Луна - спутник Земли
Расстояние от Земли до Луны :384 400 километров
Диаметр Луны : 3476 километров
Луна, была известна с доисторических времен. Это - второй самый яркий объект на небе после . Луна делает полный оборот вокруг земли за 1 месяц.
Время между новолуниями составляет 29.5 дней (709 часов), это немного отличается от орбитального периода Луны (измеренного относительно звезд), так как Земля перемещается на существенное расстояние по своей орбите вокруг Солнца за время оборота луны вокругЗемли.
Первый посещение Луны космическим зондом Луна 2 (СССР) состоялось в 1959. Это - единственное внеземное тело, которое посетили люди. Первое посещение человека состоялось 20 июля 1969 (США), последнее посещение Луны человеком состоялось в декабре 1972. Луна - также единственная космическая планета, образцы грунта которой, были доставлены на Землю.
Летом 1994 году была составлена карта Луны, небольшим космическим кораблем Clementine, повторное картографирование проводилось в 1999 году космическим кораблем Lunar Prospector.
Фрагмент обратной стороны Луны от Аполлон -11
Гравитационные силы, существующие между Землей и Лунной сталипричиной некоторых интересных эффектов.
Самыми явными эффектами влияния Луны – являются океанические приливы и отливы. Гравитационная сила влияния Луны более сильная на стороне , обращенной к Луне и более слабая на противоположной стороне. Эффект намного более сильно отражен в приливах океанской воды, чем в твердой коре Земли. Вода за счет притяжения луны концентрируется на точке Земли, которая находится наиболее близко к Луне.
Это - очень упрощенная модель приливов; фактические потоки воды, особенно вдоль побережий, намного более сложные.
Притяжение Луны замедляет вращение Земли примерно на 1,5 миллисекунды за столетие.
Луна за счет этих эффектов замедляет вращение, что удаляет ее орбиту примерно на 3.8 сантиметра ежегодно.
Асимметричная природа гравитационного взаимодействия с землей привела к тому, что Луна всегда обращена к Земле только одной стороной. Так же как Вращение Луны замедляет вращение Земли вокруг своей оси, так же в далеком прошлом Земля замедлила вращение луны, но эффект был гораздо сильным.
Фактически Луна немого колеблется, а не статически обращена к Земле, периодически появляются для обозрения очень маленькие части обратной стороны Луны, но фактически обратная сторона Луны не доступна для обозрения со стороны Земли.
Впервые оборотную сторону Луны сфотографировал Советский космический аппарат Луна 3 в 1959 году.
У Луны нет атмосферы. Есть, очевидно, лед на Северном полюсе.
Состав слоев Луны досконально не изучен, однако по теории считается, что кора Луны в среднем имеет толщину 68 километров, ниже коры идет мантия и вероятно в центре есть ядро радиусом примерно 340 километров, которое составляет около 2% массы Луны. В отличие от Земли на луне нет вулканической деятельности. Центр массы Луны смещен от геометрического центра примерно на 2 километра в направлении Земли. Кроме того, кора Луны более тонкая на стороне Луны, обращенной к Земле.
На Луне различают два типа ландшафта – кратеры и горы и относительно гладкая поверхность, которая составляет примерно 16% всей площади Луны. По не известной причине гладкая поверхность преобладает на стороне, обращенной к Земле.
В общей сложности 382 кг горных образцов были возвращены в Землю программами Аполлона и Луна. Они обеспечили большую часть знания Луны. Даже сегодня, спустя более 30 лет после последней посадки на Луну, ученые все еще изучают эти драгоценные образцы.
Большинство скал на поверхности Луны, имеют возраст от4.6 до 3 миллиардов лет.
Для сравнения, на земле скалу редко бывают более 3-х миллиардов лет.
Таким образом, Луна представляет простор для исследования ранней истории , не доступной на Земле.
До исследования образцов грунта с луны, переданного космическим аппаратом Аполлон, не было единой теории происхождения Луны.
Сторона Луны, обращенная к Земле
Было 3 теории образования Луны:
1. Земля и Луна сформирована в то же самое время из Солнечной Туманности.
2. Луна откололась от Земли под воздействием механической силы удара огромного тела.
3. Луна сформировалась в ином пространстве от Земли, но была захвачена силой притяжения Земли.
После исследования лунного грунта преобладает теория №2, - Луна сформировалась от удара с очень большим объектом, таким, как Марс или даже больше и формирование Луны произошло из выброшенного от столкновения материала.
У Луны нет глобального магнитного поля. Но часть его поверхности излучает силовые линии, это указывает, что, возможно, было глобальное магнитное поле на заре истории Луны.
Без атмосферы и магнитного поля, поверхность Луны находится под воздействием солнечного ветра. За 4 миллиардалет ионы солнечного ветра накапливались в реголите Луны. Таким образом, образцы реголита, возвращенного миссиями Аполлона, оказались ценным материалом в исследованиях солнечного ветра.
Параметры планеты Луна:
Масса: 0,07349 x 10 24 кг
Объем: 2,1958x 10 10 кубических километров
Экваториальный радиус (км): 1738,1
Полярный радиус (км): 1736,0
Средняя плотность (кг/м 3): 3350
Гравитация (ed.) (м/с 2): 1,62
Ускорение свободного падения (ed.) (м/с2): 1,62
Вторая космическая скорость (км/с): 2,38
Солнечная энергия (W/m 2): 1367,6
Температура абсолютно черного тела (k): 274,5
Полуглавная ось (расстояние от Земли) (106 км): 0,3844
Перигей (106 км): 0,3633
Апогей (106 км): 0,4055
Период вращения вокруг Земли (дней): 27,3217
Синодический период (дней): 29,53 (смена лунных фаз)
Максимальная орбитальная скорость (км/с): 1,076
Минимальная орбитальная скорость (км/с): 0,964
Наклон к эклиптике (градусы): 5,145
Наклон к экватору (градусы): 18,28 - 28,58
Эксцентриситет Орбиты: 0,0549
Период вращения вокруг своей оси (часы): 655,728
Отдаление от Земли (см/год): 3,8
Расстояние от Земли (км): 384467
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.
