Луна́ — единственный естественный спутник Земли. Второй по яркости объект на земном небосводе после Солнца и пятый по величине естественный спутник планеты Солнечной системы. Является первым и пока единственным астрономическим объектом, помимо Земли, на котором побывал человек. Среднее расстояние между центрами Земли и Луны — 384 467 км (0,002 57 а. е.). Видимая звёздная величина полной Луны на земном небе −12m,71[2]. Освещённость, создаваемая полной Луной возле поверхности Земли при ясной погоде, составляет 0,25 — 1 лк.Луна как небесное тело
[править]Орбита С древних времён люди пытались описать и объяснить движение Луны, используя всё более точные теории. Основой современных расчётов является теория Брауна. Созданная на рубеже XIX—XX веков, она описывала движение Луны с точностью измерительных приборов того времени. При этом в расчёте использовалось более 1400 членов (коэффициентов и аргументов при тригонометрических функциях). Современная наука может рассчитывать движение Луны и проверять расчёты на практике с ещё более высокой точностью. Так, для расчёта позиции Луны с точностью измерений лазерной локации применяются выражения с десятками тысяч членов и не существует предела количества членов в выражении, если потребуется ещё более высокая точность. В первом приближении можно считать, что Луна движется по эллиптической орбите с эксцентриситетом 0,0549 и большой полуосью 384 399 км. Реальное движение Луны довольно сложно, при его расчёте необходимо учитывать множество факторов, например, сплюснутость Земли и сильное влияние Солнца, которое притягивает Луну в 2,2 раза сильнее, чем Земля[4]. Более точно движение Луны вокруг Земли можно представить как сочетание нескольких движений[5]: вращение вокруг Земли по эллиптической орбите с периодом 27,32166 суток, это так называемый сидерический месяц (то есть движение измерено относительно звёзд); поворот плоскости лунной орбиты, её узлов (точек пересечения орбиты с эклиптикой) с периодом 18,6 лет. Движение прецессионное, то есть долготы узлов уменьшаются; поворот большой оси лунной орбиты (линии апсид) с периодом 8,8 лет (происходит в противоположном направлении, чем указанное выше движение узлов, то есть долгота перигея увеличивается); периодическое изменение наклона лунной орбиты по отношению к эклиптике от 4°59′ до 5°19′; периодическое изменение размеров лунной орбиты: перигея от 356,41 до 369,96 тыс. км, апогея от 404,18 до 406,74 тыс. км; постепенное удаление Луны от Земли вследствие приливного ускорения (примерно на 4 см в год), при этом непериодическая составляющая её орбиты представляет собой медленно раскручивающуюся спираль[6]. [править]Общее строение Луна состоит из коры, верхней мантии, средней мантии, нижней мантии (астеносферы) и ядра. Атмосфера практически отсутствует. Поверхность Луны покрыта так называемым реголитом — смесью тонкой пыли и скалистых обломков, образующихся в результате столкновений метеоритов с лунной поверхностью. Ударно-взрывные процессы, сопровождающие метеоритную бомбардировку, способствуют взрыхлению и перемешиванию грунта, одновременно спекая и уплотняя частицы грунта. Толщина слоя реголита составляет от долей метра до десятков метров[7]. Толщина коры Луны меняется в широких пределах от 0 до 105 км[8]. [править]Условия на поверхности Луны Атмосфера Луны крайне разрежена. Когда поверхность не освещена Солнцем, содержание газов над ней не превышает 2,0·105 частиц/см³ (для Земли этот показатель составляет 2,7·1019 частиц/см³), а после восхода Солнца увеличивается на два порядка за счёт дегазации грунта. Разреженность атмосферы приводит к высокому перепаду температур на поверхности Луны (от −160 °C до +120 °C)[источник не указан 174 дня], в зависимости от освещённости; при этом температура пород, залегающих на глубине 1 м, постоянна и равна −35 °C. Ввиду практического отсутствия атмосферы небо на Луне всегда чёрное со звёздами, даже когда Солнце находится над линией горизонта. Земной диск висит в небе Луны почти неподвижно. Причины небольших ежемесячных колебаний Земли по высоте над лунным горизонтом и по азимуту (примерно по 7°) такие же, как у либраций. Угловой размер Земли в 3,7 раз больше, чем лунный при наблюдении с Земли, а закрываемая Землей площадь небесной сферы в 13,5 раз больше, чем закрываемая Луной. Степень освещённости Земли, видимая с Луны, обратна лунным фазам, видимым на Земле: в полнолуние c Луны видна неосвещённая часть Земли, и наоборот. Освещение отражённым светом Земли примерно в 50 раз сильнее, чем освещение лунным светом на Земле, максимальная видимая звёздная величина Земли на Луне составляет приблизительно −16m. [править]Гравитационное поле Коэффициенты секторальных и тессеральных гармоник[9] C3,1 = 0.000030803810 S3,1 = 0.000004259329 C3,2 = 0.000004879807 S3,2 = 0.000001695516 C3,3 = 0.000001770176 S3,3 =-0.000000270970 C4,1 =-0.000007177801 S4,1 = 0.000002947434 C4,2 =-0.000001439518 S4,2 =-0.000002884372 C4,3 =-0.000000085479 S4,3 =-0.000000788967 C4,4 =-0.000000154904 S4,4 = 0.000000056404 Гравитационный потенциал Луны традиционно записывают как сумму трёх слагаемых[10]:
где δW — приливный потенциал, Q — центробежный потенциал, V — потенциал притяжения. Потенциал притяжения обычно раскладывают по зональным, секторальным и тессеральным гармоникам:
