У нашей планеты, в отличии от многих других, есть только один естественный спутник, который можно наблюдать ночами на небосклоне - это, конечно, Луна. Если не брать в расчет Солнце, то именно этот объект является самым ярким, который можно наблюдать с Земли.
Среди остальных спутников планет, спутник планеты Земля занимает пятое место по своей величине. На нем нет ни атмосферы, ни озер и рек. День и ночь сменяют друг друга здесь с периодичностью в две недели, при этом можно наблюдать перепад температуры равный в триста градусов. И она всегда повернута к нам только одной своей стороной, оставляя в загадках свою темную обратную сторону. Этот бледно-голубой объект ночного неба - Луна.
Лунная поверхность покрыта слоем реголита (песочной пыли черного цвета), который достигает на разных участках толщины от нескольких метров до нескольких их десятков. Лунный песок реголит возникает от постоянного падения метеоритов и дробления в состоянии вакуума, не защищенного под воздействием космических лучей.
Поверхность Луны неровная с множеством кратеров различного размера. На Луне есть как равнины, так и целые горы, выстроенные в цепочку, высота гор до 6 километров. есть предположение, что более 900 миллионов лет назад на Луне происходила вулканическая активность, об этом говорят найденные частицы грунта, образование которых могло быть в следствии извержений.
Сама по себе поверхность на Луне очень темная, несмотря на то, что в лунную ночь мы хорошо видим Луну на ночном небе. Лунная поверхность отражает чуть более семи процентов солнечных лучей. Даже с Земли можно наблюдать пятна на ее поверхности, которые по древнему ошибочному суждению, сохранили за собой название "море".
Луна и планета Земля
Луна всегда обращена к планете Земля одной стороной. На этой видимой с Земли стороне большую часть занимают равнинные пространства, которые называют моря. Моря на Луне занимают порядка шестнадцати процентов общей площади и представляют собой гигантские кратеры, которые появились после столкновения с другими космическими телами. Другая скрытая от Земли сторона Луны почти полностью испещрена горными цепями и кратерами от небольших до огромных размеров.
Влияние самого близкого к нам космического объекта Луны распространяется и на Землю. Так, типичным примером служат приливы и отливы морей, которые возникают из-за гравитационного притяжения спутника.
Происхождение Луны
По различным исследованиям между Луной и Землей есть много различий, в первую очередь в химическом составе: на Луне практически нет воды, относительно небольшое содержание летучих элементов, небольшая плотность в сравнении с Землей и маленькое ядро из железа и никеля.
Тем не менее радиометри́ческий анализ, по которому определяют возраст небесных объектов если в составе есть радиоактивный изотоп, показал, что возраст Луны такой же, как и у Земли 4,5 миллиарда лет. Соотношение стабильных изотопов кислорода у двух небесных объектов совпадает, при том, что у всех изученных метеоритов такие соотношения имеют сильные различия. Это говорит о том, что и Луна и Земля в далеком прошлом образовались из одного вещества, находящегося на одинаковом расстоянии от Солнца в до-планетном облаке.
Исходя из общего возраста, сочетания схожих свойств при сильном различии между двумя близкими объектами Солнечной системы выдвигается 3 гипотезы происхождения Луны:
- 1. Образование и Земли и Луны из одного до-планетного облака
- 2. Захват гравитацией Земли уже сформированный объект Луну
- 3. Образование Луны в следствии столкновения с Землей крупного космического объекта по размерам сопоставимого с планетой Марс.
Изучением бледно-голубого спутника Земли Луны занимались еще с глубокой древности. Например, среди греков особо известны размышления Архимеда по ее поводу. Подробно же описал Луну с ее характеристиками и возможными свойствами Галилей. Он увидел на поверхности Луны равнины похожие на "моря", горы и кратеры. А в 1651 году итальянский астроном Джованни Риччоли создал карту Луны, где подробно расписал лунный ландшафт видимой с Земли поверхности и ввел обозначения для многих частях рельефа Луны.
В XX веке интерес к Луне возрос при помощи новых технологических возможностей для исследования спутника Земли. Так 3 февраля 1966 года на поверхность Луны впервые совершил мягкую посадку советский аппарат Луна-9. Следующий аппарат Луна-10 стал первым искусственным спутником Луны, а спустя совсем немного времени 21 июля 1969 года на Луне впервые побывал человек. Наступила череда многих открытий в области селенографии и селенологии, которые совершили советские ученые и их американские коллеги из NASA. Затем к концу XX века интерес к Луне плавно поутих.