Луна и Земля настолько связаны друг с другом, что не вызывает сомнения тот факт, что если наша планета не имела бы естественного спутника, история её развития была б абсолютно другой, а жизни на ней попросту не существовало.
Начнём с того, что Луна, или как её ещё называют, Селена, оказывает непосредственное влияние на земную ось, давая возможность Земле сохранять наклон в 23 градуса, благодаря которому на нашей планете образовались подходящие условия для жизни. Это даёт нам возможность видеть день и ночь приблизительно одинаковый период времени на протяжении суток (например, угол наклона Урана составляет почти 98 градусов, а потому полюса его в течение 42 лет находятся в темноте и столько же их беспрестанно освещают солнечные лучи).
Кроме того, Луна на небе ежедневно замедляет вращение нашей планеты на крошечную микросекунду – если бы она не делала этого, Земля до того быстро начала бы вращаться, что в скором времени день был бы равен шести часам, может, и того меньше. Это однозначно повлияло бы на развитие растений и животных, а также привело к увеличению скорости воздушных потоков, в результате чего штормы, смерчи и ураганы стали бы обычным явлением.
Одним из самых известных воздействий Селены на нашу планету является её влияние на приливы и отливы: если бы Земля не имела естественного спутника, приливы были бы в несколько раз сильнее. Именно от спутника Земли зависит глубина мирового океана: она притягивает к себе воду, находящуюся в районе экватора, потому глубина океана в центре Земли намного глубже, чем возле её полюсов.
Луна — это естественный спутник Земли, диаметр которого составляет почти 3,5 тыс. км, а длина по экватору – около 11 тыс. км (по площади она меньше нашей планеты в три с половиной раза). Находится Селена от Земли на расстоянии в 385 тыс. км, а потому после Солнца считается вторым по яркости объектом на небосводе. По подсчётам учёных, возраст спутника составляет не менее четырёх миллиардов лет.
Существует множество версий, как именно у нашей планеты появился спутник. Одна из них гласит о том, что Земля и Луна были сформированы одновременно. Другая выдвигает предположение о том, что Селена образовалась на большом расстоянии от нашей планеты, и пролетая неподалёку, оказалась в зоне действия гравитации Земли и не смогла «вырваться».
Недавно на основе данных, полученных при анализе образцов лунного грунта, учёные выдвинули новую теорию, которая на данный момент принята в качестве основной. Речь идёт о гигантском столкновении, когда более 4 млрд. лет назад протопланета Земля (крупный планетарный зародыш) натолкнулась на протопланету Тейю, причём столкновение произошло не по центру, а по касательной.
Больше пострадала Тейя, которая выбросила на земную орбиту основную часть своих составляющих элементов, тогда как Земля выделила лишь небольшую долю земной мантии. Объединившись, эти вещества сформировали зародыш Луны. Стоит заметить, что наша планета после столкновения с Тейей на пять часов увеличила скорость своего вращения, изменив угол оси.
Из чего состоит спутник Земли
Поверхность Луны полностью покрывает реголит, состоящий из пыли и мельчайших метеоритных осколков, которые нередко падают на незащищённую атмосферой поверхность Луны (толщина такого слоя может колебаться от нескольких сантиметров до десятков километров). Сам спутник Земли состоит из:
- Коры – она очень неоднородна и колеблется от нуля метров под морем Москвы (от лунной поверхности её отделяет слой базальта толщиной в 600 м) до 105 км (под кратером Королёва, расположенном на тёмном полушарии Луны). Хотя кратер Королёва находится с тёмной стороны Луны, более толстый слой расположен всё же на видимом нам полушарии;
- Трёх слоёв мантии;
- Ядра.
Невидимая сторона Селены
Поскольку период, с которым спутник вращается вокруг Земли почти совпадает со временем его оборота вокруг своей оси, с земной поверхности можно увидеть лишь одно полушарие спутника, тогда как обратная сторона Луны почти никогда не просматривается. Исключения составляют разве что края, находящиеся с восточной и западной тёмной стороны Селены. Раз в месяц можно увидеть северные, а один раз в пятнадцать дней – её южные края (это даёт возможность наблюдать с Земли почти шестьдесят процентов спутника).
До появления космических аппаратов обратная сторона Луны была абсолютно неизученной, а потому с появлением соответствующей техники учёные узнали о Селене немало нового и интересного. Например, с её тёмной стороны были обнаружены несколько новых геологических образований, свидетельствующих о том, что сейсмические движения внутри спутника продолжались не менее 950 млн. лет после того, как согласно принятой на тот момент версии, наступила «геологическая смерть» спутника Земли.
Согласно полученным данным, сейсмическая активность на спутнике существует и по сей день, а колебания грунта нередко длятся около часа. За пять лет наблюдений было зафиксировано около тридцати таких лунотрясений продолжительностью в десять минут и достигающие 5,5 балов по шкале Рихтера (на земле подобные колебания длятся не более двух минут).
Было обнаружено, что поверхность тёмного полушария отличается от видимого с Земли – здесь насчитывается огромное число кратеров, большая часть которых возникла в результате падения метеоритов, и преобладает горный рельеф. А вот лунных морей здесь немного – всего лишь два: море Мечты и море Москвы.