где Pnk — присоединённый полином Лежандра, G — гравитационная постоянная, M — масса Луны, λ и θ — долгота и широта. [править]Приливы и отливы Основные статьи: Прилив и отлив, Приливные силы Гравитационные силы между Землёй и Луной вызывают некоторые интересные эффекты. Наиболее известный из них — морские приливы и отливы. Если бы мы взглянули на Землю со стороны, мы увидели бы две выпуклости, находящиеся на противоположных сторонах планеты, причём одна точка — со стороны, ближайшей к Луне, а другая — с противоположной стороны Земли, наиболее удалённой от Луны. В мировом океане этот эффект выражен намного сильнее, чем в твёрдой коре, поэтому выпуклость воды больше. Амплитуда приливов (разность уровней прилива и отлива) на открытых пространствах океана невелика и составляет 30—40 см. Однако вблизи берегов вследствие набега приливной волны на твёрдое дно, приливная волна увеличивает высоту точно так же, как обычные ветровые волны прибоя. Учитывая направление вращения Луны вокруг Земли, можно составить картину следования приливной волны по океану. Сильным приливам больше подвержены восточные побережья материков. Максимальная амплитуда приливной волны на Земле наблюдается в заливе Фанди в Канаде и составляет 18 метров. Хотя для земного шара сила тяготения Солнца почти в 200 раз больше, чем сила тяготения Луны, прили́вные силы, порождаемые Луной, почти вдвое больше порождаемых Солнцем. Это происходит из-за того, что приливные силы зависят не от величины гравитационного поля, а от степени его неоднородности (градиента). При увеличении расстояния до источника поля градиент уменьшается быстрее, чем величина самого поля. Поскольку Солнце почти в 400 раз дальше от Земли, чем Луна, то и приливные силы, вызываемые солнечным притяжением, слабее[11]. [править]Магнитное поле Считается, что источником магнитного поля планет является тектоническая активность. Например, у Земли поле создаётся движением расплавленного металла в ядре, у Марса — последствия прошлой активности. «Луна-1» в 1959 году установила отсутствие однородного магнитного поля на Луне[12]:24. Результаты исследований учёных Массачусетского технологического института подтверждают гипотезу, что у Луны было жидкое ядро. Это укладывается в рамки самой популярной гипотезы происхождения естественного спутника — столкновение примерно 4,5 миллиарда лет назад Земли с космическим телом размером с Марс, «выбило» из Земли огромный кусок расплавленной материи, который позже превратился в Луну. Экспериментально удалось доказать, что на раннем этапе существования у Луны было аналогичное земному магнитное поле[13]. [править]Наблюдение Луны с Земли Основные статьи: Фазы Луны, Либрация, Затмение, Рефракция астрономическая Видимый диаметр Луны сравним с солнечным и составляет около половины градуса. Луна отражает только 7 % падающего на неё солнечного света. Так как Луна не светится сама, а лишь отражает солнечный свет, с Земли видна только освещённая Солнцем часть лунной поверхности. (В фазах Луны, близких к новолунию, то есть в начале первой четверти и в конце последней четверти, при очень узком серпе можно наблюдать «пепельный свет Луны» — слабое освещение её лучами Солнца, отражёнными от Земли). Луна обращается по орбите вокруг Земли, и тем самым угол между Землёй, Луной и Солнцем изменяется; мы наблюдаем это явление как цикл лунных фаз. Период времени между последовательными новолуниями в среднем составляет 29,5 дней (709 часов) и называется синодический месяц. То, что длительность синодического месяца больше, чем сидерического, объясняется движением Земли вокруг Солнца: когда Луна относительно звёзд совершает полный оборот вокруг Земли, Земля к этому времени проходит уже 1/13 часть своей орбиты, и чтобы Луна снова оказалась между Землёй и Солнцем, ей нужно дополнительно около двух суток.
Связь фаз Луны с её положением относительно Солнца и Земли. Зелёным цветом выделен угол, на который Луна повернётся с момента начала сидерического месяца до момента окончания синодического месяца. Хотя Луна и вращается вокруг своей оси, она всегда обращена к Земле одной и той же стороной, то есть вращение Луны вокруг Земли и вокруг собственной оси синхронизировано. Эта синхронизация вызвана трением приливов, которые производила Земля в оболочке Луны[14]. Согласно законам механики, Луна ориентирована в поле тяготения Земли так, что на Землю направлена большая полуось лунного эллипсоида.
Лунные либрации Явление либрации, открытое Галилео Галилеем в 1635 году, позволяет наблюдать около 52 % лунной поверхности. Дело в том, что вокруг Земли Луна обращается с переменной угловой скоростью вследствие эксцентриситета лунной орбиты (вблизи перигея движется быстрее, вблизи апогея медленнее), в то время как вращение спутника вокруг собственной оси равномерно. Это позволяет увидеть с Земли западный и восточный края обратной стороны Луны (оптическая либрация по долготе). Кроме того, в связи с наклоном оси вращения Луны к плоскости земной орбиты с Земли можно увидеть северный и южный края обратной стороны Луны (оптическая либрация по широте). Существует ещё физическая либрация, обусловленная колебанием спутника вокруг положения равновесия в связи со смещённым центром тяжести, а также в связи с действием приливных сил со стороны Земли. Эта физическая либрация имеет величину 0,02° по долготе с периодом 1 год и 0,04° по широте с периодом 6 лет. Из-за рефракции в атмосфере Земли при наблюдении Луны низко над горизонтом наблюдается приплюснутость её диска. Из-за неровностей рельефа на поверхности Луны во время полного солнечного затмения можно наблюдать чётки Бейли. Когда же, наоборот, Луна попадает в тень Земли можно наблюдать другой оптический эффект, она краснеет будучи подсвеченной рассеянным в атмосфере Земли светом.
