Луна

Даже невооруженным глазом на Луне  видны неправильные темноватые протяжённые пятна, которые были приняты за  моря; название сохранилось, хотя и было  установлено, что эти образования ничего общего с земными морями не имеют.  Телескопические наблюдения, которым положил начало в 1610 Г. Галилей, позволили обнаружить гористое строение поверхности Луны. Выяснилось, что моря - это равнины более темного оттенка, чем другие  области, иногда называемые континентальными (или материковыми), изобилующие горами, большинство которых имеет кольцеобразную форму (кратеры). Обширные светлые участки лунной поверхности, называемые материками, занимают около 60% видимого с Земли диска. Это неровные, гористые районы. Остальные 40% поверхности – моря, ровные гладкие области. Материки пересечены горными хребтами. Они расположены главным образом вдоль «побережий» морей. Наибольшая высота лунных гор достигает 9 км.

 По многолетним наблюдениям были составлены подробные карты Луны. Первые такие карты издал в 1647 Я. Гевелий в Ланцете (Гданьск). Сохранив термин “моря”, он присвоил названия также и главнейшим лунным хребтам - под аналогичным земным образованием: Апеннины, Кавказ, Альпы. Дж. Риччоли  в 1651 дал обширным темным низменностям фантастические названия: Океан Бурь, Море Кризисов, Море Спокойствия, Море Дождей и так далее, меньше примыкающие к морям темные области он назвал заливами, например, Залив Радуги, а небольшие неправильные пятна - болотами, например Болото Гнили. Отдельные горы, главным образом кольцеобразные, он назвал именами выдающихся ученых: Коперник, Кеплер, Тихо Браге и другими. Эти названия сохранились на лунных картах и поныне, причем добавлено много новых имен выдающихся людей, ученых более позднего времени. На картах обратной стороны Луны, составленных по наблюдениям, выполненным с космических зондов и искусственных спутников Луны, появились имена К. Э. Циолковского, С. П. Королева, Ю. А. Гагарина и других. Подробные и точные карты Луны были составлены по телескопическим наблюдениям в 19 веке немецкими астрономами И. Медлером, Й. Шмидтом и др. Карты составлялись в ортографической проекции для средней фазы либрации, то есть  примерно такими, какой Луна видна с Земли. В конце 19 века начались фотографические наблюдения Луны.

В 1896-1910 большой атлас Луны был издан французскими астрономами М. Леви и П. Пьезе по фотографиям, полученным на Парижской обсерватории; позже фотографический альбом Луны издан Ликской обсерваторией в США, а в середине 20 века Дж. Койпер (США) составил несколько детальных атласов фотографий Луны, полученных на крупных телескопах разных астрономических обсерваторий. С помощью современных телескопов  на Луне можно заметить, но не рассмотреть кратеры размером около 0,7 километров и трещины шириной в первые сотни метров.

Обратная сторона Луны имеет  определенные отличия от стороны, обращенной к Земле. Низменные районы на обратной стороне Луны представляют собой  не темные, а светлые области, и  они, в отличие от обычных морей, были названы талассоидами (мореподобными). На видимой с Земли стороне низменности залиты темной лавой; на обратной стороне этого не произошло, за исключением отдельных участков. Пояс морей продолжается на обратной стороне талассоидами. Несколько небольших темных областей (подобных обычным морям), найденных на обратной стороне, расположены в центре талассоидов.

Атмосферы на Луне нет. Небо над Луной  всегда черное, даже среди дня, потому что для рассеивания солнечного света и образования голубого неба, как на Земле, необходим воздух, который там отсутствует. Звуковые волны в вакууме не распространяются, так что на Луне царит полная тишина. Погоды тоже нет; дождь, реки и лед не формируют лунного ландшафта, как это происходит на нашей планете. В дневное время температура лунной поверхности под прямыми лучами Солнца поднимается значительно выше точки кипения воды. Чтобы защититься от невыносимой жары, люди, прибывшие на Луну для проведения исследований, носят специальные космические костюмы, внутри которых находится воздух и поддерживается привычные для человека физические параметры. А по ночам температура на Луне падает до 150⁰ ниже точки замерзания воды.