Рельеф Селены
Поверхность Луны состоит из горных хребтов и лунных морей – огромных размеров низменностей округлой формы, которые в своё время затопила вышедшая на поверхность лава, а потому все они покрыты толстым слоем базальта (из-за этого для них характерен более тёмный цвет, чем у других частей рельефа). Самым крупным лунным морем считается океан Бурь, протяжённостью около 2 тыс. км.
Несмотря на то, что в основном все лунные моря находятся на видимой стороне Селены, именно с её обратной стороны расположена наибольшая ударная впадина, бассейн «Южный полюс – Эйткен» (с нашей планеты можно разве что увидеть его тёмный край). Его размеры составляют 2400 на 2050 км, а глубина – около 8 км, занимая почти четверть полушария спутника. Этот бассейн интересен тем, что именно в нём находится низшая точка Селены, а расстояние от самой низкой до самой высокой точки составляет около 16 км.
Ещё одним интересным геологическим образованием является обнаруженный возле одного из вулканических плато, Холмов Мариуса, огромных размеров туннель: его диаметр составляет 65 м, а глубина – около 80 м. Он является явным свидетельством вулканической активности Селены, поскольку образовался за счёт затвердевания потоков расплавленной породы.
Как выглядит спутник с Земли
Земля и Солнце постоянно меняют своё месторасположение по отношению друг к другу, граница между освещённой и неосвещённой частями лунного полушария постоянно смещается, поэтому Селена ежедневно изменяет свои очертания, формируя разные фазы Луны. Одно остаётся неизменным: освещённая часть спутника всегда указывает в ту сторону, где находится Солнце. Интересно, что синодический месяц на спутнике (время, которое проходит между двумя одинаковыми фазами Луны) на несколько дней меньше земного, непостоянен и в среднем длится около 29,5 дней.
Несмотря на то, что Луна на небе создаёт впечатление, будто она светится сама, в действительности поверхность Луны лишь отражает солнечные лучи, поэтому с Земли можно увидеть лишь освещённый Солнцем участок. Считается, что Луна на небе проходит через определенные фазы, коротко характеризующиеся как «Растущая Луна» – «Полная Луна» – «Убывающая Луна»:
Новолуние
Во время новолуния тёмной Луны почти никогда не видно. Исключение составляют лишь несколько минут, когда она появляется на фоне Солнца во время солнечного затмения, или когда за два дня до или после новолуния при очень хорошей погоде на ясном небе показывается слегка обозначенный сероватый диск земного спутника.
Во время этой фазы Луны, спутника не видно потому, что он находится между Землёй и Солнцем почти на одной линии.
Если же они размещаются точно на одной прямой, можно наблюдать солнечное затмение, поскольку спутник Земли начинает отбрасывать свою тень диаметром в 200 км. Луна на небе расположена максимально близко к Солнцу, а к поверхности нашей планеты развёрнута обратная сторона Луны.
Молодая Луна
Новая луна видна на небе лишь несколько минут в виде узкого серпа и появляется сразу после того, как заходит Солнце на третьи сутки после новолуния. После этой фазы, новая Луна начинает стремительно расти и с каждой последующей ночью все желающие имеют возможность начать наблюдать за таким явлением, как растущая Луна. Интересно, что в прадавние времена начало лунного или солнечного месяца всегда начиналось от того момента, когда на небе появлялась новая Луна.
Первая четверть
На седьмую ночь после новолуния, растущая Луна появляется в форме полукруга на западе сразу после того, как Солнце уходит за горизонт (обычно её можно увидеть в первой половине ночи). Растущая Луна на этой стадии расположена на востоке и находится по отношению к Солнцу под углом в 90°. Солнечные лучи освещают западную половину Луны и показывают людям, которые находятся в Северном полушарии, правую часть Луны, в Южном – левую.
На этой стадии фазы Луны, растущая Луна является уже довольно яркой и света, который она излучает, вполне достаточно для того, чтобы находящиеся на земле предметы начали отбрасывать тень. Интересно, что когда растущая Луна находится на этом этапе, можно наблюдать наименьший уровень подъёма при приливе и его наименьшее падение при отливе.
Полнолуние
На четырнадцатую ночь растущая Луна достигает своего пика, поскольку Солнце начинает полностью её освещать – наступает полнолуние. Полная Луна находится на небе всю ночь. Она появляется ещё до того, как Солнце полностью зайдёт, а уходит с небосвода после его восхода.
На этой фазе полная Луна находится напротив Солнца, а Земля располагается посередине (полная Луна всегда чрезвычайно яркая из-за того, что Солнце светит на видимое полушарие, и тени на лунной поверхности полностью пропадают). Если полная Луна, Земля и Солнце находятся на одной линии, можно наблюдать за лунным затмением.
Последняя четверть
Буквально через сутки полная Луна начинает утончаться. Поскольку это происходит практически незаметно для человеческого глаза, создаётся впечатление, будто полная Луна видна на небосводе в течение нескольких ночей. Уже через семь дней после полнолуния, убывающая Луна снова показывает землянам свою половину. Видна убывающая Луна лишь во второй половине ночи.
Старая Луна
Показав людям напоследок свою половину, ночное светило становится меньше, превращается в тоненький серп, а затем тёмная Луна вовсе исчезает – а через некоторое время на небосводе вновь появляется растущая Луна.
Памятка наблюдателю
Чтобы наблюдатель не спутал, какие именно фазы Луны являются растущими, а какие – убывающими, достаточно запомнить основное правило: если спутник Земли напоминает латинскую букву «D» и при этом его видно в начале ночи, на небосводе находится растущая Луна. Если серп похож на литеру «С» и показывается перед рассветом – перед созерцателем убывающая Луна.
ЧТО ЛУНА МОЖЕТ РАССКАЗАТЬ НАМ О ПРОШЛОМ?
