Луна

Луна - единственный естественный спутник Земли. Расстояние от Земли до Луны равно 384.4 тыс. км. Диаметр Луны равен 3474 км, немногим больше, чем четверть диаметра Земли. Соответственно, размер Луны по объему составляет только 2% от объема Земли. Из-за меньшей массы сила гравитации на Луне в 6 раз меньше чем, на Земле. Период обращения Луны вокруг Земли составляет 27.3 дней. По причине того, что Луна обладает достаточно большой массой и находится относительно близко к Земле, мы наблюдаем гравитационное взаимодействие между ними, в виде приливов и отливов. Приливы более заметны на побережьях океанов, где они достигают величины нескольких метров, также они существуют и в закрытых водоемах, и даже в земной коре. В результате приливов и отливов происходит потеря энергии в системе Земля-Луна из-за трения, возникающего между океанами и дном, и между земной корой и мантией. Эта потеря энергии ведет к тому, что сила взаимодействия между Землей и Луной постоянно снижается, этим и объясняется, что расстояние между Землей и Луной увеличивается примерно на 4 см каждый год.

Луна единственное небесное тело, на которое высадился человек. Первым искусственным объектом, который преодолел гравитацию Земли и пролетел рядом с Луной, была советская станция Луна 1. Первым спутником, достигшим поверхности Луны, была станция Луна 2. Первым спутником, сделавшим фотографии обратной стороны Луны, была станция Луна 3. Все эти три лунные программы были успешно завершены в 1959 году. Первая успешная мягкая посадка на Луну была произведена советской станцией Луна 9. Американская лунная программа «Аполлон» началась в начале 60х годов прошлого века с заявления президента Кеннеди, что США запустят человека на Луну до конца 60х годов. В результате этой программы США удалось осуществить 6 успешных полетов на Луну в промежутке между 1969 и 1972 годами. После завершения программы «Аполлон» исследования нашего естественного спутника фактически прекратились на период более 30 лет. Только в начале нашего века несколько стран, в числе которых Россия, США и Китай, заявили о начале своих лунных программ, результатами которых должно стать возращение человека на Луну.

