Луне суждено было стать небесным телом, с которым связаны едва ли не самые эффективные и впечатляющие успехи человечества за пределами Земли.
Луна — это, пожалуй, единственное небесное тело, в отношении которого с древнейших времён ни у кого не было сомнений, что оно движется вокруг Земли. Во II в. до н. э. Гиппарх определил наклон лунной орбиты к плоскости эклиптики и выявил ряд особенностей движения Луны. Он создал весьма совершенную для своего времени теорию её движения, а также теорию солнечных и лунных затмений.
Теорию движения Луны вокруг Земли значительно развил александрийский астроном Клавдий Птолемей (II в.), посвятивший ей одну из книг своего капитального сочинения «Альмагест». В дальнейшем эта теория неоднократно совершенствовалась и уточнялась, а после открытия Исааком Ньютоном закона всемирного тяготения, управляющего движением всех небесных тел (1687 г.), из чисто кинематической (описывающей геометрические свойства движения) она становится динамической (рассматривающей движение тел под действием приложенных к ним сил).
Если рассматривать обращение вокруг Солнца какой-нибудь планеты (например, Марса), то основной силой, направляющей её движение, является притяжение Солнца. Влияние других планет во много раз слабее солнечного, потому что их массы в тысячи, десятки и сотни тысяч раз меньше массы Солнца. Дополнительные ускорения, сообщаемые Марсу притяжением других планет (Земли, Венеры, Юпитера), очень малы, и их можно рассматривать каждое в отдельности, а затем сложить. Другое дело Луна. Для построения сколько-нибудь точной теории её движения приходится учитывать притяжение как Земли, так и Солнца. Из-за эллиптичности земной орбиты воздействие Солнца изменяется в течение года, а из-за движения Луны по орбите ещё и в течение месяца. Кроме того, плоскости лунной и земной орбит не совпадают, хотя и наклонены друг к другу под небольшим углом (5°9′). Вот далеко не полный перечень сложностей, встающих перед исследователями. Поэтому не удивительно, что построение точной теории движения Луны было одной из труднейших задач небесной механики на протяжении столетий.
Сегодня параметры лунной орбиты известны с высокой точностью. Полный оборот вокруг Земли Луна совершает за 27,32166 суток или 27 сут. 7 ч 43 мин. Это её звёздный, или сидерический, месяц (период движения Луны на небе относительно звёзд). Период смены лунных фаз, или синодический месяц, на двое с лишним суток длиннее сидерического, потому что фазы Луны зависят положения относительно Солнца, а оно в течение года перемещается по эклиптике (из-за годового движения Земли). Продолжительность синодического месяца нетрудно вычисли по формуле: 1/P = 1/S — 1/T, где Р, S и Т — соответственно продолжительность синодического, сидерического месяцев и сидерического года, т. е. периода обращен Земли вокруг Солнца. По этой формуле находим, что синодический месяц составляет 29,530588 суток, или 29 сут. 12 ч 44 мин.
Солнце вызывает ещё целый ряд периодических возмущений в движении Луны. По традиции, идущей ещё со времён Птолемея, их называют неравенствами, хотя смысл этого понятия (отклонения от невозмущённого движения) совсем иной, чем в математике. Астрономы давно уже прозвали систему Земля — Луна двойной планетой. Ведь не только Луна обращается вокруг Земли, но и Земля под действием притяжения Луны описывает небольшую орбиту вокруг их общего центра масс. Только эта орбита в 81 раз меньше, чем лунная. Центр масс системы Земля — Луна находится внутри Земли, на расстоянии 4750 км от центра планеты. И всё же это небольшое движение Земли астрономы учитывают при точных расчётах.
Вращение луны
Иногда приходится слышать мнение, будто Луна совсем не вращается, потому что она обращена к Земле одной стороной. На самом деле это не так. Если наблюдать Луну не с Земли, а с другой планеты (например, с Марса), то можно заметить её вращение. Просто время оборота Луны вокруг своей оси в точности соответствует сидерическому месяцу.
Такое положение установилось за миллиарды лет эволюции системы Земля — Луна под действием приливов в лунной коре, вызываемых Землёй. Поскольку Земля в 81 раз массивнее Луны, её приливы примерно в 20 раз сильнее тех, которые Луна вызывает на нашей планете. Правда, на Луне нет океанов, но её кора подвержена приливному воздействию со стороны Земли, так же, как земная кора испытывает приливы от Луны и Солнца. Поэтому если в далёком прошлом Луна вращалась быстрее, то за миллиарды лет её вращение затормозилось.