  Астрономические наблюдения  указывают на пористый характер  лунного поверхностного материала.  Образцы доставленного на Землю  лунного грунта похожи по составу на земные породы. Моря сложены из базальтов, континенты из анортозитов (силикатная порода, обогащенная окислами алюминия). Встречается особый тип пород, обогащенных калием и редкоземельными элементами. Возраст лунных изверженных горных пород очень велик, их кристаллизация происходила четыре миллиарда лет назад, наиболее древние образцы имеют возраст 4,5 миллиарда лет. Характер лунной поверхности (наличие оплавленных частиц и обломков) свидетельствуют о непрерывной метеоритной бомбардировке, но скорость разрушения ею поверхности невелика, около 10 ^–7 см/год. 

6. Лунный грунт

Всюду, где совершали посадки  космические аппараты, Луна покрыта  так называемым  реголитом. Это  разнозернистый обломочно-пылевой  слой толщиной от нескольких метров  до нескольких десятков метров. Он возник в результате дробления, перемешивания и спекания лунных пород при падениях метеоритов и микрометеоритов. Вследствие воздействия солнечного ветра реголит насыщен нейтральными газами. Среди обломков реголита найдены частицы метеоритного вещества. По радиоизотопам было установлено, что некоторые обломки на поверхности реголита находились на одном и том же месте десятки и сотни миллионов лет. Среди образцов, доставленных на Землю, встречаются породы двух типов: вулканические (лавы) и породы, возникшие за счет раздробления и расплавления лунных образований при падениях метеоритов. Основная масса вулканических пород сходна с земными базальтами. По-видимому, такими породами сложены все лунные моря. Кроме того, в лунном грунте встречаются обломки иных пород, сходных с земными и так называемым  KREEP - порода, обогащенная калием, редкоземельными элементами и фосфором. Очевидно, эти породы представляют собой обломки вещества лунных материков. “Луна-20” и “Аполлон-16”, совершившие посадки на лунных материках, привезли оттуда породы типа анортозитов. Все типы пород  образовались в результате длительной эволюции в недрах Луны. По ряду признаков лунные породы отличаются от земных: в них очень мало воды, мало калия, натрия и других летучих элементов, в некоторых образцах очень много титана и железа. Возраст этих пород, определяемый по соотношениям радиоактивных элементов, равен 3 - 4.5 млрд. лет, что соответствует древнейшим периодам развития Земли.

7. Возраст луны

Изучая радиоактивные вещества, содержащиеся в лунных породах, ученые сумели вычислить возраст Луны. Например, уран медленно превращается в свинец. В кусочке урана-238 половина атомов превращается в атомы свинца за 4,5 млрд. лет. Таким образом, измерив пропорцию урана и свинца, содержащихся в породе, можно вычислить ее возраст: чем больше свинца, тем она старше. Камни на Луне стали твердыми около 4,4 млрд. лет назад. Луна сформировалась, по-видимому, незадолго до этого; ее наиболее вероятный возраст – около 4,65 млрд. лет. Это согласуется с возрастом метеоритов, а также с оценками возраста Солнца.

8. Фазы луны

Луна видна только в той части, куда падают солнечные лучи, либо лучи, отраженные Землей. Этим объясняются фазы Луны. Каждый месяц Луна, двигаясь по орбите, проходит между Землей и Солнцем и обращена к нам темной стороной, в это время происходит новолуние. Через 1 - 2 дня после этого на западной части неба появляется узкий яркий серп молодой Луны. Остальная часть лунного диска бывает в это время слабо освещена Землей, повернутой к Луне своим дневным полушарием. Через 7 суток Луна отходит от Солнца на 90⁰, наступает первая четверть, когда освещена ровно половина диска Луны и терминатор, то есть линия раздела светлой и темной стороны, становится прямой - диаметром лунного диска. В последующие дни терминатор становится выпуклым, вид Луны приближается к светлому кругу и через 14 - 15 суток наступает полнолуние. На 22-е сутки наблюдается последняя четверть. Угловое расстояние Луны от солнца уменьшается, она опять становится серпом и через 29.5 суток вновь наступает новолуние. Промежуток между двумя последовательными новолуниями называется синодическим месяцем, имеющем среднюю продолжительность 29.5 суток. Синодический месяц больше сидерического, так как Земля за это время проходит примерно 1¹³ своей орбиты и Луна, чтобы вновь пройти между Землей и Солнцем, должна пройти дополнительно еще 1¹³ часть своей орбиты, на что тратится немногим более 2 суток. Если новолуние происходит вблизи одного из узлов лунной орбиты, происходит солнечное затмение, а полнолуние близ узла сопровождается лунным затмением. Легко наблюдаемая система фаз Луны послужила основой для ряда календарных систем.

