Вращается ли луна вокруг своей оси: как происходит вращение луны

Параметры

Луна, как и большинство других спутников, не имеет атмосферы. Обнаружены лишь следы кислорода, гелия, неона и аргона. Температура поверхности на освещенных и затемненных участках поэтому сильно отличается. На солнечной стороне она может подниматься до +120 ºС, а на темной опускаться до -160 ºС.

Среднее расстояние между Землей и Луной составляет 384 тысячи км. По форме спутник — практически идеальный шар. Разница между экваториальным и полярным радиусом небольшая. Они составляют 1738,14 и 1735,97 км соответственно.

Полный оборот Луны вокруг Земли занимает чуть больше 27 дней. Движение спутника по небу для наблюдателя характеризуется сменой фаз. Время от одного полнолуния до другого несколько больше указанного периода и составляет примерно 29,5 дней. Разница возникает потому, что Земля и спутник также движутся вокруг Солнца. Луне, чтобы оказаться в первоначальном положении, приходится преодолевать чуть больше одного круга.

Эволюция методик измерения расстояния до Луны

Только с изобретением телескопа астрономы смогли получить более-менее точные значения параметров орбиты Луны и соответствия её размеров с размером Земли.

Пример эволюции астрономической единицы со временем

Более точный метод измерения расстояния до Луны появился в связи с развитием радиолокации. Первая радиолокация Луны была проведены в 1946 году в США и Великобритании. Радиолокация позволяла измерить расстояние до Луны с точностью в несколько километров.

Ещё более точным методом измерения расстояния до Луны стала лазерная локация. Для его реализации в 1960х годах на Луне было установлено несколько уголковых отражателей. Интересно отметить, что первые эксперименты по лазерной локации были проведены ещё до установки уголковых отражателей на поверхности Луны. В 1962-1963 годах в Крымской обсерватории СССР были проведены несколько экспериментов по лазерной локации отдельных лунных кратеров с использованием телескопов диаметром от 0.3 до 2.6 метров. Эти эксперименты смогли определять расстояние до поверхности Луны с точностью в несколько сотен метров. В 1969-1972 годы астронавты программы “Аполлон” доставили на поверхность нашего спутника три уголковых отражателя. Среди них наиболее совершенным был отражатель миссии “Апполон-15”, так как он состоял 300 призм, тогда как два других (миссии “Апполон-11” и “Апполон-14”) только из ста призм каждый.

Карта положения уголковых отражателей

Кроме того в 1970 и 1973 годах СССР доставил на поверхность Луны ещё два французских уголковых отражателя на борту самоходных аппаратов “Луноход-1” и “Луноход-2”, каждый из которых состоял из 14 призм. Использование первого из этих отражателей обладает незаурядной историей. За первые 6 месяцев работы лунохода с отражателем удалось провести около 20 сеансов лазерной локации. Однако затем из-за неудачного положения лунохода вплоть до 2010 года не удавалось использовать отражатель. Лишь снимки нового аппарата LRO помогли уточнить положение лунохода с отражателем, и тем самым возобновить сеансы работы с ним.

В СССР наибольшее количество сеансов лазерной локации было проведено на 2.6-метровом телескопе Крымской обсерватории. Между 1976 и 1983 годами на этом телескопе было проведено 1400 измерений с погрешностью в 25 сантиметров, затем наблюдения были прекращены в связи со свертыванием советской лунной программы.

Всего же с 1970 по 2010 годы в мире было проведено примерно 17 тысяч высокоточных сеансов лазерной локации. Большинство из них было связано с уголковым отражателем “Аполонна-15” (как говорилось выше, он является наиболее совершенным – с рекордным количеством призм):

В то же время наиболее точные измерения выполняет инструмент APOLLO, который был установлен на 3.5-метровом телескопе обсерватории Апач Пойнт в 2006 году. Точность его измерений достигает одного миллиметра:

Происхождение Луны

Орбита луны за последние 4,36 миллиарда лет

Луна и Земля сформировались в одно и то же время из газопылевого облака;
Луна сформировалась в другом месте и впоследствии была захвачена Землёй.