(Фотоснимок обратной стороны Луны, приземлившийся аппарат "Чаньэ-4" )
Китайский космический аппарат "Чаньэ-4" 3 января 2019 года успешно сел на поверхность обратной стороны луны, эта сторона постоянно обращенная в сторону от света излучаемого Земли и невидимая с поверхности планеты. Впервые обратная сторона лунной поверхности была сфотографирована советской станцией "Луна-3" 27 октября 1959 года, а спустя более полувека в начале 2019 года китайский аппарат "Чаньэ-4" сел на поверхность обратную от Земли.
Колонизация на Луне
Многие писатели и фантасты наравне с планетой Марс, рассматривают Луну, как объект для будущих колонизаций человеком. Несмотря на то, что это больше похоже на выдумку, американское агентство NASA всерьез задумалась над этим вопросом, поставив задачу разработать программу "Созвездие" по переселению людей на Лунную поверхность со строительством настоящей космической базы на Луне и разработки "межземле-лунных" космических перелетов. Однако, эта программа была приостановлена по решению президента США Барака Обамы из-за высокого финансирования.
Роботы-аватары на Луне
Тем не менее, в 2011 году NASA вновь предложила новую программу, на этот раз под названием "Аватары" по которой требовалось разработать и изготовить на Земле роботов-аватаров, которые затем будут доставлены на спутник Земли Луну с целью дальнейшей имитации проживания в лунных условиях человека с эффектом телеприсутствия. То есть управлять аватаром-роботом будет с Земли человек, полностью облачившись в костюм, который будет имитировать его присутствие на Луне в качестве робота-аватара, находящегося в реальных условиях на лунной поверхности.
Иллюзия большой Луны
Когда Луна находится низко над горизонтом Земли, возникает иллюзия, что ее размеры больше, чем есть на самом деле. При этом реальный угловой размер Луны не меняется, даже, напротив, чем ближе она к горизонту, тем угловой размер немного уменьшается. К сожалению, такой эффект трудно объясним и скорее относится к ошибке зрительного восприятия.
Есть ли времена года на Луне?
И на Земле, и на любой другой планете смена времен года происходит от наклона её оси вращения, при этом интенсивность смены времен года зависит от расположения плоскости орбиты планеты, будь то спутника вокруг Солнца.
Луна же имеет наклон своей оси вращения к плоскости эклиптики 88,5°, практически перпендикулярна. Поэтому на Луне с одной стороны почти вечный день, с другой стороны почти вечная ночь. А значит температура также в каждой части поверхности Луны своя и практически неизменна. При этом речи о смене времен года на Луне скорее не может быть, куда больше от простого отсутствия атмосферы.
Почему собаки лают на Луну?
Однозначного объяснения этому явлению нет, но скорее всего, по мнению некоторых ученых играет страх животного перед эффектом, схожим с Солнечным затмением от которого у многих животных появляется страх. Зрение собак и волков очень слабое и Луну в безоблачную ночь они воспринимают, как Солнце, путая ночь со днем. Слабый лунный свет и сама луна воспринимается ими, как тусклое Солнце и поэтому, видя Луну, они ведут себя также, как и при Солнечном затмении, воют и лают.
Лунный капитализм
В сказочном романе Николая Носова "Незнайка на Луне" Луна представляет собой спутник, возможно, искусственного происхождения, где внутри оказывается целый город - оплот современного капиталистического строя. Что интересно, детский рассказ не сколько кажется фантастическим, сколько социально-политическим не теряющим актуальность и в современное время, интересный и ребенку и взрослому.
Будучи единственным и естественно созданным спутником нашей планеты, находящимся всего лишь в трех днях пути, Луна всегда была объектом живого интереса со стороны как древних (первый лунный календарь появился у шумеров за два с половиной тысячелетия до новой эры), так и современных астрономов.
Несмотря на достаточно большой багаж сведений, полученных в ходе многочисленных научных экспериментов, исследований образцов лунного грунта и изучения бесчисленных фотографических снимков, Луна продолжает хранить немало любопытных загадок. Первая из них касается происхождения этой планеты.
Когда и как Земля обзавелась спутником? Пытаясь ответить на этот вопрос, ученые выдвинули множество предположений: и совершенно фантастических, и имеющих статус научных гипотез.