Различные видимые формы Луны называются ее фазами. Полный цикл фаз заканчивается  и начинает повторяться через каждые 29,59 суток.

9. Рельеф лунной поверхности

Рельеф лунной поверхности был  в основном выяснен в результате многолетних телескопических наблюдений. “Лунные моря”, занимающие около 40 % видимой поверхности Луны, представляют собой равнинные низменности, пересеченные трещинами и невысокими извилистыми валами; крупных кратеров на морях сравнительно мало. Многие моря окружены концентрическими кольцевыми хребтами. Остальная, более светлая поверхность покрыта многочисленными кратерами, кольцевидными хребтами, бороздами и так далее. Кратеры менее 15-20 километров имеют простую чашевидную форму, более крупные кратеры (до 200 километров) состоят из округлого вала с крутыми внутренними склонами, имеют сравнительно плоское дно, более углубленное, чем окружающая местность, часто с центральной горкой. Высоты гор над окружающей местностью определяются по длине теней на лунной поверхности или фотометрическим способом. Таким путем были составлены гипсометрические карты масштаба 1: 1 000000 на большую часть видимой стороны. Однако абсолютные высоты, расстояния точек поверхности Луны от центра фигуры или массы Луны определяются очень неуверенно, и основанные на них гипсометрические карты дают лишь общее представление о рельефе Луны. Гораздо подробнее и точнее изучен рельеф краевой зоны Луны, которая, в зависимости от фазы либрации, ограничивает диск Луны. Для этой зоны немецкий ученый Ф. Хайн, советский ученый А. А. Нефедьев, американский ученый Ч. Уотс составили гипсометрические карты, которые используются для учета неровностей края Луны при наблюдениях с целью определения координат Луны (такие наблюдения производятся меридианными кругами и по фотографиям Луны на фоне окружающих звезд, а также по наблюдениям покрытий звезд). Микрометрическими измерениями определены по отношению к лунному экватору и среднему меридиану Луны селенографические  координаты нескольких основных опорных точек, которые служат для привязки большого числа других точек поверхности Луны. Основной исходной точкой при этом является небольшой правильной формы и хорошо видимый близ центра лунного диска кратер Мёстинг. Структура поверхности Луны была в основном изучена фотометрическими и поляриметрическими наблюдениями, дополненными радиоастрономическими исследованиями.

Кратеры на лунной поверхности имеют различный относительный возраст: от древних, едва различимых, сильно переработанных образований до очень четких в очертаниях молодых кратеров, иногда окруженных светлыми “лучами”. При этом молодые кратеры перекрывают более древние. В одних случаях кратеры врезаны в поверхность лунных морей, а в других - горные породы морей перекрывают кратеры. Тектонические разрывы то рассекают кратеры и моря, то сами перекрываются более молодыми образованиями. Эти и другие соотношения позволяют установить последовательность возникновения различных структур на лунной поверхности; в 1949 советский ученый А. В. Хабаков разделил лунные образования на несколько последовательных возрастных комплексов. Дальнейшее развитие такого подхода позволило к концу 60-х годов составить среднемасштабные геологические карты на значительную часть поверхности Луны. Абсолютный возраст лунных образований известен пока лишь в нескольких точках; но, используя некоторые косвенные методы, можно установить, что возраст наиболее молодых крупных кратеров составляет десятки и сочни миллионов  лет, а основная масса крупных кратеров возникла в “доморской” период, 3-4 млрд. лет назад.

В образовании форм лунного рельефа  принимали участие как внутренние силы, так и внешние воздействия. Расчеты термической истории Луны показывают, что вскоре после её образования недра были разогреты радиоактивным теплом и в значительной мере расплавлены, что привело к интенсивному вулканизму на поверхности. В результате образовались гигантские лавовые поля и некоторое количество вулканических кратеров, а также многочисленные трещины, уступы и другое. Вместе с этим на поверхность Луны на ранних этапах выпадало огромное количество метеоритов и астероидов - остатков протопланетного облака, при взрывах которых возникали кратеры - от микроскопических лунок до кольцевых структур поперечником во много десятков, а возможно и до нескольких сотен километров. Из-за отсутствия атмосферы и гидросферы значительная часть этих кратеров сохранилась до наших дней. Сейчас метеориты выпадают на Луну гораздо реже; вулканизм также в основном прекратился, поскольку Луна израсходовала много тепловой энергии, а радиоактивные элементы были вынесены во внешние слои Луны. Об остаточном вулканизме свидетельствуют истечения углеродосодержащих газов в лунных кратерах, спектрограммы которых были впервые получены советским астрономом Н. А. Козыревым.