Однако новая информация, полученная путём детального изучения образцов с Луны, привела к созданию теории Гигантского столкновения: 4,36 миллиарда лет назад протопланета Земля (Гея) столкнулась с протопланетой Тейя. Удар пришёлся не по центру, а под углом (почти по касательной). В результате большая часть вещества ударившегося объекта и часть вещества земной мантии были выброшены на околоземную орбиту. Из этих обломков собралась прото-Луна и стала обращаться по орбите с радиусом около 60 000 км. Земля в результате удара получила резкий прирост скорости вращения (один оборот за 5 часов) и заметный наклон оси вращения. Хотя у этой теории тоже есть недостатки, в настоящее время она считается основной.

По оценкам, основанным на содержании стабильного радиогенного изотопа вольфрама-182 (возникающего при распаде относительно короткоживущего гафния-182) в образцах лунного грунта, в 2005 году учёные-минералоги из Германии и Великобритании определили возраст лунных пород в 4 млрд 527 млн лет (±10 млн лет), в 2011 году её возраст был определён в 4,36 млрд лет (±3 млн лет), а в 2015 году — в 4,47 миллиарда лет.

Сидерический месяц и синодический

Сидерический месяц — период, за который спутник Земли, совершив оборот по орбите, вновь занимает исходное положение относительно звезд. Величина этого периода времени непостоянна, что обусловлено неравенствами лунного движения (это связано с тем, что радиус эллиптической лунной орбиты в разных местах неодинаков).

Данный период может изменяться в пределах нескольких часов. Средняя продолжительность периода обращения небесного тела вокруг Земли составляет 27,322 земных суток.

Синодический месяц — отрезок времени между одинаковыми фазами Луны — также не имеет постоянного значения. Средняя длительность этого временного периода составляет 29,5 земных суток.

Эволюция системы Луна и Земля

Главной целью всё более точных измерений расстояния до Луны являются попытки более глубокого понимания эволюции орбиты Луны в далеком прошлом и в отдаленном будущем. К настоящему времени астрономы пришли к выводу, что в прошлом Луна находилась в несколько раз ближе к Земле, а так же обладала значительно более коротким периодом вращения (то есть не была приливно захваченной).  Этот факт подтверждает импактную версию образования Луны из выброшенного вещества Земли, которая преобладает в наше время. Кроме того, приливное воздействие Луны приводит к тому, что скорость вращения Земли вокруг своей оси постепенно замедляется. Скорость этого процесса составляет увеличение земных суток каждый год на 23 микросекунды. За один год Луна отдаляется от Земли в среднем на 38 миллиметров. Оценивается, что в случае если система Земля-Луна переживет превращение Солнца в красный гигант, то через 50 миллиардов лет земные сутки сравняются с лунным месяцем. В результате Луна и Земля будут всегда повернуты к друг другу только одной стороной, как сейчас наблюдается в системе Плутон-Харон. К этому времени Луна отдалится до, примерно, 600 тысяч километров, а лунный месяц увеличится до 47 суток. Кроме того, предполагается, что испарение земных океанов через 2.3 миллиардов лет приведет к ускорению процесса удаления Луны (земные приливы значительно тормозят процесс).

Кроме того, расчеты показывают, что в дальнейшем Луна снова начнет сближаться с Землей по причине приливного взаимодействия с друг другом. При приближении к Земле на 12 тысяч км Луна будет разорвана приливными силами, обломки Луны образуют кольцо наподобие известных колец вокруг планет-гигантов Солнечной Системы. Другие известные спутники Солнечной Системы повторят эту судьбу гораздо раньше. Так Фобосу отводят 20-40 миллионов лет, а Тритону около 2 миллиардов лет.

А что же Земля?

Астрофизики утверждают, что сразу после большого столкновения, ставшего причиной образования Луны, угловая скорость вращения нашей планеты была намного больше, чем сейчас. Сутки длились не более пяти часов. Но в результате трения приливных волн о дно океана год за годом, тысячелетие за тысячелетием вращение замедлялось, и нынешние сутки длятся уже 24 часа.

В среднем каждый век прибавляет нашим суткам по 20-40 секунд. Учёные предполагают, что через пару миллиардов лет наша планета будет смотреть на Луну так же, как и Луна на неё, то есть одной стороной. Правда этого, скорее всего, не произойдёт, так как ещё раньше Солнце, превратившись в красного гиганта, «проглотит» и Землю, и ее верного спутника — Луну.