Например - о титаническом катаклизме, который затронул всю Солнечную систему. Если результаты исследования образцов лунной породы верны, Земля и Луна около 4 млрд лет назад подверглись тяжелой бомбардировке астероидами и кометами. Планеты и их спутники образовались 4,5 млрд лет назад, когда миллиарды элементарных кирпичиков, называемых планетезималями, обращались вокруг юного Солнца. Столкновения между ними были частыми. Энергия, которая высвобождалась при этом, расплавляла породы и приводила к их слиянию. Через полмиллиарда лет рой планетезималей превратился в семью планет и их спутников. На последних стадиях этого процесса, когда большие тела уже сформировались, оставшиеся планетезимали продолжали сталкиваться с ними, оставляя кратеры.
Во время таких катастроф высокие температуры и давление приводили к возникновению озер расплавленной магмы, которые затем заново застывали. Геологи называют возникающие при этом минералы породами импактного происхождения. Те породы, что содержатся в образцах, доставленных на Землю -Аполлонами», могут рассказать многое об истории нашей соседки. Возраст их всех около 4 млрд лет. Это означает, что вместо постепенного снижения количества падений в течение сотен миллионов лет на поздней стадии формирования планет Солнечной системы был период особенно тяжелой бомбардировки. И тогда Земля также должна была подвергнуться атаке. В результате не могло не появиться десятков тысяч кратеров, включая те чей диаметр больше 5 тыс. км. Но эти кратеры были стерты на Земле эрозией.
Другое дело Луна, лишенная атмосферы и вулканов. Возможно, все изученные образцы импактных пород происходят из единственного источника - Моря Дождей, которое считается самым молодым и крупным из ударных кратеров. Удар, необходимый для образования Моря Дождей, должен был засыпать значительным количеством обломков окрестные регионы, в том числе Море Нектара и Море Ясности, где астронавты также собирали образцы. Чтобы решить эту проблему, потребуется больше разнородных образцов из других областей Луны.
КАК ОБРАЗОВАЛАСЬ ЛУНА?
Около десяти лет назад астрономы были уверены, что знают ответ на этот вопрос. Луна, говорили они, это яблоко, упавшее недалеко от яблони. В процессе формирования Земли с ней столкнулось другое молодое тело размером с Марс. Из-за удара по касательной на околоземную орбиту был выброшен шлейф расплавленных обломков, которые собрались вместе, уплотнились и превратились в Луну. Селенологи были так уверены в этой версии, что даже назвали столкнувшееся с Землей тело Тейей - по имени греческого божества, породившего Селену, богиню Луны. Это прекрасная история, но чем больше данных мы получаем, тем больше возникает вопросов. В соответствии с гипотезой импактного происхождения Луны, большая ее часть должна состоять из вещества Тейи. Поскольку Тейя образовалась в удаленной от Земли части Солнечной системы, состав ее вещества должен быть слегка иным. Но самые детальные исследования образцов лунного грунта, доставленных на Землю экспедициями «Аполлонов» и советскими АМС, не показывают существенных различий между ними и земными породами. Похоже, что Земля просто выбросила огромный кусок себя на орбиту.
По спорной гипотезе, предложенной Вимом ван Вестрененом (Wim van Westrenen) из Амстердамского свободного университета (Нидерланды) и Робом де Мейером (Rob de Meijer) из университета Западного Мыса (ЮАР), ранняя расплавленная Земля взорвалась из-за накопления радиоактивных элементов, которые содержались в заполненных магмой недрах планеты.
Большинство астрономов тем не менее поддерживает модифицированный вариант теории «гигантского столкновения». Эту модель можно привести в соответствие с данными, если предположить, что Тейя была значительно меньше и при ударе вошла глубоко в Землю - мощный толчок и выбросил вещество будущей Луны на орбиту. В целом сейчас нет однозначного ответа на вопрос, как образовалась Луна.
МОЖЕТ ЛИ ЛУНА РЕШИТЬ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ЗЕМЛИ?
Луна может быть хранилищем редкой формы гелия, которая, как полагают некоторые ученые, способна обеспечить весь мир энергией на долгие годы. Инженеры и физики работают над тем, чтобы сделать мечту об управляемой термоядерной реакции реальностью. Такие реакторы могут создавать условия, сходные с условиями в центре Солнца, что позволит атомам изотопов водорода или гелия вступать в реакцию слияния и высвобождать энергию. Это и есть тот самый процесс, благодаря которому светит Солнце. И если такие реакторы для воспроизведения этого процесса могут быть построены, то они будут генерировать огромное количество энергии с минимумом отходов.
Физики всё еще спорят о том, что может быть наилучшим топливом для этих термоядерных реакторов. Большинство рассчитывает на изотопы водорода (дейтерий и тритий), но некоторые верят, что гелий-3, который встречается в 10 тыс. раз реже, чем более распространенный изотоп гелия (гелий-4), может быть наилучшим вариантом. Он возникает естественным путем на Солнце и выбрасывается в пространство вместе с солнечным ветром - потоком частиц, омывающим окружающий нас космос.
У Земли этот солнечный ветер отражается магнитным полем нашей планеты, поэтому драгоценный гелий-3 не достигает атмосферы. Однако Луна не имеет такой защиты, поэтому гелий-3 долетает до лунной поверхности и может накапливаться в лунных породах. Поверхность Луны остается девственной в течение последних почти 4 млрд лет. Всё это время на ней копился гелий-3 который может содержаться в лунном реголите в количествах, достаточных для его эффективной добычи. Астронавт-геолог Харрисон Шмитт (Harrison Schmitt), летавший на Луну на «Аполлоне-17», в эссе, опубликованном в журнале Popular Mechanics в 2004 году, писал, что гелий-3 - наиболее весомая причина для возвращения на Луну.