Гипотезы ученых
Наибольшей популярностью пользуются следующие теории:
- Сторонники гипотезы «захвата» считают, что, будучи одиноким небесным телом, Луна некогда просто блуждала по космическому пространству. Повстречавшись с Землей и не сумев преодолеть ее притяжения, она стала планетой-спутником. Противники данной гипотезы утверждают, что вышеописанный сценарий маловероятен в плане динамики. Приближение столь крупного космического тела к Земле могло бы закончиться лишь изменением траектории его движения, но никак не захватом.
- Долгое время считалось, что формирование обеих планет – из газопылевого облака – происходило одновременно.
- Есть предположение о том, что материалом для небесного тела, возникшего одновременно с Землей и растущего вместе с ней, были различные субстанции и обломки метеоритов, оказавшиеся в районе земной орбиты. Слабым звеном этой теории является кардинальная разница химического состава интересующих нас планет. Если следовать логике сторонников данной гипотезы, строение обоих небесных тел должно было стать идентичным.
- Наиболее правдоподобной представляется версия «гигантского столкновения», выдвинутая американскими астрономами Дональдом Дэвисом и Уильямом Хартманом, занимавшимися изучением проб лунного грунта. Согласно этой теории более четырех миллиардов лет назад произошло столкновение двух протопланет: Геи (будущей Земли) и Тейи (огромного космического тела, габариты которого сравнимы с размерами Марса). Скорость столкновения была такова, что в результате удара, нанесенного по касательной, протопланета Тейя разлетелась на части, которые вместе со значительным куском расплавленной земной мантии (как полагают, место образовавшейся впадины сейчас занимает Тихий океан) оказались выброшенными в область околоземной орбиты. Из этих веществ и осколков примерно через десять лет после катастрофы сформировалась новая протопланета, начавшая вращаться вокруг Земли. Несмотря на большое количество недочетов, гипотезу модели ударного формирования Луны сейчас принято считать основной.
- Существует еще одна теория, предложенная в 1960 году советскими учеными Александром Щербаковым и Михаилом Васиным, считавшими, что Луна является искусственным созданием высокоразвитой цивилизации.
Характеристика поверхности Луны
Фото из космоса
Особенности лунного рельефа, изборожденного множеством кратеров (углублений, появляющихся в местах столкновения метеоритов с поверхностью Луны), объясняются почти полным отсутствием атмосферы.
Практически вся ее поверхность покрыта слоем реголита, состоящего из смеси мелких и очень грубых пылевых частиц и осколков скальных пород, образовавшегося за тысячелетия метеоритных бомбардировок. Толщина лунного грунта, имеющего запах жженого пороха, неравномерна: от считанных сантиметров до нескольких десятков метров. После каждого падения метеорита реголит рыхлится и перемешивается, а его частицы, спекаясь, уплотняются.
Размеры кратеров варьируют в широких пределах: от незначительных до колоссальных. Так, диаметр самого крупного кратера Эйткен, расположенного на Южном полюсе планеты, составляет 2500 км. Помимо кратеров на поверхности Луны есть целый ряд геологических объектов, представленных куполовидными складками, мариями, грабенами, бороздами и хребтами.
Климатические условия и гравитация
На поверхности Луны – в связи с крайней разреженностью ее газовой оболочки – наблюдается значительный перепад температур: от -150 до +120 градусов, зависящий от освещенности этого небесного тела. В это же время температура скальных пород, залегающих в одном метре от лунной поверхности, является постоянной величиной, равной -35 градусам.
Гравитация Луны составляет лишь шестую часть гравитационного притяжения Земли, вследствие чего она не способна удержать даже газы, выступающие из ее недр: они попросту улетают в космическое пространство. Этим и объясняется отсутствие нормальной атмосферы.
В связи с низкой гравитацией человеку, приобретающему в условиях вакуума повышенную инерцию, быстро передвигаться по лунной поверхности или изменять направление движения достаточно сложно.
Расстояние от Земли до Луны
Среднее расстояние (с учетом эллиптической формы лунной орбиты) между двумя планетами – 384 465 км. «Средним» оно является потому, что складывается из расстояния между Луной и Землей, находящейся:
- в перигее (самой ближайшей к Земле точке), равного 357 000 км;
- в апогее (самой дальней точке), равного 406 000 км.