Основные данные о Луне

Средний суточный параллакс Луны 57'02",61.
Среднее расстояние Луны от Земли 384 400 км.
Наибольшее удаление Луны от Земли в апогее 405 500 км.
Наименьшее удаление Луны от Земли в перигее 363 300 км.
Видимый угловой диаметр Луны на среднем расстоянии от Земли 31'05",16 = 1865", 16.
Наибольший видимый угловой диаметр Луны 32'53",5.
Наименьший видимый угловой диаметр Луны 29'28",1.
Диаметр Луны 3476,0 км = 0,2725 экв. диаметра Земли (примерно 3/11 земного).
Объем Луны 21,99·10⁹ км³ = 0,02 объема Земли (примерно 1/50 земного).
Площадь поверхности Луны 37,96·10⁶ км² = 0,074 площади поверхности Земли (примерно 1/14 земной).
Масса Луны 7.35·10²⁵ г. = 0,0123 массы Земли (1/81,30 земной).
Средняя плотность Луны 3,34 г/см³ = 0,607 средней плотности Земли.
Ускорение силы тяжести па поверхности Луны 1,623 м/с² = 0,166 земного (примерно 1/6 земного).
Первая космическая скорость для Луны 1,68 км/с.
Вторая космическая скорость для Луны (скорость освобождения) 2,38 км/с.
Средний эксцентриситет лунной орбиты 0,055 (линейный эксцентриситет 21 000 км).
Эксцентриситет лунной орбиты меняется от 0,044 до 0,072.
Наклон лунной орбиты к эклиптике 5°08'43",4.
Наклон лунной орбиты к эклиптике меняется от 5°17' до 4°59'.
Средний наклон лунного экватора к орбите 6°41'.
Наклон лунного экватора к орбите меняется от 6°51' до 6°31'.
Наклон лунного экватора к эклиптике 1°32'47".
Наклон лунной орбиты к земному экватору меняется от 18°18' до 28°36'.
Наибольшее значение либрании по долготе 7°54'.
Наибольшее значение либрации по широте 6°50'.
Параллактическая либрация около 1°.
Невидимая с Земли часть поверхности Луны составляет 41% всей лунной поверхности.
Либрационные зоны составляют 18% всей лунной поверхности.
Видимая угловая скорость движения Луны по небу 13°,2 в сутки (примерно 30' в час).
Средняя скорость движения Луны по орбите 1,023 км/с (примерно 3681 км/час).
Ускорение Луны в ее движении вокруг Земли 0,272 см/с².
Сидерический месяц, равный периоду вращения Луны, 27 сут. 07 час. 43 мин. 11,47 с = 27,321661 суток (примерно 655,7 час).
Синодический месяц, равный периоду смены фаз Луны (фазовому циклу), 29 сут. 12 час. 44 мин. 02,78 с = 29,5305882 суток (примерно 708,7 час).
Продолжительность синодического месяца меняется вследствие эллиптичности лунной орбиты от 29,25 сут. до 29,83 сут, (примерно на 13 час).
Тропический месяц 27,321582 суток.
Аномалистический месяц 27,554551 суток.
Драконический месяц 27,212220 суток.
Период вращения линии узлов 6798 сут. = 18,61 лет.
Период вращения линии апсид 3232 сут. = 8,85 лет.
Угловая скорость вращения линии апсид примерно 40° в год.
Максимум отраженного излучения Луны приходится примерно на длину волны 0,6 мкм.
Максимум собственного излучения Луны приходится примерно на длину волны 7 мкм.
Визуальная звездная величина Луны в истинное полнолуние — 12^m,91.
Освещенность от Луны на расстоянии Земля — Луна в истинное полнолуние 0,449 лк.
Геометрическое альбедо Луны в истинное полнолуние 0,147.
Фазовый интеграл Луны в системе истинного полнолуния 0,509.
Сферическое альбедо Луны в истинное полнолуние 0,075.
Средняя визуальная звездная величина Луны в полнолуние, наблюдаемая с Земли, —12^m,71 (полная Луна светит в 465 000 раз слабее Солнца).
Средняя яркость полной Луны, наблюдаемой с Земли, 0,251 сб.
Средняя освещенность, создаваемая полной Луной, находящейся в зените, на земной поверхности, перпендикулярной к направлению падающих лучей, 0,25 лк.
Среднее альбедо всей лунной поверхности 12,44%.
Среднее альбедо материковых областей Луны 13,45%.
Среднее альбедо морских областей Луны 7,30%. Показатель цвета Луны В — V = +1^m,2.
Среднее значение максимальной степени поляризации света лунной поверхностью (при фазовых углах 100—110°) 6—8%.
Максимальная степень поляризации материковых областей Луны 6,5-7,5%.
Максимальная степень поляризации морских областей Луны 12—16%.
Температура поверхности Луны в подсолнечной точке около + 130° С.
Температура поверхности Луны на ночной стороне около — 160 — 170° С.
Концентрация газов у поверхности Луны в дневное время на освещенной стороне 104 см^-3 (10^-13концентрации молекул газов в земной атмосфере).
Концентрация газов у поверхности Луны в ночное время (на темной стороне) 2·10⁵ см^-3.
Общая площадь морских образований на поверхности Луны составляет 16,9%.
Площадь морей на видимом полушарии Луны составляет 31,2% поверхности.
Площадь морей на обратном полушарии Луны составляет 2,6% поверхности.
Среднее отношение глубины к диаметру лунных кратеров 0,2.
Средняя толщина слоя реголита 2—3 м.
Возраст древних материковых пород Луны 4,3—4,6 млрд. лет.
Средний возраст лунных базальтов Имбирийской системы 3,7 млрд.лет.
Средний возраст лунных базальтов Эратосфеновской системы 3,2 млрд. лет.
Возраст кратера Коперник 0,85 млрд. лет.
Средняя мощность лунной коры на видимом полушарии 60 км.
Средняя мощность лунной коры на обратном полушарии 100 км.
Плотность анортозитовых пород Луны 2,9 г/см³.
Плотность базальтовых пород Луны 3,3 г/см³.

Две стороны Луны.

Две стороны Луны. Периоды обращения Луны вокруг собственной оси и вокруг Земли одинаковы, соответственно Луна обращена к Земле все время только одной стороной. Из-за особенности вращения Луны и Земли мы можем наблюдать около 59% поверхности Луны. Ту часть Луны, которая не видна наблюдателю с Земли, мы называем «обратной стороной» Луны. Обратная сторона Луны была впервые сфотографирована советской лунной станцией Луна 3 в 1959 году.

Лунные «океаны» и «моря»

Лунные «океаны» и «моря» Темные участки поверхности, которые мы можем видеть с Земли на поверхности Луны, мы называем «океанами» и «морями». Такие названия пришли из древности, когда древние астрономы думали, что Луна имеет моря и океаны, также как и Земля. На самом деле эти темные участки поверхности Луны сформировались в результате извержений вулканов и они заполнены базальтом, который темнее, чем окружающие его породы.