Кстати, приливные силы дарят землянам не только повышение и понижение уровня мирового океана в районе экватора. Воздействуя на массы металлов в земном ядре, деформируя горячий центр нашей планеты, Луна помогает поддерживать его в жидком состоянии. А благодаря активному жидкому ядру, наша планета имеет собственное магнитное поле, защищающее всю биосферу от убийственного солнечного ветра и смертоносных космических лучей.

Почему она светится?

Снимок Земли и Луны с борта Mars Express

Вы не задавались вопросом, почему иногда мы видим только часть Луны? Или почему она светится? Давайте разберёмся в этом! Спутник отражает лишь 7% солнечного света падающего на нее. Это происходит, потому что в период бурной активности Солнца лишь отдельные участки ее поверхности способны поглощать и накапливать солнечную энергию, а после слабо излучать ее.

Пепельный свет — отраженный свет от Земли

Сама по себе она не может светиться, а способна лишь отражать свет Солнца. Поэтому мы видим только ту ее часть, которую ранее осветило Солнце. Данный спутник движется по определенной орбите вокруг нашей планеты и угол между ним, Солнцем и Землей постоянно меняется, в результате мы и видим различные фазы Луны.

Причины отдаления Луны

Причины отдаления Луны

Этот закон, называемый законом сохранения момента вращения. Луна совершает один оборот вокруг Земли примерно за 27 дней. Но 2,8 миллиарда лет назад более близкая к нам Луна обращалась вокруг Земли за 17 суток. По мнению Кларка Чепмена, астронома из Планетарного научного института в Таксоне, штат Аризона, когда-то Луна была еще ближе. В момент образования Лунный Земли 4,6 миллиарда лет назад, период обращения Луны составлял всего 7 суток. Если бы тогда кто – нибудь мог видеть Луну, он был бы поражен огромными размерами восходящей кроваво – красной Луны.

Прилив океанов

Как это ни удивительно, приливы океанов — это та самая сила, которая отталкивает Луну от Земли. Происходит это так. Сила тяготения Луны действует на воды земных океанов, притягивая их. Но и Земля не стоит на месте — она вращается вокруг своей оси. Когда воды океана вспучиваются, устремляясь к Луне, Земля своим вращением как бы отрывает эту массу воды от нее.

Сила гравитации океанической воды при этом притягивает Луну, но не прямо на себя, а слегка вперед, по ходу вращения земного шара. Поэтому Луна получает импульс, направленный не строго по радиусу своей орбиты, а по касательной к ней. Это явление удлиняет орбиту Луны. По мере незаметного (месяц за месяцем) удлинения лунной орбиты Луна мало – помалу удаляется от Земли. Процесс очень медленный и незаметный для глаза, но он длится миллионы лет и суммарный результат весьма ощутим.

Наверное, когда – нибудь Луна настолько далеко окажется от Земли, что сила земной гравитации ослабнет, и Луна сможет отправиться в самостоятельный полет вокруг Солнца. Однако ученые считают, что такое одиночество Луне вряд ли угрожает. Ведь приливы действуют и на Землю тоже. Перемещения масс океанической воды замедляет вращение Земли, поэтому  за 100 лет день увеличивается примерно на полминуты. (Миллиарды лет назад день продолжался не более шести часов.)

Возможно, миллиарды лет назад Луна вращалась вокруг Земли всего за 7 дней.

В будущем, через миллионы лет, продолжительность дня и время одного оборота Луны вокруг Земли по прежнему будут равны, но уже намного превысят двадцать четыре часа. Когда Луна удалится от Земли на достаточное расстояние, их вращения будут более синхронными и приливы океанов окажутся точно под Луной. Вот тогда гравитация воды станет оказывать притягивающее действие на Луну, и она перестанет удаляться от Земли. Процесс пойдет в обратную сторону, когда области приливов окажутся позади Луны. Орбита Луны начнет укорачиваться, и она будет постепенно приближаться к Земле. Может быть наступит такое время, когда на небосводе снова появится огромная Луна.

