно Солнца, но через строго определенный период времени вновь возвращается в исходное положение. В результате движения Луны по видимой орбите происходит непрерывное и быстрое изменение ее экваториальных
координат. В среднем за сутки прямое восхождение Луны изменяется на 13,2°, а склонение - на 4°. Изменение экваториальных координат Луны происходит не только за счет ее быстрого движения по орбите вокруг Земли, но и вследствие необычайной сложности этого движения. На Луну действуют многие силы, имеющие различную величину и период, под влиянием которых все элементы лунной орбиты постоянно изменяются.
Наклон орбиты Луны к эклиптике колеблется в пределах от 4°59’ до 5°19′ за время, несколько меньшее полугода. Изменяются формы и размеры орбиты. Непрерывно с периодом 18,6 года меняется положение орбиты в пространстве, в результате чего происходит перемещение узлов лунной орбиты навстречу движению Луны. Это приводит к постоянному изменению угла наклона видимой орбиты Луны к небесному экватору от 28°35’до от 18°17’. Поэтому пределы изменения склонения Луны не остаются постоянными. В некоторые периоды оно изменяется в пределах ±28°35’, а в другие - ±18°17′.
Склонение Луны и ее гринвичский часовой угол даются в ежедневных таблицах МАЕ на каждый час гринвичского времени.
Движение Луны на небесной сфере сопровождается непрерывным изменением ее внешнего вида. Происходит так называемая смена лунных фаз. Фазой Луны называется видимая часть лунной поверхности, освещенная солнечными лучами.
Рассмотрим, вследствие чего происходит изменение лунных фаз. Известно, что Луна светит отраженным солнечным светом. Половина ее поверхности всегда освещена Солнцем. Но вследствие различных взаимных положений Солнца, Луны и Земли освещенная поверхность представляется земному наблюдателю в разных видах (рис. 3).
Принято различать четыре фазы Луны: новолуние, первая четверть, полнолуние и последняя четверть.
Во время новолуния Луна проходит между Солнцем и Землей. В этой фазе Луна обращена к Земле неосвещенной стороной, и поэтому она не видна земному наблюдателю. В фазе первой четверти Луна находится в таком положении, что наблюдатель видит ее в виде половины освещенного диска. Во время полнолуния Луна находится в направлении, противоположном направлению на Солнце. Поэтому к Земле обращена вся освещенная сторона Луны и она видна в виде полного диска.
Рис. 3. Положения и фазы Луны:
1 — новолуние; 2 - первая четверть; 3 - полнолуние; 4 - последняя четверть
После полнолуния видимая с Земли освещенная часть Луны постепенно уменьшается. Когда Луна достигает фазы последней четверти, она снова видна в виде половины освещенного диска. В Северном полушарии в первой четверти освещена правая половина диска Луны, а в последней - левая.
В промежутке между новолунием и первой четвертью и в промежутке между последней четвертью и новолунием к Земле обращена небольшая часть освещенной Луны, которая наблюдается в виде серпа. В промежутках между первой четвертью и полнолунием, полнолунием и последней четвертью Луна видна в виде ущербленного диска. Полный цикл смены лунных фаз происходит в течение строго определенного периода времени. Его называют периодом фаз. Он равен синодическому месяцу, т. е. 29,53 сут.
Промежуток времени между основными фазами Луны равен примерно 7 сут. Количество дней, прошедших с момента новолуния, принято называть возрастом Луны. С изменением возраста изменяются и точки восхода и захода Луны. Даты и моменты наступления основных фаз Луны по гринвичскому времени даны в МАЕ.
Движение Луны вокруг Земли является причиной лунных и солнечных затмений. Затмения происходят только тогда, когда Солнце и Луна одновременно располагаются вблизи узлов лунной орбиты. Солнечное затмение происходит, когда Луна находится между Солнцем и Землей, т. е. в период новолуния, а лунное - когда Земля находится между Солнцем и Луной, т. е. в период полнолуния.
На наше сайте вы можете заказать написание реферата по астрономии недорого. Антиплагиат. Гарантии. Выполнение в сжатые сроки.
Земля и Луна находятся в непрерывном вращении вокруг собственной оси и вокруг Солнца. Луна, кроме того, обращается вокруг нашей планеты. В связи с этим мы можем наблюдать на небе многочисленные явления, связанные с небесными телами.
Ближайшее космическое тело
Луна – это естественный спутник Земли. Ее мы видим как светящийся шар на небосклоне, хотя сама по себе она не излучает свет, а только отражает его. Источником света является Солнце, сияние которого освещает лунную поверхность.
Каждый раз можно увидеть на небе разную Луну, разные ее фазы. Это прямой результат вращения Луны вокруг Земли, которая, в свою очередь, обращается вокруг Солнца.
Исследование Луны
За Луной наблюдали многие ученые и астрономы долгие века, но по-настоящему, так сказать «вживую», изучение спутника Земли началось в 1959 году. Тогда советская межпланетная автоматическая станция "Луна-2" достигла этого небесного светила. Тогда этот аппарат не имел возможности перемещаться по поверхности Луны, а только мог фиксировать с помощью приборов некоторые данные. Результатом стало прямое измерение солнечного ветра – потока ионизированных частиц, исходящих от Солнца. Тогда на Луну был доставлен сферический вымпел с изображением герба Советского Союза.