рис. слева - Луна как мы ее наблюдаем, справа - так если бы на Луне на самом деле были моря, океаны и атмосфера.

Лунные горы и плато

Лунные горы и плато На Луне присутствуют несколько горных цепей и плато. Они отличаются от лунных «океанов» более светлой окраской. Лунные горы, в отличии от гор на Земле, формировались в результате столкновений гигантских метеоритов с поверхностью, а не в результате тектонических процессов.

рис. Лунный "Кавказ"

Лунные кратеры

На поверхности Луны мы можем наблюдать свидетельства бомбардировки ее поверхности астероидами, кометами и метеоритами. Существует порядка полумиллиона кратеров размером более 1 км. Из-за отсутствия на Луне атмосферы, воды и значительных геологических процессов лунные кратеры фактически не подвергались изменениям и даже древние кратеры сохранились на ее поверхности. Самый большой кратер на Луне находится на обратной стороне Луны его размеры 2240 км в диаметре и 13 км глубиной.

Лунный реголит

Лунный реголит Поверхность Луны покрыта слоем породы, измельченной до пылеобразного состояния в результате бомбардировки метеоритами в течении миллионов лет. Эта порода называется реголит. По толщине слой реголита варьируется от 3 метров в районах лунных «океанов» до 20 м. на лунных плато.

Вода на Луне

Вода на Луне В образцах лунной породы доставленных на Землю астронавтами, участвовавших в миссии «Аполлон» и советскими луноходами, воды обнаружено не было. Хотя поверхность Луны подвергалась бомбардировке кометами с момента ее формирования, а как известно ядра комет состоят большей частью из льда. Соответственно в результате часть этого льда могла остаться на поверхности нашего спутника. Под действием солнечного излучения атомы воды должны были распасться на атомы водорода и кислорода и из-за слабой гравитации просто улетучиться в открытый космос. В результате картографирования поверхности Луны спутником Clementine, запущенным НАСА в 1994 году, были обнаружены кратеры в полярных районах Луны, которые все время находятся в тени, и в которых могла сохраниться вода. Из-за большой важности наличия воды для будущей колонизации Луны лунные базы планируется размещать именно в приполярных областях нашего спутника.

Внутреннее строение

Внутреннее строение Луна, как и Земля, состоит из ярко выраженных слоев: кора, мантия и ядро. Такая структура, как полагают, сформировалась сразу после формирования Луны - 4.5 миллиарда лет назад. Толщина лунной коры составляет, как полагают, 50 км. В толщине лунной мантии случаются луннотрясения, но в отличии от землетрясений, которые вызываются движением тектонических плит, лунотрясения вызваны приливными силами Земли. Ядро Луны, также как и земное ядро, состоит из железа, но его размер значительно меньше и составляет 350 км в радиусе. Средняя плотность Луны 3.3 г/см3.

Лунная атмосфера

японский лунный спутник Атмосфера нашего спутника сильно разряжена. Одним из источников лунной атмосферы являются газы которые выделяются из лунной коры, к таким газам относится газ радон. Другим источником газов в атмосфере Луны являются газы выделяющиеся при бомбардировке поверхности Луны микрометеоритами и солнечным ветром. Из-за слабого магнитного и гравитационного поля Луны почти все газы из атмосферы улетучиваются в открытый космос.

рис. Лунная атмосфера намного более разряжена чем атмосфера Земли.

Происхождение Луны

Происхождение Луны Существуют несколько теорий, объясняющих формирование Луны. Одной из первых теорий, которая объясняет процесс формирования Луны, была теория, что Луна была сформирована в результате действия центробежных сил на этапе формирования Земли. В результате действия этих сил часть земной коры была отброшена в открытый космос. Из этой части и сформировалась Луна. По причине того, что, как полагают ученые, за всю историю Земли, наша планета никогда не обладала достаточной скоростью вращения для подтверждения этой теории, такая точка зрения на процесс формирования Луны считается на данный момент устаревшей. Другая теория предполагает, что Луна сформировалась отдельно от Земли, а впоследствии была просто захвачена гравитационным полем Земли. Третья теория объясняет, что и Земля и Луна были сформированы из единого протопланетного облака и процесс их формирования проходил одновременно.

Хотя вышеприведенные три теории формирования Луны и объясняют ее происхождение, но все они содержат те или иные противоречия. Главенствующей теорией формирования Луны, на сегодняшний день, является теория гигантского столкновения прото-Земли с небесным телом размером с планету Марс.