Немного истории

Теория, объясняющая, как движется Луна, была заложена еще в 1747 году. Автором первых расчетов, приблизивших ученых к пониманию особенностей орбиты спутника, стал французский математик Клеро. Тогда, в далеком восемнадцатом веке, обращение Луны вокруг Земли часто выдвигалось в качестве аргумента против теории Ньютона. Расчеты, сделанные с использованием закона всемирного тяготения, сильно расходились с видимым перемещением спутника. Клеро разрешил эту задачу.

Исследованием вопроса занимались такие известные ученые, как Даламбер и Лаплас, Эйлер, Хилл, Пюизо и другие. Современная теория обращения Луны фактически началась с работ Брауна (1923 г.). Исследования британского математика и астронома помогли устранить расхождения между расчетами и наблюдением.

Влияние Луны на земные процессы

Луна — естественный спутник Земли. При этом она способна влиять и на планету, и на ее жителей. Мощным эффектом обладают приливы и отливы. Силой своей гравитации спутник Земли притягивает воды Мирового океана, вызывая тем самым отлив от побережья. С противоположной стороны планеты вода при этом, наоборот, будто бы вдавливается, образуя приливы.

Человеческие биоритмы также связаны с лунным 28-суточным циклом. Дело в том, что гравитация нашего спутника воздействует на человеческие органы, а также на кровеносную систему. Психика человека тоже испытывает своего рода давление этого небесного тела. Интенсивность влияния Луны зависит от ее фазы.

Определение спутника

Мы с вами разобрались, что Луна планетой или звездой не является. Что можно сказать о спутниках? Так называются объекты, вращающиеся по некоторой траектории около других космических тел. Движение их происходит благодаря действию гравитации. При этом орбита может быть как изменяющейся, так и стабильной.

Небесное тело может стать спутником только в том случае, если оно было захвачено гравитационным полем своей космической соседки при своем движении в космосе или же сформировалось из того же газопылевого облака, из которого была образована сама планета. Ну что можно сказать о ночном светиле? Вокруг нашей планеты Луна действительно вращается по заданной орбите, но история ее происхождения будет немного иной. Полагается, что более четырех миллиардов лет назад Земля, бывшая еще протопланетой, в космосе столкнулась с себе подобным телом, называвшемся Тейей.

Данное столкновение произошло по касательной, а далее на околоземную орбиту попало множество обломков, из которых в будущем якобы и образовалась Луна. Несмотря на такую историю, астрономы считают, что Луна является спутником Земли.

Когда у вас спросят: «Луна — это спутник или планета?», вы сможете дать однозначный ответ, что данное тело является спутником Земли.

Луна, приливы и отливы

Мэтью Сиглер из Института палеонтологии в Далласе считает, что если бы Луна исчезла три миллиарда лет назад, когда она была ближе к Земле, многие вещи изменились бы довольно резко. «Прямо сейчас Луна находится достаточно далеко, чтобы большинство вещей, которые она делает для нас, были долгосрочными, например стабилизация орбиты Земли в течение сотен тысяч лет,» – слова ученого приводит издание Discover.

Потеря Луны также означала бы потерю огромного количества информации о молодой Земле. Благодаря тектонической активности на Земле нет по-настоящему древних пород. Но геологически неактивная Луна служит хранилищем информации о том, какими были Земля и Солнечная система миллиарды лет назад.

Например, количество кратеров на Луне говорит ученым, что примерно 4,1-3,8 миллиарда лет назад был период интенсивной бомбардировки астероидами. Химический анализ лунных пород также помог нам узнать, сколько воды с нашей планеты было принесено на Землю кометами и астероидами.

Луна оказывает наибольшее влияние на земные приливы и отливы. Если бы она пропала, те, кто живет вблизи океанов, обнаружили бы, что приливы уменьшились, но не полностью исчезли.

Без Луны количество приливов и отливов уменьшилось бы примерно на 75%. Это поставило бы под угрозу жизнь многих видов крабов, мидий и морских улиток, живущих в приливных зонах, и нарушило бы рацион более крупных животных, которые полагаются на них в качестве пищи, угрожая при этом целым прибрежным экосистемам.

Одно из крупнейших нерестовых событий в мире происходит в районе Большого Барьерного рифа. Каждый ноябрь в дни, следующие за светом полной луны, коралловые колонии по всему рифу выпускают миллионы яйцеклеток и сперматозоидов с интервалом почти в несколько минут. Ученые уверены, что полнолуние играет определенную роль во времени, но как именно, остается загадкой.

