Луна

1.

Луна
ПОДГОТОВИЛ УЧЕНИК 10 КЛАССА КАЧУСОВ ЛЕОНАРД

2.

Луна
Луна́ — единственный естественный спутник Земли. Самый близкий к Солнцу
спутник планеты, так как у ближайших к Солнцу планет (Меркурия и Венеры) их нет.
Второй по яркости объект на земном небосводе после Солнца и пятый по величине
естественный спутник планеты Солнечной системы. Среднее расстояние между
центрами Земли и Луны — 384 467 км (0,00257 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 появилась около 4,5 млрд лет назад, немного позже Земли. Наиболее
популярна гипотеза о том, что Луна сформировалась из осколков, оставшихся
после «Гигантского столкновения» Земли и Тейи — планеты, схожей по размерам с
Марсом.
На сегодняшний день Луна является единственным внеземным астрономическим
объектом, на котором побывал человек.

3.

Луна

4.

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 геоцентрической орбиты 384 399
км (в то время как большая полуось в системе относительно центра масс системы
«Земля — Луна» составляет 379 730 км). Действительное движение Луны довольно
сложное, и 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:

5.

Орбита
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 года. Это
движение является прецессионным;
поворот большой оси лунной орбиты (линии апсид) с периодом 8,8 года
(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 (на
38 мм в год), таким образом, её орбита представляет собой медленно
раскручивающуюся спираль.

6.

Общее строение
Луна состоит из коры, мантии (астеносферы), свойства которой различны и
образуют четыре слоя, кроме того, переходной зоны между мантией и ядром,
а также самого ядра, которое имеет внешнюю жидкую и внутреннюю твёрдую
части. Атмосфера и гидросфера практически отсутствуют. Поверхность Луны
покрыта 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.
Видимая сторона находится в среднем на 3,2 км ближе к центру масс по
сравнению с обратной стороной, смещение центра масс к центру фигуры
составляет приблизительно 1,68—1,93 км. Средняя толщина коры в видимом
полушарии меньше на 8—12 км. Экваториальная кора в среднем на 9,5 км
толще, чем на полюсах.

7.

Условия на поверхности
Атмосфера Луны крайне разрежена. Когда поверхность не освещена
Солнцем, содержание газов над ней не превышает 2⋅105 частиц/см3 (для
Земли этот показатель составляет 2,7⋅1019 частиц/см3), а после восхода
Солнца увеличивается на два порядка за счёт дегазации грунта. Разрежённость
атмосферы приводит к высокому перепаду температур на поверхности Луны
(от −173 °C ночью до +127 °C в подсолнечной точке), 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 и со звёздами, даже когда Солнце находится над
горизонтом. Однако на дневных фотографиях звёзды не видны, так как для их
отображения потребовалась бы такая экспозиция, при которой освещённые
Солнцем объекты были бы пер
Около 3,5 млрд лет назад, во время масштабных излияний лавы, лунная
атмосфера была плотнее. Расчёты показывают, что высвобождавшиеся из
лавы летучие вещества (CO, S, Н2O) могли образовать атмосферу с
давлением 0,01 земного. Время её рассеяния оценивают в 70 млн лет.

8.

Гравитационное поле
Сила тяжести у поверхности Луны составляет 16,5 % от земной (в 6 раз слабее).
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 Pnm — присоединённый полином Лежандра, G — гравитационная
постоянная, M — масса Луны, λ и θ — долгота и широта.

9.

Приливы и отливы на Земле
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 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.

10.

Магнитное поле
Считается, что источником магнитного поля планет является тектоническая
активность. Например, у Земли поле создаётся движением расплавленного
металла в ядре, у Марса — последствиями прошлой активности.
«Луна-1» в 1959 году установила отсутствие однородного магнитного поля на
Луне:24. 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.
Программа GRAIL изучения гравитационного поля и внутреннего строения Луны, а
также реконструкции её тепловой истории, установило наличие у Луны внутреннего
твёрдого и внешнего металлического частей ядра (состоящих из железных и
сидерофильных элементов). Очень слабое магнитное поле Луны формируется за
счёт остаточного магнетизма в лунных породах, а также приливных сил,
действующих на ядро.

11.

Наблюдение

12.

Наблюдение
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.

13.

Наблюдение
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 её 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.

14.

Наблюдение
Из-за рефракции в атмосфере Земли при наблюдении Луны низко над
горизонтом наблюдается приплюснутость её диска.
Из-за неровностей рельефа на поверхности Луны во время полного
солнечного затмения можно наблюдать чётки Бейли. Когда же, наоборот, Луна
попадает в тень Земли, можно наблюдать другой оптический эффект: она
краснеет, будучи подсвеченной рассеянным в атмосфере Земли светом.
«Суперлунием» называют астрономическое явление, при котором момент
прохождения Луной перигея совпадает с её полной фазой. Менее
распространён термин «микролуние», когда Луна в полной фазе находится в
апогее, то есть в дальней точке своей орбиты вокруг Земли. Для земного
наблюдателя угловой размер диска Луны в момент «суперлуния» больше на 14
% и яркость его на 30 % выше, чем в момент «микролуния».

15.

Наблюдение
Лунные либрации

16.

Внутренняя структура
Луна — дифференцированное тело, она имеет геохимически различную кору,
мантию и ядро. Оболочка внутреннего ядра богата железом, она имеет радиус
240 км, жидкое внешнее ядро состоит в основном из жидкого железа с радиусом
примерно 300—330 километров. Вокруг ядра находится частично расплавленный
пограничный слой с радиусом около 480—500 километров. Эта структура, как
полагают, появилась в результате фракционной кристаллизации из глобального
океана магмы вскоре после образования Луны 4,5 миллиарда лет назад. Лунная
кора имеет в среднем толщину около 50 км.
Луна — второй по плотности спутник в Солнечной системе после Ио. Однако
внутреннее ядро Луны мало́, его радиус около 350 км; это только ~20 % от
радиуса Луны, в отличие от ~50 % у большинства других землеподобных тел.

17.

Внутренняя структура
Внутреннее строение Луны

18.

Внутренняя структура
Сравнение строения Луны и
планет земной группы