Между вращением Луны вокруг оси и её обращением вокруг Земли есть существенное различие. Вокруг Земли Луна обращается по законам Кеплера, т. е. неравномерно: близ перигея быстрее, близ апогея медленнее. Вокруг оси же она вращается совершенно равномерно. Благодаря этому иногда можно немного «заглянуть» на обратную сторону Луны с востока, а иногда — с запада. Такое явление называется оптической либрацией (от лат. libratio — «качание», «колебание») по долготе. А небольшой наклон лунной орбиты к эклиптике даёт возможность временами «заглядывать» на обратную сторону Луны то с севера, то с юга. Это оптическая либрация по широте. Обе либрации, вместе взятые, позволяют наблюдать с Земли 59% лунной поверхности. Оптическую либрацию Луны открыл Галилео Галилей в 1635 г., уже после осуждения католической инквизицией.
Лунная карта
Даже невооружённым глазом на диске Луны видны тёмные пятна различной формы, напоминающие кому лицо, кому двух людей, а кому зайца. Эти пятна ещё в XVII в. стали именовать морями. В те времена полагали, что на Луне есть вода, а значит, должны быть моря и океаны, как на Земле. Итальянский астроном Джованни Риччоли присвоил им названия, употребляемые и по сей день: Океан Бурь, Море Дождей, Море Холода, Море Ясности, Море Спокойствия, Море Изобилия, Море Кризисов, Залив Зноя, Море Облаков и др. Эти топонимы отражали давнее и совершенно неправильное представление, будто Луна влияет на земную погоду. И в названии «Море Кризисов» подразумевались резкие изменения погоды, а вовсе не экономические кризисы. Более светлые области лунной поверхности считались сушей.
Уже в 1753 г. хорватский астроном Руджер Бошкович доказал, что Луна не имеет атмосферы. При покрытии ею звезды та исчезает мгновенно, а если бы у Луны была атмосфера, звезда мер кла бы постепенно. Из этого следовало, что на поверхности Луны не может быть жидкой воды, так как при отсутствии атмосферного давления она бы немедленно испарилась.
Ещё Галилей открыл на Луне горы. Среди них были и настоящие горные хребты, которым стали давать названия земных гор: Альпы, Апеннины, Пиренеи, Карпаты, Кавказ. Но встречались на Луне и особенные горы — кольцевые, их именовали также кратерами или цирками. (Греческое слово «кратер» означает «чаша».) Постепенно название «цирк» сошло со сцены, а термин «кратер» остался.
Риччоли предложил давать кратерам имена великих учёных древности и Нового времени. Так появились на Луне кратеры: Платон, Аристотель, Архимед, Аристарх, Эратосфен, Гиппарх, Птолемей, Коперник, Кеплер, Тихо (Браге), Галилей. Не забыл Риччоли и самого себя. Наряду с этими известнейшими именами есть и такие, которых сегодня не найти ни в одной книге по астрономии, например Аристилл, Автолик, Лангрен, Теофил. Но тогда, в XVII в., этих учёных знали и помнили. При дальнейшем изучении Луны к названиям, данным Риччоли, добавились новые. На более поздних картах видимой стороны Луны увековечены такие имена, как Флемстид, Деландр, Пиацци, Лагранж, Дарвин (имеется в виду Джордж Дарвин, создавший первую теорию происхождения Луны), Струве, Делиль.
После того как советские автоматические межпланетные станции серии «Луна» сфотографировали обратную сторону Луны, на её карты были нанесены кратеры с именами отечественных учёных и покорителей космоса: Ломоносов, Циолковский, Гагарин, Королёв, Менделеев, Курчатов, Вернадский, Ковалевская, Лебедев, Чебышев, Павлов, а из астрономов — Блажко, Бредихин, Белопольский, Глазенап, Нумеров, Паренаго, Фесенков, Цераский, Штернберг.
Поверхность луны
Как образовались лунные кратеры? Этот вопрос стал причиной длительной дискуссии, с лёгкой руки испанского астронома Антонио Палю-зи-Бореля получившей название «Столетней войны». Речь идёт о борьбе между сторонниками двух гипотез происхождения лунных кратеров: вулканической и метеоритной.
Согласно вулканической гипотезе, которую выдвинул в
Лишь через 113 лет, в 1937 г., российский студент Кирилл Петрович Станюкович (будущий доктор наук и профессор) доказал, что при ударах метеоритов с космическими скоростями происходит взрыв, в результате которого испаряется не только метеорит, но и часть пород в месте удара Взрывная теория Станюковича разрабатывалась в
Полёты к Луне начиная с 1964 г американских космических аппаратов серии «Рейнджер», открытие кратеров на Марсе и Меркурии (втора* половина
В 1811 г. французский астроном Франсуа Араго открыл поляризацию света, отражаемого Луной. Это означало, что лунная поверхность должна быть покрыта слоем тонко раздробленного грунта. В морях поляризация была сильнее, чем на материках.