                                    10. Движение луны

Видимое  движение Луны на фоне звезд есть следствие действительного движения Луны вокруг Земли. Луна в течение звездного месяца перемещается среди звезд всегда в одну и ту же сторону – с запада на восток, или прямым движением. Видимый путь Луны на небе – не замыкающаяся кривая, постоянно меняющая свое положение среди звезд зодиакальных созвездий. Видимое движение Луны сопровождается непрерывным изменением ее внешнего вида, характеризуемого фазой Луны (Фаза Ф равна отношению наибольшей ширины освещенной части d` лунного диска к его диаметру d).          

Луна  движется вокруг Земли со средней скоростью 1,02 км/сек по приблизительно эллиптической  орбите в том же направлении, в котором движется подавляющее большинство других тел Солнечной системы, то есть  против часовой стрелки, сели смотреть на орбиту Луны со стороны Северного полюса мира. Большая полуось орбиты Луны, равная среднему расстоянию между центрами Земли и Луны, составляет 384 400 км (приблизительно 60 земных радиусов). Вследствие эллиптичности орбиты и возмущений расстояние до Луны колеблется между 356 400 и 406 800 км. Период обращения Луны вокруг Земли, так называемый    сидерический (звездный) месяц равен 27,32166 суток, но подвержен небольшим колебаниям и очень малому вековому сокращению. Движение Луны вокруг Земли очень сложно, и его изучение составляет одну из труднейших задач небесной механики. Эллиптическое движение представляет собой лишь грубое приближение, на него накладываются многие возмущения. Главнейшие из этих возмущений, или неравенств, были открыты из наблюдений задолго до теоретического вывода их из закона всемирного тяготения. Притяжение Луны Солнцем в 2,2 раза сильнее, чем Землей, так что, строго говоря, следовало бы рассматривать движение Луны вокруг Солнца и возмущения этого движения Землей. Однако, поскольку исследователя интересует движение Луны, каким оно видно с Земли, гравитационная теория, которую разрабатывали многие крупнейшие ученые, начиная с И. Ньютона, рассматривает движение Луны именно вокруг Земли. В 20 веке пользуются теорией американского математика Дж. Хилла, на основе которой американский астроном Э. Браун вычислил (1919) математические, ряды и составил таблицы, содержащие широту, долготу и параллакс Луны. Аргументом служит время.

Плоскость орбиты Луны наклонена к эклиптике под углом 5^о8”43”, подверженным небольшим колебаниям. Точки пересечения орбиты с эклиптикой, называются восходящим и нисходящим узлами, имеют  неравномерное попятное движение и совершают полный оборот по эклиптике за  6794 суток (около 18 лет), вследствие чего  Луна возвращается к одному и тому же узлу через интервал времени - так называемый драконический месяц, - более короткий, чем сидерический и в среднем равный 27.21222 суток, с этим месяцем связана периодичность солнечных и лунных затмений. Луна вращается вокруг оси, наклоненной к плоскости эклиптики под углом 88°28', с периодом, точно равным сидерическому месяцу, вследствие чего она повернута к Земле всегда одной и той же стороной. Такое совпадение периодов осевого вращения и орбитального обращения не случайно, а вызвано трением приливов,  которое Земля производила в твердой или некогда жидкой оболочке Луны. Однако сочетание равномерного вращения с неравномерным движением по орбите вызывает небольшие периодические отклонения от неизменного направления к Земле, достигающие 7° 54' по долготе, а наклон оси вращения Луны к плоскости ее орбиты обусловливает отклонения до 6°50' по широте, вследствие чего в разное время с Земли можно видеть до 59 % всей поверхности Луны (хотя области близ краев лунного диска видны лишь в сильном перспективном ракурсе); такие отклонения называются либрацией Луны. Плоскости экватора Луны, эклиптики и лунной орбиты всегда пересекаются по одной прямой (закон Кассини).