На суше животные также используют лунные сигналы для размножения. Прожив большую часть своей жизни в горах, миллионы взрослых крабов мигрируют вниз к берегу. А потом, в последнюю четверть луны, самки откладывают свои яйца в море.

Чему равно

Свет от Земли до нашего спутника доберется очень быстро – за 1,255 секунд

Космическим кораблям придется потратить на полет к земному спутнику немало времени.  До Луны нельзя лететь по прямой – планета будет уходить по орбите в сторону от точки назначения, и путь придется корректировать. При второй космической скорости в 11 км/с (40 000 км/ч) полет теоретически займет около 10 часов, но на деле это будет происходить дольше. Все потому, что корабль на старте постепенно наращивает скорость в атмосфере, доводя ее до значения в 11 км/с, чтобы вырваться из поля тяготения Земли. Затем  кораблю придется тормозить при подлете к Луне. Кстати, эта скорость- максимум, чего удалось добиться современным космическим кораблям.

Пресловутый полет американцев на Луну в 1969 году, согласно официальным данным, занял 76 часов. Быстрее всех до Луны удалось долететь аппарату НАСА «Новые горизонты» — за 8 часов 35 минут. Правда, он не приземлился на планетоид, а пролетел мимо – у него была другая миссия.

Свет от Земли до нашего спутника доберется очень быстро – за 1,255 секунд. Но полеты на световых скоростях – пока что из области фантастики.

Можно попытаться представить путь до Луны в привычных величинах. Пешком при скорости 5 км/ч дорога до Луны займет порядка девяти лет. Если поехать на машине на скорость в 100 км/ч, то добираться до земного спутника придется 160 дней. Если бы на Луну летали самолеты, то рейс до нее продлился бы где-то 20 дней.

Освобождение

Анимация Луны по мере ее смены фаз. Кажущееся колебание Луны известно как либрация .

Луна находится в синхронном вращении , что означает, что она всегда обращена лицом к Земле. Это синхронное вращение верно только в среднем, потому что орбита Луны имеет определенный эксцентриситет. В результате угловая скорость Луны изменяется при ее вращении вокруг Земли и, следовательно, не всегда равна скорости вращения Луны. Когда Луна находится в перигее, ее орбитальное движение быстрее, чем ее вращение, и это позволяет нам видеть до восьми градусов долготы ее восточной (правой) дальней стороны . И наоборот, когда Луна достигает своего апогея, ее орбитальное движение медленнее, чем ее вращение, показывая восемь градусов долготы ее западной (левой) дальней стороны. Это называется продольной либрацией .

Поскольку лунная орбита также наклонена к плоскости эклиптики Земли на 5,1 °, ось вращения Луны, кажется, вращается по направлению к Земле и от нее в течение одного полного оборота. Это называется широтной либрацией , которая позволяет видеть почти 7 ° широты за полюсом на дальней стороне. Наконец, поскольку Луна находится всего в 60 земных радиусах от центра масс Земли, наблюдатель на экваторе, наблюдающий Луну всю ночь, перемещается в сторону на один диаметр Земли. Это приводит к дневной либрации , которая позволяет видеть лунную долготу на дополнительный градус. По той же причине наблюдатели на обоих географических полюсах Земли смогут увидеть либрацию на один дополнительный градус по широте.

Движение небесного тела

Доказывая собственное вращение Луны, ученые используют различные методы исследования. Одним из них остается рассмотрение движения спутника Земли относительно звезд.

Их принимают за неподвижные тела, от которых ведется отсчет. Используя такой метод, получается, что относительно звезд у спутника присутствует свое вращение. В таком варианте при вопросе, почему Луна не вращается вокруг своей оси, ответ будет звучать, что она вертится. Однако такое наблюдение неверно. Поскольку центростремительное управление Луны определяется Землей, то и изучать возможности небесного тела надо относительно Земли.

А что же Земля?

Астрофизики утверждают, что сразу после большого столкновения, ставшего причиной образования Луны, угловая скорость вращения нашей планеты была намного больше, чем сейчас. Сутки длились не более пяти часов. Но в результате трения приливных волн о дно океана год за годом, тысячелетие за тысячелетием вращение замедлялось, и нынешние сутки длятся уже 24 часа.