рис. столкновение Земли с объектом размером с Марс и образование Луны

Система Земля - Луна

Система Земля - Луна Луна делает полный оборот вокруг Земли в течении 27.3 суток. Однако из-за вращения Земли вокруг Солнца наблюдатель на Земле может наблюдать циклическую смену лунных фаз только каждые 29.5 суток. Движение Луны вокруг Земли происходит в плоскости эклиптики, а не в плоскости земного экватора (большинство естественных спутников других планет вращаются в плоскости экватора своих планет).

Приливы, которые мы наблюдаем на Земле, происходят большей частью под воздействием Луны, Солнце оказывает только небольшое воздействие на эти процессы. Приливные процессы являются причиной постепенного удаления Луны от Земли, которое вызвано потерей углового момента в системе Земля – Луна. Расстояние между Землей и Луной увеличивается на 3.8 метра каждое столетие. Также, эти процессы отвечают за постепенное замедление вращения Земли вокруг своей оси, которое увеличивает продолжительность земных суток на 0.002 секунды в столетие.

Система Земля – Луна некоторыми учеными рассматривается не как система Планета – Спутник, а как двойная планета, поскольку размер и масса Луны достаточно велики. Диаметр Луны равен 3/4 диаметра Земли, а масса Луны составляет 1/81 массы Земли. В результате, вращение системы Земля – Луна происходит не вокруг центра Земли, а вокруг центра масс системы Земля – Луна, который находится на расстоянии 1700 км под поверхностью Земли.

рис. Земля и Луна

Наблюдения за Луной

Наблюдения за Луной В период полной Луны ее яркость составляет -12.6. Для сравнения яркость Солнца -26.8. Диск Луны, когда он находится ближе к горизонту, кажется для наблюдателя больше размером, хотя на самом деле, он меньше примерно на 1.5 % по сравнению с тем, когда Луна находится в зените. Объяснение этому феномену можно прочитать в статье лунная иллюзия.

Другим интересным оптическим эффектом является то, что Луна кажется нам почти абсолютно белой, хотя на самом деле, она отражает только 7% солнечного света, падающего на ее поверхность (примерно, как уголь). По причине того, что Луна является единственным объектом на небе такого размера, освещенным отраженным солнечным светом, и происходит оптический обман зрения и Луна кажется нам белой.

Также Луна может быть причиной различных атмосферных эффектов, также как и Солнце. Для примера, при наблюдении за Луной, когда между наблюдателем и Луной находятся тонкий слой облаков, мы можем наблюдать эффект гало.

Лунная иллюзия

Лунная иллюзия Лунная иллюзия - это оптическая иллюзия, когда Луна, наблюдаемая рядом с горизонтом, кажется больше, чем Луна, наблюдаемая высоко в небе. Такая же, оптическая иллюзия происходит и при наблюдении за Солнцем.

Типичным ошибочным объяснением этого эффекта является предположение, что атмосфера Земли играет роль своеобразной линзы, которая увеличивает видимый диаметр Луны.

Доказательством, что наблюдаемый эффект является только оптической иллюзией, могут служить фотографии сделанные при одних и тех же установках фотоаппарата, на таких фотографиях размер Луны будет одинаковым в не зависимости от того где находится Луна: высоко в небе или вблизи горизонта.

Существуют несколько различных теорий объясняющих этот эффект.

По одной из таких теорий, которая правда в данное время считается устаревшей. зрительный отдел мозга человека видит небо ни как полусферу, чем оно на самом деле является, а как плоскость. Когда мы наблюдаем облака, птиц или самолеты в небе, они кажутся наблюдателю меньше, когда они находятся вблизи горизонта, чем когда они находятся у нас над головой, поскольку видимый размер объектов уменьшается с увеличением расстояния. Луна, в отличии от земных объектов, когда находится вблизи горизонта имеет примерно такой же видимый угловой диаметр, как и когда она находится в зените, но человеческий мозг пытаясь компенсировать перспективные искажения видит диск Луны больше, чем он на самом деле. Такой эффект называется эффектом Эммерта: когда два объекта имеют одинаковый видимый размер, но один объект, находящийся дальше от наблюдателя, кажется больше.

По теории «относительного размера», которая в данное время принята большинством ученых, визуальный размер объекта наблюдения зависит в первую очередь от размера других объектов, которые мы наблюдаем одновременно. Таким образом, когда мы наблюдаем Луну близко к горизонту, в поле нашего зрения попадают и другие объекты, на фоне которых, Луна и кажется больше, чем она есть на самом деле.