Космический аппарат "Луна-3", запущенный чуть позднее, сделал из космоса первую фотографию обратной стороны Луны, которая не видна с Земли. Спустя несколько лет, в 1966 году, на земном спутнике высадилась еще одна автоматическая станция под названием "Луна-9". Она смогла совершить мягкую посадку и передать на Землю телепанорамы. Земляне впервые увидели телесеанс напрямую с Луны. До запуска этой станции было несколько неудачных попыток именно мягкого «прилунения». С помощью исследований, проведенных посредством этого аппарата, подтвердилась метеорно-шлаковая теория о наружном строении спутника Земли.
Путешествие с Земли на Луну осуществили американцы. Первыми людьми, побывавшими на Луне, посчастливилось стать Армстронгу и Олдрину. Это событие произошло в 1969 году. Советские же ученые пожелали исследовать небесное светило только с помощью автоматики, использовали луноходы.
Характеристики Луны
Среднее расстояние между Луной и Землей составляет 384 тысячи километров. Когда спутник находится ближе всего к нашей планете, эта точка называется Перигей, удаленность составляет 363 тысячи километров. А когда между Землей и Луной максимальное расстояние (это состояние называется апогей), оно составляет 405 тысяч километров.
Орбита Земли имеет наклон по отношению к орбите своего естественного спутника – 5 градусов.
Луна перемещается по своей орбите вокруг нашей планеты со средней скоростью 1,022 километра в секунду. А за час она пролетает приблизительно 3681 километр.
Радиус Луны, в отличие от Земли (6356), составляет приблизительно 1737 километров. Это среднее значение, так как в разных точках на поверхности он может варьироваться. Например, на лунном экваторе радиус чуть больше среднего – 1738 километров. А в районе полюса он чуть меньше – 1735. Луна тоже является скорей эллипсоидом, чем шаром, как будто ее немного «сплющили». Та же самая особенность есть и у нашей Земли. Форма нашей родной планеты получила название «геоид». Она является прямым следствием вращения вокруг оси.
Масса Луны в килограммах - приблизительно 7,3*1022, Земля весит в 81 раз больше.
Фазы Луны
Фазы Луны – это различные положения спутника Земли относительно Солнца. Первой фазой является новолуние. Затем идет первая четверть. После нее наступает полнолуние. А затем последняя четверть. Линия, отделяющая освещенную часть спутника от темной, называется терминатором.
Новолуние – это фаза, когда спутник Земли на небе не наблюдается. Луны не видно потому, что она находится ближе к Солнцу, чем наша планета, и соответственно, ее сторона, обращенная к нам, не освещается.
Первая четверть – видна половина небесного светила, звезда озаряет только ее правую часть. Между новолунием и полнолунием Луна «растет». Именно в это время мы видим сияющий серп на небе и называем его «растущим месяцем».
Полнолуние – Луна видна как светлый круг, который озаряет все своим серебряным светом. Свет небесного светила в это время может быть очень ярким.
Последняя четверть – спутник Земли виден лишь частично. В этой фазе Луну называют «старой» или «убывающей», потому что освещается лишь левая ее половина.
Отличить растущий месяц от убывающей Луны можно легко. Когда луна идет на убыль она напоминает букву «С». А когда она растет, если приставить палочку к месяцу, то получится буква «Р».
Вращение
Так как Луна и Земля находятся достаточно близко друг к другу, они образуют единую систему. Наша планета значительно больше, чем ее спутник, поэтому она влияет на него своей силой притяжения. Луна обращена к нам одном стороной все время, поэтому до космических полетов в ХХ веке обратную сторону никто не видел. Это происходит потому, что Луна и Земля вращаются вокруг своей оси в одном и том же направлении. А оборот спутника вокруг своей оси длится то же самое время, что и оборот вокруг планеты. Кроме того, вместе они делают оборот вокруг Солнца, который длится 365 дней.
Но при этом сказать, в какую сторону вращается Земля и Луна, невозможно. Казалось бы, это простой вопрос, либо по часовой стрелке, либо против, но ответ может зависеть только от точки отсчета. Плоскость, на которой находится орбита Луны, немного наклонена по отношению к таковой у Земли, угол наклона составляет примерно 5 градусов. Точки, где орбиты нашей планеты и ее спутника пересекаются, называются узлы лунной орбиты.
Сидерический месяц и Синодический
Сидерический или звездный месяц – это тот промежуток времени, за который Луна обращается вокруг Земли, возвращаясь в то же самое место, откуда она начала движение, относительно звезд. Длится этот месяц 27,3 суток, протекающих на планете.
Синодический месяц – промежуток, за который Луна делает полный оборот, только относительно Солнца (время, за которое происходит смена лунных фаз). Длится 29,5 земных суток.
Синодический месяц длиннее сидерического на двое суток из-за вращения вокруг Солнца Луны и Земли. Так как спутник вращается вокруг планеты, а та, в свою очередь, вращается вокруг звезды, то получается, что для того, чтобы спутник прошел все свои фазы, нужно дополнительное время сверх полного оборота.