Таким образом, расстояние между интересующими нас небесными телами все время меняется в пределах нескольких десятков километров. Именно этим обстоятельством объясняется значительная разница в размерах земного спутника. При нахождении в апогее он кажется на 30% ярче и на 15% крупнее, чем в перигее.
Какое влияние Луна оказывает на Землю?
Близкое расположение Луны является причиной:
- Периодических солнечных затмений (частичных, полных и кольцевидных), характеризующихся выстраиванием Солнца, Земли и Луны в одну линию, когда лунный диск на несколько минут загораживает дневное светило. Частота этих явлений такова, что за столетие может произойти примерно 240 затмений.
- Приливов и отливов, обусловленных влиянием гравитационных сил, причем влияние планет является обоюдным. Приближаясь к Земле, ее спутница провоцирует возникновение приливной волны. Неоднородность гравитационного воздействия, оказываемого на разные участки земной поверхности, порождает определенную периодичность этого природного явления. Установлено, что в течение суток на Земле происходит по два цикла приливов и отливов.
Зачем американцы летали на Луну?
К концу 1972 года в рамках программы «Аполлон» на Луне побывали 12 американских астронавтов. Они провели на поверхности планеты в общей сложности 80 часов, доставили на Землю почти 400 кг скальных пород и лунного грунта.
Благодаря использованию двухместных электромобилей, позволивших расширить радиус исследования, американцам удалось проехать свыше 100 км.
Главной целью программы «Аполлон» было выполнение широкого спектра геологических изысканий и доставка образцов лунной почвы.
Интересные факты о спутнике Земли
Википедия о Луне
В Википедии размещен крайне любопытный материал, охватывающий все аспекты современных знаний о загадочной спутнице нашей планеты: от этимологии ее названия до истории исследования и проектов колонизации.
Тема спутника Луны касается нашей жизни на планете Земля. О Луне много сказано, но многое предстоит еще узнать.
Если Вы пишете доклад, сочинение или реферат на эту тему, не забывайте, что жизнью на планете мы обязаны самой природе возникновения Вселенной, и нашему естественному спутнику Земли.
Среднее расстояние между центрами Земли и Луны - 384 467 км (0,002 57 а. е., ~ 30 диаметров Земли).
Видимая звёздная величина полной Луны на земном небе −12,71m. Освещённость, создаваемая полной Луной возле поверхности Земли при ясной погоде, составляет 0,25 - 1 лк.
Луна является единственным астрономическим объектом вне Земли, на котором побывал человек.
Название
Слово луна восходит к праслав. *luna < пра-и.е. *louksnā́ «светлая» (ж. р. прилагательного *louksnós), к этой же индоевропейской форме восходит и лат. lūna «луна». Греки называли спутник Земли Селеной (др.-греч. Σελήνη), древние египтяне - Ях (Иях).
Луна как небесное тело
Орбита
С древних времён люди пытались описать и объяснить движение Луны. Со временем появлялись 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 эти расчёты с ещё большей точностью. Методами лазерной локации расстояние до Луны измеряется с ошибкой в несколько сантиметров. Такую точность имеют не только измерения, но и теоретические предсказания положения Луны; для таких расчётов используются выражения с десятками тысяч членов и не существует предела их количества, 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 сложное, при его расчёте необходимо учитывать множество факторов, например, сплюснутость Земли и сильное влияние Солнца, которое притягивает Луну в 2,2 раза сильнее, чем Земля. Более точно движение Луны вокруг Земли можно представить как сочетание нескольких движений:
обращение 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 узлы (точки пересечения орбиты с эклиптикой) смещаются на запад, делая полный оборот за 18,6 лет. Это движение является прецессионным;
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), таким образом, её орбита представляет собой медленно раскручивающуюся спираль.
Общее строение
Луна состоит из коры, верхней мантии (астеносферы), средней мантии, нижней мантии 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.
Толщина коры Луны меняется в широких пределах от 0 до 105 км. По данным со спутников гравитационной разведки GRAIL, толщина лунной коры больше на том полушарии, которое обращено к Земле.
Условия на поверхности Луны
Атмосфера Луны крайне разрежена. Когда поверхность не освещена Солнцем, содержание газов над ней не превышает 2,0·10 5 частиц/см³ (для Земли этот показатель составляет 2,7·10 19 частиц/см³), а после восхода Солнца увеличивается на два порядка за счёт дегазации грунта. Разрежённость атмосферы приводит к высокому перепаду температур на поверхности Луны (от −160 °C до +120 °C), 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 горизонтом.