Он был обнаружен в «значительных количествах» в лунном грунте, который Шмитт и другие астронавты доставили на Землю. Россия и Китай выражают интерес к добыче гелия-3 на Луне, однако среди физиков-ядерщиков существуют разногласия в том, будет ли реактор на гелии-3 экономически целесообразен. В его пользу говорит более низкий поток нейтронов (вместо них рождаются легко улавливаемые протоны), большая безопасность при перевозке материалов и при разгерметизации активной зоны. Однако для получения энергии в процессе слияния ядра гелия-3 с ядром дейтерия необходимо достичь температур приблизительно в миллиард градусов, что значительно выше, чем в привычных токамаках. Стоимость же добычи на Луне и доставки на Землю поднимает цену гелия-3 до запретительно высокой.
Однако даже если гелий-3 не станет решением энергетических проблем на Земле, он может в будущем дать энергию, необходимую для постоянных обитаемых станций на Луне.
ЛУНА
естественный спутник Земли, ее постоянный ближайший сосед. Это скалистое шаровидное тело без атмосферы и жизни. Ее диаметр 3480 км, т.е. немногим более четверти диаметра Земли. Ее угловой диаметр (угол, под которым диск Луны виден с Земли) составляет около 30ў дуги. Среднее расстояние Луны от Земли 384 400 км, что равно примерно 30 диаметрам Земли. Космический корабль может добраться до Луны менее чем за 3 сут. Первый достигший Луны аппарат "Луна-2" был запущен 12 сентября 1959 в СССР. Первые люди ступили на Луну 20 июля 1969; это были астронавты "Аполлона-11", запущенного в США. Еще до наступления эры космических исследований астрономы знали, что Луна - необычное тело. Хотя это не самый большой спутник в Солнечной системе, но он один из крупнейших по отношению к своей планете - Земле. Плотность Луны всего в 3,3 раза больше плотности воды, что меньше, чем у любой из планет земной группы: самой Земли, Меркурия, Венеры и Марса. Уже это обстоятельство заставляет думать о необычных условиях образования Луны. Пробы грунта с поверхности Луны позволили определить его химический состав и возраст (4,1 млрд. лет у самых старых образцов), но это лишь сильнее запутало наше представление о происхождении Луны.
ВНЕШНИЙ ВИД
Как все планеты и их спутники, Луна в основном светит отраженным солнечным светом. Обычно бывает видна та часть Луны, которую освещает Солнце. Исключение составляют периоды вблизи новолуния, когда отраженный от Земли свет слабо освещает и темную сторону Луны, создавая картину "старой Луны в объятиях молодой".
Яркость полной Луны в 650 тыс. раз меньше яркости Солнца. Полная Луна отражает только 7% падающего на нее солнечного света. После периодов бурной солнечной активности отдельные места лунной поверхности могут слабо светиться под действием люминесценции. На видимой стороне Луны - той, что всегда повернута к Земле, - бросаются в глаза темные области, названные астрономами прошлого морями (по-латински mare).
Из-за относительно ровной поверхности моря были выбраны для посадки первых экспедиций астронавтов; исследования показали, что моря имеют сухую поверхность, покрытую мелкими пористыми обломками лавы и редкими камнями. Эти большие темные участки Луны резко отличаются от ярких горных областей, неровная поверхность которых значительно лучше отражает свет. Облетевшие Луну космические корабли показали, вопреки ожиданиям, что на обратной стороне Луны нет больших морей и поэтому она не похожа на видимую сторону.
Иллюзия Луны. Вблизи горизонта Луна выглядит гораздо большей, чем высоко в небе. Это оптическая иллюзия. Психологические опыты показали, что наблюдатель подсознательно регулирует свое восприятие размера объекта в зависимости от размера других объектов в поле зрения. Луна кажется меньше, когда она высоко в небе и окружена большим пустым пространством; но когда она у горизонта, ее размер легко сравнить с расстоянием между ней и горизонтом. Под влиянием этого сравнения мы неосознанно усиливаем свое впечатление о размере Луны.
Фазы. Фазы Луны возникают вследствие изменения взаимного расположения Земли, Луны и Солнца. Например, когда Луна находится между Солнцем и Землей, ее обращенная к Земле сторона темна и поэтому почти невидима. Этот момент называют новолунием, поскольку, начиная с него, Луна как будто рождается и становится видимой все больше и больше. Пройдя четверть своей орбиты, Луна демонстрирует освещенную половину диска; при этом говорят, что она находится в первой четверти. При прохождении половины орбиты у Луны становится видимой вся обращенная к Земле сторона - она вступает в фазу полнолуния. Земля тоже проходит через разные фазы, если смотреть на нее с Луны. Например, в новолуние, когда диск Луны совершенно темный для наблюдателя на Земле, астронавт на Луне видит целиком освещенную "полную Землю". И наоборот, когда на Земле мы видим полнолуние, с Луны можно наблюдать "новоземелье". В первой и третьей четвертях, когда люди на Земле видят освещенной половину лунного диска, астронавты на Луне тоже увидят освещенную половину диска Земли.
ДВИЖЕНИЕ
Основное влияние на движение Луны оказывает Земля, хотя и значительно более удаленное Солнце на него тоже влияет. Поэтому объяснение движения Луны становится одной из сложнейших проблем небесной механики. Первая приемлемая теория была предложена Исааком Ньютоном в его "Началах" (1687), где были опубликованы закон всемирного тяготения и законы движения. Ньютон не только учел все известные в то время возмущения лунной орбиты, но и предсказал некоторые эффекты.