История исследования Луны

Исследования Луны с помощью космических аппаратов начались 14 сентября 1959 года со столкновения автоматической станции Луна 2 с поверхностью нашего спутника. До этого момента единственным методом исследования Луны были наблюдения за Луной. Изобретение Галилеем телескопа в 1609 году было большим этапом в астрономии в частности в наблюдениях за Луной. Сам Галилей использовал свой телескоп для исследования гор и кратеров на лунной поверхности.

луноход С началом космической гонки между СССР и США в ходе холодной войны Луна была в центре космических программ, как СССР, так и США. С точки зрения США, высадка человека на Луну в 1969 году была кульминацией лунной гонки. С другой стороны, многие значительные научные вехи были пройдены Советским Союзом раньше США. Для примера, первые фотографии обратной стороны Луны были получены советским спутником в 1959 году.

Первым рукотворным объектом, достигшим Луны, была советская станция Луна 2. Обратная сторона Луны была сфотографирована станцией Луна 3 7 октября 1959 года. После этих и других достижений СССР в освоении космоса президент США Джон Кеннеди сформулировал основную задачу США в космосе, как высадку на Луну.

Несмотря на все усилия США, Советский Союз еще долгое время оставался лидером в исследованиях Луны. Станция Луна 9 первая совершила мягкую посадку на поверхность нашего естественного спутника. После посадки Луна 9 передала первые фотографии поверхности Луны. В результате посадки Луны 9 было доказана возможность безопасной посадки на Луну. Это было особенно важно поскольку до этого момента считалось, что поверхность Луны состоит из слоя пыли, который может составлять в толщину несколько метров и любой объект просто бы «утонул» в этом слое пыли. Первым искусственным спутником Луны также была советская станция Луна 10, запущенная 31 марта 1966 года.

Американская программа по пилотированному исследованию Луны называлась Аполлон. Первый практический результат она принесла 24 декабря 1968 года с облета космическим кораблем Аполлон 8 Луны. Человечество впервые ступило на поверхность Луны 20 июля 1969 года. Первым человеком оставившим свой след на Луне был Нейл Армстронг командир корабля Аполлон 11. Первым автоматическим роботом на поверхности Луны стал советский Луноход 1, который прилунился 17 ноября 1970 года. Последний человек побывал на Луне в 1972 году.

Образцы лунной породы были доставлены на Землю в рамках советской программы Луна автоматическими станциями Луна 16, 20 и 24. Также образцы лунной породы были доставлены на Землю астронавтами миссии Аполлон.

С середины 1960-х годов до середины 1970-х 65 рукотворных объектов достигли поверхности Луны. Но после станции Луна 26 исследования Луны фактически прекратились. Советский Союз переключил свои исследования на Венеру, а США на Марс.

Новейшие исследования Луны

Clementine В 1990 Япония запустила свой исследовательский зонд к Луне. Зонд Хитен вышел на окололунную орбиту, таким образом Япония стала третьей страной, осуществившей успешный запуск к Луне. Правда, по причине технических неполадок, данная миссия была осуществлена не в полном объеме.

Американское космическое агентство НАСА осуществило запуск миссии Clementine в 1994 году и Lunar Prospector в 1998 году.

Европейское космическое агентство в 2003 году запустило к Луне космический зонд SMART 1, главная задача которого заключалась в съемках поверхности Луны в рентгеновском и инфракрасном диапазонах

Будущие планы по освоению Луны

лунная база 14 Января 2004 президент США Джордж Буш обнародовал новую программу США по освоению космического пространства. Одним из этапов этой программы будет возращение человека на Луну в срок до 2020 года. Первым результатом этой программы должен стать запуск спутника Lunar Reconnaissance Orbiter в 2008 году, задачей которого будет составление детальной карты Луны и поиск воды в лунных кратерах.

Китай также заявил о своих амбициозных планах по исследованию Луны. В планы Китая входит запустить лунный спутник в 2007 году и осуществить высадку человека на Луну до 2020 года.

Япония готовится запустить два спутника к Луне: Selene в 2007 году и LUNAR-A в 2010 году. Япония также готовит высадку человека на луну к 2020 году и планирует строительство лунной базы к 2030 году.

Индия собирается запустить искусственный спутник Chandrayaan в 2008 году. Индия также планирует осуществить высадку на Луну к 2020 году.

В планы России входит возобновить замороженный ранее проект Луна-Глоб, запуск которого должен быть произведен в 2012 году.

Также Германия наметила на 2012 год запуск своего спутника к Луне.