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 при наблюдении с Луны в 3,7 раз больше, чем лунный при наблюдении с Земли, а закрываемая Землёй 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 −16 m .
Гравитационное поле
Гравитационный потенциал Луны традиционно записывают как сумму трёх слагаемых:
где δW - приливный потенциал, Q - центробежный потенциал, V - потенциал притяжения. Потенциал притяжения обычно раскладывают по зональным, секторальным и тессеральным гармоникам:
где P n m - присоединённый полином Лежандра, G - гравитационная постоянная, M - масса Луны, λ и θ - долгота и широта.
Приливы и отливы
Гравитационное влияние Луны вызывает на Земле некоторые интересные эффекты. Наиболее известный из них - морские приливы и отливы. На противоположных сторонах Земли образуются (в первом приближении) две выпуклости - со стороны, обращённой к Луне, и с противоположной ей. В мировом океане этот эффект выражен намного сильнее, чем в твёрдой коре (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 обращения 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 величина силы тяготения Солнца почти в 200 раз больше, чем силы тяготения Луны, прили́вные силы, порождаемые Луной, почти вдвое больше порождаемых Солнцем. Это происходит из-за того, что приливные силы зависят не только от величины гравитационного поля, а ещё и от степени его неоднородности. При увеличении расстояния от источника поля неоднородность уменьшается быстрее, чем величина самого поля. Поскольку Солнце почти в 400 раз дальше от Земли, чем Луна, то приливные силы, вызываемые солнечным притяжением, оказываются слабее.
Магнитное поле
Считается, что источником магнитного поля планет является тектоническая активность. Например, у Земли поле создаётся движением расплавленного металла в ядре, у - последствиями прошлой активности.
«Луна-1» в 1959 году установила отсутствие однородного магнитного поля на Луне. Результаты исследований учёных Массачусетского технологического института подтверждают гипотезу, что у неё было жидкое ядро. Это укладывается в рамки самой популярной гипотезы происхождения Луны - столкновение Земли примерно 4,5 миллиарда лет назад 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.
Наблюдение Луны с Земли
Связь фаз Луны с её положением относительно Солнца и Земли. Зелёным цветом выделен угол, на который Луна повернётся с момента окончания сидерического месяца до момента окончания синодического месяца.
В южном полушарии Луна - перевернутая, как на этом австралийском снимке.
Угловой диаметр Луны очень близок к солнечному и составляет около половины градуса. Луна с Земли выглядит бело-желтой, хотя отражает только 7 % падающего на неё солнечного света (примерно как древесный уголь). 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.
Лунные либрации
Хотя Луна и вращается вокруг своей оси, она всегда обращена к Земле одной и той же стороной, то есть обращение Луны вокруг Земли и вращение вокруг собственной оси синхронизировано. Эта синхронизация вызвана трением приливов, которые производила Земля в оболочке Луны. Согласно законам механики, Луна ориентирована в поле тяготения Земли так, что на Землю направлена большая полуось лунного эллипсоида.
Явление либрации, открытое Галилео Галилеем в 1635 году, позволяет наблюдать около 59 % 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.
Время (1,255 секунды), за которое свет, пущенный с Земли, достигает Луны. Рисунок выполнен в масштабе.
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.
Селенология
Радиальная гравитационная аномалия на поверхности Луны.
Благодаря её размеру и составу Луну иногда относят к планетам земной группы наряду с Меркурием, Венерой, Землёй и Марсом. Изучая геологическое строение Луны, можно многое узнать о строении и развитии Земли.
Толщина коры Луны в среднем составляет 68 км, изменяясь от 0 км под лунным морем Кризисов до 107 км в северной части кратера Королёва на обратной стороне. Под корой находится мантия и, возможно, малое ядро из сернистого железа (радиусом приблизительно 340 км и массой, составляющей 2 % массы Луны). Любопытно, что центр масс Луны располагается примерно в 2 км от геометрического центра по направлению к Земле. По результатам миссии «Кагуя» было установлено, что в Море Москвы толщина коры наименьшая для всей Луны - почти 0 метров под слоем базальтовой лавы толщиной 600 метров.
Измерения скорости спутников «Лунар Орбитер» позволили создать гравитационную карту Луны. С её помощью были обнаружены уникальные лунные объекты, названные масконами (от англ. mass concentration) - это массы вещества повышенной плотности.