Характеристики орбиты. Время, необходимое Луне для полного обращения по орбите вокруг Земли на 360°, составляет 27 сут 7 ч 43,2 мин. Но все это время Земля сама движется вокруг Солнца в том же направлении, поэтому взаимное положение трех тел повторяется не через орбитальный период Луны, а спустя примерно 53 ч после него. Поэтому полнолуние происходит через каждые 29 сут 12 ч 44,1 мин; этот период называют лунным месяцем. Каждый солнечный год содержит 12,37 лунных месяцев, так что 7 из 19 лет имеют 13 полнолуний. Этот 19-летний период называется "метоновым циклом", поскольку в 5 в. до н.э. афинский астроном Метон предложил этот период в качестве основы для реформы календаря, правда, не состоявшейся. Расстояние до Луны постоянно меняется; это знал еще Гиппарх во 2 в. до н.э. Он определил среднее расстояние до Луны, получив значение, довольно близкое к современному - 30 диаметров Земли. Расстояние до Луны можно определять различными методами, например, методом триангуляции из двух удаленных точек на Земле или же с помощью современной техники: по времени прохождения радарного или лазерного сигнала до Луны и обратно. Среднее расстояние в перигее (ближайшей к Земле точке орбиты Луны) составляет 362 тыс. км, а среднее расстояние в апогее (самой далекой точке орбиты) равно 405 тыс. км. Эти расстояния измеряются от центра Земли до центра Луны. Точка апогея и вместе с ней вся орбита обращается вокруг Земли за 8 лет и 310 сут.
Наклон. Плоскость орбиты Луны наклонена к плоскости орбиты Земли вокруг Солнца - эклиптике - примерно на 5°; поэтому Луна никогда не удаляется от эклиптики более чем на 5°, всегда находясь среди или около зодиакальных созвездий. Точки, в которых лунная орбита пересекает эклиптику, называют узлами. Солнечное затмение может произойти только в новолуние и только в те моменты, когда Луна находится вблизи узла. Это случается по меньшей мере дважды в году. В остальных случаях Луна проходит на небе над или под Солнцем. Лунные затмения происходят только в полнолуние; при этом, как и в случае солнечных затмений, Луна должна находиться вблизи узла. Если бы плоскость лунной орбиты не была наклонена к плоскости земной орбиты, т.е. если бы Земля и Луна двигались в одной плоскости, то при каждом новолунии происходило бы солнечное затмение, а при каждом полнолунии - лунное затмение. Линия узлов (прямая, проходящая через оба узла) вращается вокруг Земли в противоположном движению Луны направлении - с востока на запад с периодом 18 лет 224 сут. Этот период тесно связан с циклом "сароса", составляющего 18 лет 11,3 сут и определяющего промежуток времени между одинаковыми затмениями.
См. также ЗАТМЕНИЯ .
Система Земля - Луна. Разумеется, не совсем верно говорить о движении Луны вокруг Земли. Точнее, оба эти тела обращаются вокруг их общего центра массы, лежащего ниже поверхности Земли. Анализ колебаний Земли показал, что масса Луны в 81 раз меньше массы Земли. Гравитационное притяжение Луны вызывает приливы и отливы на Земле. Приливные движения в результате трения замедляют вращение Земли, увеличивая продолжительность земных суток на 0,001 с за столетие. Поскольку момент импульса системы Земля - Луна сохраняется, замедление вращения Земли приводит к медленному удалению Луны от Земли. Однако в нынешнюю эпоху расстояние между Землей и Луной уменьшается на 2,5 см в год из-за сложного взаимодействия Солнца и планет с Землей.
См. также ПРИЛИВЫ И ОТЛИВЫ . Луна всегда обращена к Земле одной стороной. Детальный анализ ее гравитационного поля показал, что Луна деформирована в направлении Земли, но искажение ее формы слишком велико для современного приливного эффекта. Это искажение считают "замороженным приливом", оставшимся с тех пор, когда Луна была ближе к Земле и испытывала с ее стороны более сильное приливное влияние, чем сейчас. Но эта выпуклость может представлять собой и неоднородность внутреннего строения Луны. Сохранение как древней приливной выпуклости, так и асимметричного распределения массы требует наличия твердой оболочки, поскольку под действием собственного тяготения жидкое тело принимает шарообразную форму. Некоторые специалисты считают, что вообще вся Луна внутри твердая. Для этого она должна быть достаточно холодной. Результаты сейсмических экспериментов указывают, что внутренние области Луны действительно разогреты слабо.
ЛУНА, фотоснимок с космического корабля "Аполлон".
Гравитационные измерения, проведенные на окололунной орбите американским аппаратом "Лунар орбитер", частично подтвердили неоднородность внутреннего строения Луны: в некоторых крупных морях были обнаружены области концентрации плотного вещества, названные масконами (от слов "масса" и "концентрация"). Они возникли там, где большие массы плотных пород окружены сравнительно легкими породами.