В 1918 г. российский учёный Николай Павлович Барабашов, изучая зависимость яркости лунных образований от угла падения солнечных лучей, обнаружил странное обстоятельство. Каждый участок лунной поверхности достигает максимальной яркости не тогда, когда Солнце стоит над ним в зените, как следовало ожидать, а в полнолуние, когда отражённый луч идёт навстречу падающему солнечному лучу.
Не сразу астрономы разобрались в причинах подобного явления. Ясные представления о природе лунной поверхности сформировались только в середине XX в. В
В 1959 г. российская исследовательница Надежда Николаевна Сытинская предложила метеорно-шлаковую теорию формирования лунного грунта. Согласно этой теории, тепло, передаваемое при ударе метеорита наружному покрову (реголиту) Луны, расходуется не только на его расплавление и испарение, но и на образование шлаков, которые проявляют себя в цветовых особенностях поверхности Луны.
Метеорно-шлаковой теории некоторое время противостояла пылевая гипотеза американского астронома Томаса Голда. Он считал, что Луна покрыта толстым слоем пыли, в котором могут утонуть опускающиеся на её поверхность космические аппараты и сами астронавты. Мягкая посад-га на Луну советской автоматической межпланетной станции «Луна-9» 3 февраля 1966 г. полностью опровергла эту точку зрения. В справедливости метеорно-шлаковой теории смогли убедиться американские астронавты Нил Армстронг и Эдвин Одцрин, впервые ступившие на лунную поверхность 21 июля 1969 г.
Ещё в XIX в. была измерена температура лунной поверхности, прослежено её изменение в течение лунных срок, а также во время затмений, когда Луна погружается в тень Земли и лишается при этом солнечного света и тепла. Из-за отсутствия атмосферы в дневные часы (а это 14,7 земных суток!) поверхность Луны под действием палящих солнечных лучей нагревается до 120— 130 °С. Ночью же лунное тепло беспрепятственно уходит в мировое пространство и температура падает до −150 «С. Нечто подобное наблюдается и во время лунных затмений.
Светлые лучи лунных кратеров
Со времени первых телескопических наблюдений Луны астрономы обратили внимание на то, что от некоторых лунных кратеров строго по радиусам расходятся светлые полосы, или лучи. Центрами светлых лучей являются кратеры Коперник, Кеплер, Аристарх. Но самую мощную систему лучей имеет кратер Тихо: некоторые из его лучей протянулись на 2000 км. Что за светлое вещество образует лучи лунных кратеров? И откуда оно взялось?
В 1960 г., когда не был ещё завершён спор о происхождении самих лунных кратеров, российские учёные Кирилл Петрович Станюкович и Виталий Александрович Бронштэн, оба горячие сторонники метеоритной гипотезы их образования, предложили следующее объяснение природы лучевых систем.
Удар крупного метеорита или небольшого астероида о поверхность Луны сопровождается взрывом: кинетическая энергия ударяющего тела мгновенно переходит в тепло. Часть энергии затрачивается на выброс лунного вещества под разными углами. Значительная часть выброшенного вещества улетает в космос, преодолевая силу притяжения Луны. Но вещество, выброшенное под небольшими углами к поверхности и с не очень большими скоростями, падает обратно на Луну. Эксперименты с земными взрывами показывают, что выбросы вещества происходят струями. А поскольку таких струй должно быть несколько, получается система лучей.
Но почему они светлые? Дело в том, что лучи состоят из мелко раздробленного вещества, которое всегда светлее, чем плотное вещество того же состава. Это установили опыты профессора Всеволода Васильевича Шаронова и его сотрудников. И когда первые астронавты ступили на поверхность Луны и взяли вещество лунных лучей для исследования, эта гипотеза подтвердилась. Светлые лучи кратера Тихо. Молодой кратер на Луне. Изменение рельефа Луны происходит в основном за счёт метеоритной и микрометеоритной бомбардировки.