Луна не имеет магнитного поля, хотя некоторые из горных пород на её поверхности проявляют остаточный магнетизм, что указывает на возможность существования магнитного поля Луны на ранних стадиях развития.
Не имеющая ни атмосферы, ни магнитного поля, поверхность Луны подвержена непосредственному воздействию солнечного ветра. В течение 4 млрд лет водородные ионы из солнечного ветра внедрялись в реголит Луны. Таким образом, образцы реголита, доставленные миссиями «Аполлон», оказались очень ценными для исследования солнечного ветра.
В феврале 2012 года американские астрономы обнаружили на обратной стороне Луны несколько геологических новообразований. Это свидетельствует о том, что лунные тектонические процессы продолжались ещё как минимум 950 миллионов лет после предполагаемой даты геологической «смерти» Луны.
Пещеры
Японским зондом Кагуя обнаружено отверстие в поверхности Луны, расположенное недалеко от вулканического плато Холмы Мариуса, предположительно ведущее в тоннель под поверхностью. Диаметр отверстия составляет около 65 метров, а глубина, предположительно, 80 метров.
Учёные считают, что подобные тоннели сформированы путём затвердевания потоков расплавленной породы, где в центре застыла лава. Данные процессы происходили в период вулканической активности на Луне. Подтверждением данной теории является наличие извилистых борозд на поверхности спутника.
Подобные тоннели могут послужить для колонизации, благодаря защите от солнечной радиации и замкнутости пространства, в котором проще поддерживать условия жизнеобеспечения.
Похожие отверстия имеются и на Марсе.
Сейсмология
Оставленные на Луне экспедициями «Аполлон-12», «Аполлон-14», «Аполлон-15» и «Аполлон-16» четыре сейсмографа показали наличие сейсмической активности. Исходя из последних расчетов учёных, лунное ядро состоит главным образом из раскалённого железа. Из-за отсутствия воды колебания лунной поверхности продолжительны по времени, могут длиться более часа.
Лунотрясения можно разделить на четыре группы:
приливные, случаются дважды в месяц, вызваны воздействием приливных сил Солнца и Земли;
тектонические - нерегулярные, вызваны подвижками в грунте Луны;
метеоритные - из-за падения ;
термальные - их причиной служит резкий нагрев лунной поверхности с восходом Солнца.
Наибольшую опасность для возможных обитаемых станций представляют тектонические лунотрясения. Сейсмографами НАСА за 5 лет исследований было зарегистрировано 28 подобных лунотрясений. Некоторые из них достигают 5,5 баллов по шкале Рихтера и длятся более 10 минут. Для сравнения на Земле подобные землетрясения длятся не более двух минут.
Вода на Луне
Впервые сведения об обнаружении воды на Луне были опубликованы в 1978 году советскими исследователями в журнале «Геохимия». Факт был установлен в результате анализа образцов, доставленных «Луна-24» в 1976 году. Процент найденной в образце воды составил 0,1.
В июле 2008 года группа американских геологов из Института Карнеги и Университета Брауна обнаружила в образцах грунта Луны следы воды, в большом количестве выделявшейся из недр спутника на ранних этапах его существования. Позднее бо́льшая часть этой воды испарилась в космос.
Российские учёные, с помощью созданного ими прибора LEND, установленного на зонде LRO, выявили участки Луны, наиболее богатые водородом. На основании этих данных НАСА выбрало место для проведения бомбардировки Луны зондом LCROSS. После проведения эксперимента, 13 ноября 2009 года НАСА сообщило об обнаружении в кратере Кабеус в районе южного полюса воды в виде льда.
Согласно данным, переданным радаром Mini-SAR, установленном на индийском лунном аппарате Чандраян-1, всего в регионе северного полюса обнаружено не менее 600 млн. тонн воды, большая часть которой находится в виде ледяных глыб, покоящихся на дне лунных кратеров. Всего вода была обнаружена в более чем 40 кратерах, диаметр которых варьирует от 2 до 15 км. Сейчас у учёных уже нет никаких сомнений в том, что найденный лёд - это именно водный лёд.
Химия лунных пород
Карта концентрации тория на поверхности Луны согласно данным Lunar Prospector.
Состав лунного грунта существенно отличается в морских и материковых районах Луны. Лунные породы обеднены железом, водой и летучими компонентами.