В среднем каждый век прибавляет нашим суткам по 20-40 секунд. Учёные предполагают, что через пару миллиардов лет наша планета будет смотреть на Луну так же, как и Луна на неё, то есть одной стороной. Правда этого, скорее всего, не произойдёт, так как ещё раньше Солнце, превратившись в красного гиганта, «проглотит» и Землю, и ее верного спутника — Луну.

Кстати, приливные силы дарят землянам не только повышение и понижение уровня мирового океана в районе экватора. Воздействуя на массы металлов в земном ядре, деформируя горячий центр нашей планеты, Луна помогает поддерживать его в жидком состоянии. А благодаря активному жидкому ядру, наша планета имеет собственное магнитное поле, защищающее всю биосферу от убийственного солнечного ветра и смертоносных космических лучей.

Инфографика «Фазы Луны»

Время между новолуниями составляет 28,5 дня. То, что один месяц длиннее другого можно объяснить движением Земли вокруг Солнца, то есть когда спутник делает полный оборот вокруг Земли, сама планета в этот момент продвигается на 1/13 часть вокруг своей орбиты. И что бы Луна снова была между Солнцем и Землей ей нужно еще около двух суток времени.

Несмотря на то, что она постоянно вращается вокруг своей оси, она всегда смотрит на Землю одной и той же стороной, это значит, что вращение, которое она совершает вокруг собственной оси и вокруг самой планеты синхронно. Эта синхронность вызвана приливами.

Темная сторона Луны — объяснение для детей

Начать объяснение для детей можно с того, что Луна совершает оборот вокруг нас за 27.322 дня (считайте, что это скорость вращения Луны). Однако, на осевое вращение у нее также уходит 27 дней. Поэтому земному наблюдателю кажется, что она стоит на месте. Этот эффект называют синхронным вращением.

Снимок Луны 1 февраля 2014 года (Алмада, Португалия). Здесь заметна «ночная» сторона Луны, которая впервые была описана еще 500 лет назад Леонардо да Винчи.

Сторона, направленная постоянно на Землю, называется ближней, а вторая – обратной. Иногда вторую называют еще темной стороной Луны, но это не совсем соответствует действительности, так как в момент нахождения спутника между Солнцем и нашей планетой (новолуние) вторая сторона освещена светом.

Но ее орбита и вращение не полностью одинаковы. Спутник обходит планету по вытянутой эллиптической орбите. Когда он подходит к нам максимально близко, то замедляет скорость вращения, что открывает доступ к наблюдению дополнительных 8 градусов восточной стороны. А вот в отдалении Луна ускоряется и показывает еще 8 градусов, но уже на западе.

Если бы вы повторили прогулку астронавтов с Аполлона-8 по дальней стороне, то разглядели бы совершенно иную поверхность. Пока ближняя усеяна морями (большие темные равнины, созданные заставшими лавовыми потоками), дальняя – кратерами.

Кто был на Луне?

На Луне побывало 12 человек. Нил и Базз были первыми людьми, оставившими на ней свои следы. За ними ступили Пит Конрад, Алан Бин, Алан Шепард, Эдгар Митчелл, Дэвид Скотт, Джеймс Ирвин, Джон Янг, Чарльз Дюк, Юджин Сернан и Харрисон Шмитт. Интересно, что из дюжины человек ходивших по Луне, никто никогда не делал это больше одного раза. Однако трем разным астронавтам повезло слетать к спутнику несколько раз. Джим Ловелл облетал Луну на «Аполлоне-8» и на «Аполлона-13». Джон Янг и Юджин Сернан облетели Луну на Аполлоне-10, затем Юнг высадился с «Аполлоном-16», а Сернан ходил по Луне во время миссии «Аполлона-17».

Все пилотируемые миссии к Луне осуществлялись в составе экипажей из трех человек. Непосредственно на поверхность высаживались по двое в специальном посадочном модуле. Третий член экипажа в ходе высадки находится на орбите Луны на борту космического аппарата (командного модуля), с помощью которого астронавты сначала летели к спутнику, а затем возвращались на Землю.

Оцените статью
Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Андрей Измаилов
Наш эксперт
Написано статей
116
Добавить комментарий