Внутреннее строение луны
Плотность Луны равна 3340 кг/мЗ — как у земной мантии. Это значит, что наш спутник или не имеет плотного железного ядра, или оно очень маленькое. Более детальные сведения о внутреннем строении Луны получены в результате сейсмических экспериментов. Они начали проводиться с 1969 г., после посадки на Луну американского космического аппарата «Аполлон-11». Приборы последующих четырёх экспедиций «Аполлон-12, −14, −15 и −1б» образовали сейсмическую сеть из четырёх станций, которая работала до 1 октября 1977 г. Ею были зарегистрированы сейсмические толчки трёх типов: тепловые (растрескивание наружной кромки Луны из-за резких перепадов температуры при смене дня и ночи); лунотрясения в литосфере с очагом на глубине не более 100 км (обусловленные наличием больших касательных напряжений, так же, как и в случаях внутриплитовых землетрясений); глубокофокусные лунотрясения, очаги которых расположены на глубинах от 700 до 1100 км (источником энергии для них служат лунные приливы).
Полные выделения сейсмической энергии на Луне за год примерно в миллиард раз меньше, чем на Земле. Это не удивительно, так как тектоническая активность на Луне закончилась несколько миллиардов лет назад, а на нашей планете продолжается и по сей день. Для выявления структуры подповерхностных слоев Луны были проведены активные сейсмические эксперименты: сейсмические волны возбуждались падением отработанных частей космических аппаратов «Аполлон» или искусственными взрывами на поверхности Луны. Как выяснилось, мощность реголитового покрова колеблется в пределах 9 — 12м. Под ним располагается слой толщиной от нескольких десятков до сотен метров, вещество которого состоит из выбросов, возникших при образовании больших кратеров. Далее до глубины 1 км идут слои из трещиноватого базальтового материала.
По сейсмическим данным мантию Луны можно разделить на три составляющие: верхнюю, среднюю и нижнюю. Толщина верхней мантии -около 400 км. В ней сейсмические скорости слабо убывают с глубиной. На глубинах примерно
Лунная минералогия
Экспедиции американских астронавтов на Луну
Прежде всего по содержанию радиоактивных изотопов был определён возраст лунных пород. Древнейшие из них, как показало исследование уран-свинцовым методом, образовались 4,46 млрд лет назад. Близкие результаты дало применение стронциевого метода. Но ведь почти таков же (4,6 млрд лет) возраст древнейших горных пород Земли и метеоритов. Значит, именно тогда, около 4,5 млрд лет назад, сформировалась Солнечная система, в том числе Земля, Луна и те тела, осколки которых прилетают к нам в виде метеоритов.
Анализ лунных минералов позволил понять, в чём состоят различия между материками и морями на Луне. Выяснилось, что моря покрыты вулканическими породами, в основном базальтами. Они имеют округлую форму, ровную поверхность, об относительной молодости которой говорит не только радиоактивный анализ, но и сравнительно малое число кратеров, образованных ударами крупных метеоритов. Всё это показывает, что «моря» — результат грандиозных лавовых излияний из недр Луны, вызываемых ударами о её поверхность небольших астероидов.
Таким образом, когда-то лунные моря были настояшими морями, только не водными, а лавовыми. Радиоактивный анализ показал, что большинство из них (Море Паров, Море Ясности, Море Спокойствия, Океан Бурь) образовалось 4 млрд лет назад. Несколько моложе Море Дождей: со времени его возникновения прошло 3,87 млрд лет. Вероятно, в этот период на Луну выпадали остатки того роя тел, из которого сформировались Земля и Луна.
Теория происхождения луны
За последние 120 лет были выдвинуты три гипотезы происхождения нашего спутника. Первую предложил в 1879 г. английский астроном и математик Джордж Дарвин, сын известного естествоиспытателя Чарлза Дарвина. Согласно этой гипотезе, Луна отделилась когда-то от Земли, пребывавшей в то время в жидком состоянии (такие представления о прошлом Земли господствовали в конце XIX в.). Изучение эволюции лунной орбиты действительно указывало на то, что некогда Луна была гораздо ближе к Земле, чем теперь.
Изменение взглядов на прошлое Земли и критика гипотезы Дарвина российским геофизиком Владимиром Николаевичем Лодочниковым заставили учёных начиная с 1939 г. искать другие пути образования Луны. В 1962 г. американский геофизик Гарольд Юри предположил, что Земля захватила уже готовую, сформировавшуюся Луну. Однако помимо весьма малой вероятности такого события против гипотезы Юри говорило сходство состава Луны и земной мантии.
В бО-е гг. российская исследовательница Евгения Леонидовна Рускол, развивая идеи своего учителя, академика Отто Юльевича Шмидта, построила теорию совместного образования Земли и Луны как двойной планеты из облака допланетных тел, окружавшего когда-то Солнце. Эту теорию поддержали многие западные учёные. По мнению австралийского геофизика Эдварда Рингвуда, много занимавшегося проблемой происхождения Луны, из всех гипотез, созданных до запуска космических аппаратов серии «Аполлон», только модель Рускол не имеет серьёзных недостатков. Разработка её продолжается.