Плотность лунных пород составляет в среднем 3,343 г/см3, что заметно уступает средней плотности для Земли (5,518 г/см3). Это различие связано главным образом с тем, что уплотнение вещества с глубиной проявляется на Земле значительно заметнее, чем на Луне. Имеются и различия в минералогическом составе лунных и земных пород: содержание оксидов железа в лунных базальтах на 25%, а титана - на 13% выше, чем в земных. "Морские" базальты на Луне отличаются повышенным содержанием оксидов алюминия и кальция и относительно более высокой плотностью, что связывают с их глубинным происхождением.
Для исследования строения Луны использовались сейсмические методы. В настоящее время картина этого строения разработана довольно детально. Принято считать, что недра Луны можно разделить на пять слоев.
Поверхностный слой - лунная кора (ее толщина меняется от 60 км на видимой с Земли половине Луны до 100 км - на невидимой) - имеет состав, близкий к составу "материков". Под корой располагается верхняя мантия - слой толщиной около 250 км. Еще глубже - средняя мантия толщиной порядка 500 км; полагают, что именно в этом слое в результате частичного выплавления формировались "морские" базальты. На глубинах порядка 600-800 км располагаются глубокофокусные лунные сейсмические очаги. Нужно, однако, отметить, что естественная сейсмическая активность на Луне невелика.
На глубине около 800 км кончается литосфера (твердая оболочка) и начинается лунная астеносфера - расплавленный слой, в котором, как и в любой жидкости, могут распространяться только продольные сейсмические волны. Температура верхней части астеносферы порядка 1200 К.
На глубине 1380-1570 км происходит резкое изменение скорости продольных волн - здесь проходит граница (довольно размытая) пятой зоны - ядра Луны. Предположительно, это относительно небольшое ядро (на его долю приходится не более 1% массы Луны) состоит из расплавленного сульфида железа.
Поверхностный довольно рыхлый слой Луны состоит из пород, раздробленных постоянным потоком падающих на нее твердых тел - от микрометеоритов и пыли до крупных частиц - многотонных метеоритов и астероидов.
Над поверхностью Луны газовая атмосфера как таковая отсутствует, так как не может удерживаться Луной вследствие ее малой массы. В результате даже легчайшие атомы при средних тепловых скоростях способны преодолевать притяжение Луны. Поэтому плотность газа над Луной по крайней мере на 12 порядков меньше плотности приземной атмосферы (хотя и заметно выше плотности межзвездного газа).
Самый верхний слой представлен корой, толщина которой, определенная только в районах котловин, составляет 60 км. Весьма вероятно, что на обширных материковых площадях обратной стороны Луны кора приблизительно в 1,5 раза мощнее. Кора сложена изверженными кристаллическими горными породами - базальтами. Однако по своему минералогическому составу базальты материковых и морских районов имеют заметные отличия. В то время как наиболее древние материковые районы Луны преимущественно образованы светлой горной породой - анортозитами (почти целиком состоящими из среднего и основного плагиоклаза, с небольшими примесями пироксена, оливина, магнетита, титаномагнетита и др.), кристаллические породы лунных морей, подобно земным базальтам, сложены в основном плагиоклазами и моноклинными пироксенами (авгитами).
Под корой расположена мантия, в которой, подобно земной, можно выделить верхнюю, среднюю и нижнюю. Толщина верхней мантии около 250 км, а средней примерно 500 км, и ее граница с нижней мантией расположена на глубине около 1000 км. До этого уровня скорости поперечных волн почти постоянны, и это означает, что вещество недр находится в твердом состоянии, представляя собой мощную и относительно холодную литосферу, в которой долго не затухают сейсмические колебания. Состав верхней мантии предположительно оливинпироксеновый, а на большей глубине присутствуют шницель и встречающийся в ультраосновных щелочных породах минерал мелилит.
На границе с нижней мантией температуры приближаются к температурам плавления, отсюда начинается сильное поглощение сейсмических волн. Эта область представляет собой лунную астеносферу. В самом центре, по-видимому, находится небольшое жидкое ядро радиусом менее 350 километров, через которое не проходят поперечные волны. Ядро может быть железо-сульфидным либо железным; в последнем случае оно должно быть меньше, что лучше согласуется с оценками распределения плотности по глубине. Его масса, вероятно, не превышает 2% от массы всей Луны. Температура в ядре зависит от его состава и, видимо, заключена в пределах 1300 - 1900 К.