ДЕТАЛИ ПОВЕРХНОСТИ
Хотя Луна всегда повернута к Земле одной стороной, у нас есть возможность увидеть немного больше половины ее поверхности. Когда Луна находится в наивысшей точке своей наклонной орбиты, можно наблюдать обычно скрытую область вблизи ее южного полюса, а область вокруг северного полюса становится видимой, когда Луна достигает низшей точки орбиты. Кроме этого можно наблюдать дополнительные области на восточном и западном лимбе (крае) Луны, поскольку она вращается вокруг своей оси с постоянной скоростью, а скорость ее движения вокруг Земли изменяется от максимальной в перигее до минимальной в апогее. В результате наблюдаются покачивания - либрации - Луны, которые позволяют увидеть 59% ее поверхности. Области, которые совершенно невозможно увидеть с Земли, фотографируют с помощью космических аппаратов. Старейшая полная карта видимого полушария Луны приведена в Селенографии, или описании Луны (1647) Я. Гевелия. В 1651 Дж. Риччоли предложил присваивать деталям лунной поверхности имена выдающихся астрономов и философов. Современная селенография - наука о физических характеристиках Луны - началась с детальной и подробно описанной карты Луны (1837) В. Бера и И. Медлера. Фотографирование Луны началось в 1837 и достигло наивысшего развития в Систематическом фотографическом атласе Луны (Дж. Койпер и др., 1960). В нем показаны области Луны, освещенные солнечным светом, по крайней мере, под четырьмя различными углами. Наилучшее разрешение на фотографиях, полученных с поверхности Земли, составляет 0,24 км. Пять аппаратов "Лунар орбитер", успешно запущенных в 1966 и 1967, получили с окололунной орбиты великолепную и почти полную фотографическую карту Луны. Поэтому сейчас даже детали обратной стороны Луны известны с разрешением, в десять раз лучшим, чем детали ее видимой стороны в 1960. Подробные карты Луны были изготовлены в НАСА и могут быть получены в Управлении документами правительства США. Новые детали лунной поверхности получают свои названия. Например, автоматический аппарат "Рейнджер-7" упал на безымянную площадку в 1964; теперь эта площадка называется Морем Познанным. Большие кратеры, сфотографированные на обратной стороне Луны аппаратом "Луна-3", названы именами Циолковского, Ломоносова и Жолио-Кюри. Прежде чем новое имя будет официально присвоено, оно должно быть одобрено Международным астрономическим союзом. На Луне можно выделить три основных типа образований: 1) моря - обширные, темные и довольно плоские участки поверхности, покрытые базальтовой лавой; 2) материки - яркие приподнятые области, заполненные множеством больших и маленьких круглых кратеров, часто перекрывающихся; 3) горные цепи, такие, как Апеннины, и небольшие горные системы, подобные той, что окружают кратер Коперник.
Моря. Крупнейшее из дюжины морей на видимой стороне Луны - Море Дождей диаметром ок. 1200 км. Кольцо из отдельных пиков на его дне и окружающая цепь гор с радиальными лучами говорят о том, что Море Дождей возникло вследствие удара о Луну огромного метеорита или ядра кометы. Его дно не идеально ровное, а пересечено волнообразной рябью, которую можно заметить при малом угле падения солнечных лучей. Эта рябь с сопутствующей ей разницей в цвете указывает, что лава разливалась здесь не единожды, а возможно, в результате нескольких последовательных ударов. Фотографии с окололунной орбиты обнаружили более впечатляющий бассейн, чем Море Дождей. Это Море Восточное, которое с Земли частично видно на левом лимбе Луны, но лишь "Лунар орбитер" показал его настоящий вид. Центральная темная равнина этого моря довольно мала, но она служит центром большого числа круговых и радиальных горных цепей. Центральный бассейн окружен двумя почти идеально концентрическими цепями гор диаметром 600 и 1000 км, а за внешнюю горную цепь еще более чем на 1000 км выброшены породы в виде сложных радиальных образований. Почти круглый контур Моря Ясности тоже указывает на столкновение, но меньшего масштаба. Другие моря, видимо, также заполнились лавой в результате одного или нескольких столкновений, более поздние из которых уничтожили кратер, возникший после первого столкновения. Другие крупные кратерированные области, не разрушенные мощным столкновением, могли стать морями после мощного излияния лавы. Примерами такого рода служат Океан Бурь и Море Спокойствия, имеющие неправильные контуры и содержащие частично затопленные древние кратеры. Небольшие, но необъяснимые различия в цветах характерны для разных морей. Например, центральная область дна Моря Ясности имеет красноватый оттенок, типичный для старых, более глубоких слоев, а внешняя часть этого моря и соседнее Море Спокойствия имеют голубоватый оттенок. Странное отсутствие темных морей на обратной стороне Луны говорит о том, что они формируются не так уж часто. Вероятно, вся система морей образовалась в результате лишь нескольких столкновений. Например, заполнение Океана Бурь и Моря Облаков могло произойти от одного удара в районе Моря Дождей. Возможно, эта сторона Луны сначала была отвернута от Земли. Когда в результате ударов образовавшиеся кратеры заполнились тяжелой лавой и породили масконы, возникшая асимметрия в распределении массы позволила притяжению Земли повернуть Луну и навсегда закрепить ее полушарие с морями в направлении нашей планеты.
Природа поверхности Луны. Важнейшим результатом программы "Аполлон" стало открытие у Луны мощной коры. На месте посадки "Аполлона-14" в районе кратера Фра Мауро кора имеет толщину около 65 км. Луна покрыта рыхлым обломочным материалом - реголитом, слой которого имеет толщину от 3 до 15 м. Поэтому твердая порода почти нигде не обнажена, за исключением немногих молодых крупных кратеров. Реголит в основном состоит из мелких частиц различного размера, обычно около 25 мкм. Это смесь кусочков камня, сферул (микроскопических сфер) и фрагментов стекла. Вещество очень пористое и сжимаемое, но достаточно прочное, чтобы выдержать вес астронавта. Образцы горных пород, доставленные "Аполлонами-11, -12 и -15", оказались в основном базальтовой лавой. Этот морской базальт богат железом и, реже, титаном. Хотя кислород несомненно является одним из основных элементов пород лунных морей, лунные породы существенно беднее кислородом своих земных аналогов. Особо следует подчеркнуть полное отсутствие воды, даже в кристаллической решетке минералов. Доставленные "Аполлоном-11" базальты имеют следующий состав: ________________________
Компонент Содержание, %
Двуокись кремния (SiO2) 40
Окись железа (FeO) 19
Двуокись титана (TiO2) 11
Окись алюминия (Al2O3) 10
Окись кальция (CaO) 10
Окись магния (MgO) 8,5 ________________________
Доставленные "Аполлоном-14" образцы представляют другой тип коры - брекчию, богатую радиоактивными элементами. Брекчия - это агломерат каменных обломков, сцементированных мелкими частицами реголита. Третий тип образцов лунной коры - богатые алюминием анортозиты. Эта порода светлее темных базальтов. По химическому составу она близка к породам, исследованным "Сервейором-7" в горной области у кратера Тихо. Эта порода менее плотная, чем базальт, так что сложенные ею горы как бы плавают на поверхности более плотной лавы. Все три типа породы представлены в крупных образцах, собранных астронавтами "Аполлонов"; но уверенность, что они являются основными типами породы, слагающей кору, основана на анализе и классификации тысяч мелких фрагментов в образцах грунта, собранных с различных мест на поверхности Луны. Кратеры - одна из характерных особенностей Луны. Десятки тысяч кратеров можно увидеть в телескоп среднего размера. Крупнейшие из них похожи на ровные площадки, окруженные стеной. Такие кратеры, как Гримальди, Шиккард и Циолковский (на обратной стороне Луны), имеют диаметр около 250 км и гладкое лавовое дно. Наблюдения "Рейнджеров", "Сервейоров" и "Аполлонов" открыли много мелких кратеров, вплоть до размера крошечных рытвин. Хотя большинство кратеров округлые, некоторые из самых крупных по форме похожи на многоугольники. У земного наблюдателя сильный контраст света и тени вызывает впечатление очень неровной поверхности Луны; в действительности же стенки кратеров весьма пологие.