В недрах Луны содержится металлическое ядро! К такому выводу пришли Рене Уэбер из Маршалловского центра космических полетов НАСА и Рафаэль Гарсиа из Университета Тулузы, повторно исследовав данные, полученные во время лунной миссии "Аполлон" в конце 60-х — начале 70-х годов. Возможно, открытие прольет новый свет на эволюцию спутника Земли.
В рамках космической программы "Аполлон" на Луну были доставлены четыре сейсмометра, которые фиксировали сейсмическую активность небесного тела вплоть до 1977 года. Оказалось, что сейсмические толчки на Луне происходят гораздо реже, чем на Земле. При этом, так как поверхность земного спутника испещрена кратерами, оставшимися от столкновений с мелкими космическими телами, это искажает сигналы приборов и делает колебания лунной коры не такими заметными.
Долгое время информация, полученная с Луны посредством сейсмических датчиков, считалась практически бесполезной для ученых. Однако за последние сорок лет методы анализа сейсмоданных существенно изменились. Кроме того, Уэбер и Гарсиа сумели учесть "погрешность", возникающую из-за кратеров. В итоге они пришли к выводу, что Луна, так же как и Земля, имеет раскаленное металлическое ядро. Диаметр его составляет примерно 330—360 километров, оно окружено частично расплавленной оболочкой диаметром примерно 480 километров. Внутри ядра, в свою очередь, находится твердая железная сердцевина диаметром примерно 240 километров.
"Мы применили надежные методы сейсмологии для обработки этого набора данных, в результате чего были впервые получены прямые свидетельства о лунном ядре", — заявил космолог Рене Уэбер.
Исследователи также проанализировали сейсмограммы путем обработки данных по группам, что позволило определить источник возникновения сейсмической активности. Определив траектории прохождения сейсмических волн и особенности их отражения от внутренних слоев Луны, они смогли идентифицировать состав и структуру слоев лунного ядра на различных глубинах.
Ученые считают, что благодаря большому количеству железа в недрах Луна обладает мощным магнитным полем. Хотя лунное ядро во многом аналогично земному, их структура все-таки различается. Как мы знаем, у земного ядра имеется твердый внутренний и наружный жидкий слой. А в ядре Луны имеется еще и твердый третий слой, пограничный между мантией и внешней жидкой ядерной оболочкой.
Луна, как полагают астрофизики, сформировалась примерно 4,5 миллиарда лет назад в результате столкновения Земли с крупным космическим объектом размером с планету Марс. Гипотетически этот толчок "выбил" из Земли кусок, состоящий из коры расплавленной мантии, который позднее и превратился в Луну. Причем исследования, проведенные на Кольской сверхглубокой скважине, установили, что состав пород полуострова практически на 90 процентов совпадает с таковым лунных пород. Получается, что это произошло в том месте, где располагались слои коры, в последующем составившие Кольский полуостров.
До недавнего времени считалось, что Луна — "холодное" небесное тело, однако загадкой для ученых являлось наличие на ней слабого (остаточного) магнитного поля. Дело в том, что, как гласят научные теории, его источником у планет является тектоническая активность. К примеру, у Земли оно создается путем движения расплавленного металла в ядре.
В 1959 году было установлено, что магнитное поле Луны неоднородно. Как показали исследования ученых из Массачусетского технологического института, у Луны на раннем этапе ее существования имелось жидкое ядро, а ее магнитное поле было аналогично земному.
Теперь этот феномен, похоже, найдет разъяснение. Кроме того, так как мантия Луны, судя по всему, тоже раскалена и в ней происходит конвекция вещества (подробнее об этом читайте в статье "Вулканы — уровень тревоги растет "), то на нашем спутнике может присутствовать вулканическая активность. Действительно, японский зонд Кагуя обнаружил на поверхности Луны, неподалеку от плато Холмы Мариуса, отверстие диаметром около 65 метров и глубиной около 80 метров. По мнению ученых, это может указывать на существование на спутнике Земли тоннелей, проложенных затвердевшими потоками вулканической лавы. Данную гипотезу подтверждает и наличие извилистых борозд непонятного происхождения на поверхности спутника.
Результаты исследований были представлены на недавней конференции Американского астрофизического союза. Ее участники отметили, что знания о составе лунного ядра также помогут лучше понять, как формировалась наша Земля и как она станет эволюционировать в будущем.