КРАТЕРЫ на обратной стороне Луны, сфотографированные с "Аполлона-11".
Большинство кратеров образовалось вследствие ударов по поверхности Луны метеоритов и ядер комет на раннем этапе ее истории. Более крупные первичные кратеры возникли от прямого попадания космических тел, а множество вторичных кратеров образовалось после падения обломков, выброшенных первыми взрывами. Вторичные кратеры сконцентрированы вокруг первичных и часто расположены парами или имеют вытянутую форму. Ударные кратеры на Земле очень напоминают лунные. Но земные кратеры разрушает эрозия, а на Луне при отсутствии воздуха, ветра и дождей - главных причин эрозии - сохраняются очень старые образования. Некоторые кратеры могут быть результатом вулканической деятельности. Это удивительно правильные воронкообразные ямы с ослепительно белыми стенками при полной Луне. То, что они иногда расположены рядами, вероятно, над сейсмическими трещинами или на вершинах гор, только усиливает вулканическую гипотезу, предложенную американским астрономом голландского происхождения Дж.Койпером. Инфракрасные наблюдения, проведенные во время полных лунных затмений, выявили сотни необычно теплых пятен; как правило, они совпадают с яркими молодыми кратерами. Поскольку большинство кратеров расположено в светлых материковых областях, они должны быть более старыми, чем моря. Согласно Койперу, первые кратеры образовались после того, как моря приобрели гладкое лавовое дно. Позднее поверхность плавилась, но недостаточно для того, чтобы заполнить кратеры лавой, хотя вулканические излияния видны. Вблизи полнолуния кратер Тихо и несколько уединенных кратеров, таких, как Коперник и Кеплер, становятся ослепительно белыми, и от них радиально расходятся длинные белые полосы, называемые "лучами". У этих кратеров неправильные центральные горки и множество мелких обломков внутри вала. Поскольку их лучи лежат поверх других лунных образований, лучистые кратеры должны быть самыми молодыми на Луне. "Рейнджер-7" показал, что лучи представляют собой ряды многочисленных белых вторичных кратеров. Наблюдения изменений лунной поверхности весьма дискуссионны. Обычно это кажущиеся изменения из-за различия в угле падения солнечных лучей. Долго астрономы спорили, был ли Линней - яркое пятно в Море Ясности - когда-то кратером, как это указано на старой лунной карте в работе Риччоли. В 1958 советский астроном Н.А.Козырев наблюдал нечто, вероятно, представлявшее выброс газа в кратере Альфонс. После некоторого периода недоверия астрономы заинтересовались возможностью активной вулканической деятельности на Луне. Анализ разрозненных наблюдений показывает, что области ожидаемой активности сконцентрированы по краям морей.
Другие особенности. Горные цепи, столь знакомые нам на Земле, довольно редки на Луне. Основные цепи гор на видимой стороне Луны (Апеннины, Альпы и Кавказ), конечно, были сформированы столкновением, породившим Море Дождей. Концентрические цепи гор окружают и некоторые другие моря. Некоторые горы вдоль южного края Луны сравнимы по высоте с Эверестом. Морщины, образованные сжатием, видны внутри большинства морей. Часто они имеют ступенчатую структуру с параллельными, но слегка смещенными сегментами. Иногда они похожи на довольно сложную плетенку. Трещины и крутые каньоны шириной 1-2 км часто тянутся на сотни километров почти по прямой. Их глубина составляет от одной до нескольких сотен метров; более тысячи из них внесены в каталоги. Эти разрывные трещины в лавовой коре часто параллельны краям морей. Некоторые из них напоминают меандры русел земных рек. Морщины и трещины, а также широкие и узкие долины образуют гигантскую сеть. Радиальные детали рельефа, связанные с Морем Дождей, образуют самую крупную сетчатую систему на Луне. Некоторые исследователи считают, что сетчатая система отражает внутрилунные процессы напряжения и сжатия, но другие думают, что это результат внешнего воздействия, связанного со столкновениями, породившими моря. Обнаружено на Луне и множество других особенностей. Наиболее грандиозным разломом является Прямая Стена, протянувшаяся в Море Облаков примерно на 170 км; это крутой откос высотой около 300 м. Долина Рейта - пример грабена, т.е. зоны разрыва, где значительный участок поверхности стал опускаться. На дне морей обнаружено несколько маленьких потухших вулканов. Еще одна любопытная особенность лунной поверхности - небольшие лавовые купола.
См. также