Полная версия

Главная arrow Прочие arrow АСТРОНОМИЯ. СОЛНЕЧНАЯ СИСТЕМА

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>

СПУТНИК ЗЕМЛИ—ЛУНА

Луна — единственный естественный спутник нашей планеты. Кроме того, Луна — единственное небесное тело за пределом Земли, где, помимо автоматических космических аппаратов, побывали люди: 12 астронавтов, участников американской космической программы «Аполлон», развернутой в 1961—1972 гг., в 1969—1972 гг. 6 раз успешно высаживались на Луну. В связи с этим Луна является наиболее изученным космическим объектом. На Земле имеется более 350 кг образцов лунного грунта, доставленного шестью пилотируемыми экспедициями США и тремя автоматическими лунными станциями СССР в период с 1969 по 1976 гг. из девяти районов лунной поверхности.

Как указано выше, Луна движется по эллипсу вокруг Земли (точнее, вокруг общего центра масс, находящегося на расстоянии 4672 км от центра Земли в направлении к Луне, т. е. примерно на глубине 1700 км под поверхностью Земли).

Среднее расстояние от Земли до Луны (большая полуось лунной орбиты) составляет 384 400 км = 0,00257 а. е. (около 30 диаметров Земли). Средний эксцентриситет эллиптической лунной орбиты составляет 0,055 и меняется от 0,044 до 0,072. В ближайшей к Земле точке орбиты (перигее) Луна приближается к нашей планете на 356 410 км, в самой дальней точке орбиты (апогее) она удаляется до 406 700 км.

Средняя скорость движения Луны вокруг Земли составляет 1,023 км/с. Плоскость лунной орбиты наклонена к эклиптике в среднем на 5° 08' 43,4". С периодом 173 сут этот наклон меняется от 4° 59' до 5° 17'.

Полный оборот вокруг Земли относительно удаленных звезд Луна совершает за 27,322 земных солнечных суток, или за сидерический (звездный) месяц. Период вращения Луны вокруг своей оси в точности равен периоду ее обращения вокруг Земли, т. е. сидерическому месяцу. Такое движение называется синхронным. В результате оказывается, что Луна всегда повернута к Земле одной и той же стороной. Причиной такого резонанса являются мощные приливные возмущения в системе Земля—Луна, действовавшие в течение по меньшей мере 4 млрд лет. Они привели к постепенному замедлению начальной скорости вращения Луны до синхронной.

Луна над Ликской обсерваторией, США (фото Rick Baldridge)

Рис. 7.7. Луна над Ликской обсерваторией, США (фото Rick Baldridge)

Если бы Луна двигалась вокруг нашей планеты по окружности, мы бы могли всегда видеть лишь одну половину лунного шара. Из-за непостоянства скорости движения Луны по эллиптической орбите, а также из-за наклона экватора Луны к плоскости своей орбиты, для наблюдателя на Земле Луна медленно «покачивается», позволяя заглядывать за видимый край то с одной, то с другой стороны. Такие покачивания называются либрациями. В результате, благодаря либрациям, в разное время доступны для наблюдений 59 % всей поверхности Луны. 41 % поверхности не наблюдаются с Земли никогда, 18 % поочередно то видимы, то невидимы.

Луна с точки зрения земного наблюдателя постоянно меняет свой вид, поскольку она оказывается по-разному повернутой к Земле своей освещенной Солнцем стороной. Наблюдаемая с Земли форма освещенной части лунного диска называется фазой Луны.

Традиционно выделяют четыре основные фазы Луны. Новолунием называется фаза, в которой Луна с Земли не видна, поскольку она теряется в солнечных лучах, находясь на небе рядом с Солнцем. В это время Луна оказывается повернутой к Земле неосвещенной (ночной) стороной. В фазе «первая четверть» Луна находится на 90° к востоку от Солнца и выглядит как полукруг, обращенный выпуклостью в сторону Солнца (к западу). Фаза «полнолуние» наблюдается, когда Солнце и Луна находятся в противоположных сторонах неба, Луна в это время повернута к Земле освещенной стороной. Наконец, фаза «последняя четверть» симметрична первой четверти: Луна в виде полукруга в 90° к западу, выпуклость обращена к востоку.

После новолуния Луна появляется к востоку от заходящего вечернего Солнца в виде тонкого серпа, обращенного выпуклостью к Солнцу, толщина серпа увеличивается с каждым днем. Период времени между всеми соседними фазами Луны — примерно неделя. Перед новолунием тонкий серп Луны виден на востоке справа от восходящего утреннего Солнца. Полнолуние и новолуние называются специальным термином сизигии, первая и последняя четверти — квадратурами.

Возрастом Луны называют промежуток времени, выраженный в сутках и долях суток, прошедший от предыдущего новолуния до рассматриваемого момента времени. Период повторяемости фаз Луны составляет 29,531 средних солнечных земных суток и называется синодическим месяцем.

Полное солнечное затмение 11 августа 1999 г

Рис. 7.2. Полное солнечное затмение 11 августа 1999 г.:

темное пятно в центре снимка — тень Луны; фото экипажа орбитальной станции «Мир», РФ

Затмения. В ходе движения Луны вокруг Земли бывают ситуации, когда тень Луны падает на земную поверхность (солнечные затмения), либо тень Земли падает на лунную поверхность (лунные затмения). Понятно, что затмения реализуются, когда Солнце, Луна и Земля оказываются на одной прямой.

Причиной солнечного затмения является конусообразная тень Луны, которую наш спутник периодически отбрасывает на поверхность Земли.

В зависимости от расстояния, конус тени может не доходить до поверхности нашей планеты, и тогда возможно только кольцеобразное затмение (см. рис. 7.1). Наблюдатель увидит светящийся ободок Солнца, не закрытый Луной. Фаза кольцеобразного затмения (доля диаметра, закрытая тенью) всегда меньше 1, но больше 0,95. Ширина полосы, откуда видно кольцеобразное затмение, может достигать 380 км. Полутень, т. е. область, где солнечный диск закрыт частично, гораздо шире — до 7340 км в диаметре.

Если тень Луны достигает земной поверхности, в этом месте наступает полное солнечное затмение. Фаза полного затмения всегда больше или равна 1. В этом случае максимальная ширина полосы затмения составляет 270 км, ширина полутени — до 6750 км в диаметре. Как и в случае кольцеобразного затмения, полутень может закрывать больше половины земного шара. Во всех точках полутени наблюдатель видит частное солнечное затмение, при котором Луна закрывает часть солнечного диска (фаза затмения меньше 1).

Крайние положения конуса лунной тени

Рис. 7.3. Крайние положения конуса лунной тени:

в среднем длина конуса лунной тени составляет 374 000 км; когда Луна в перигее, а Земля в афелии, конус тени проходит на 23 500 км дальше центра Земли и проецируется на поверхность Земли в виде эллипса размером 270 км или меньше; когда Луна в апогее, а Земля в перигелии, конус тени на 39 400 км не доходит до центра Земли, в такой ситуации полного затмения не будет, возможно только кольцеобразное

Если бы орбита Луны лежала точно в плоскости эклиптики (плоскости земной орбиты), то каждый месяц в момент новолуния Луна заслоняла бы Солнце, и происходило полное или кольцеобразное затмение, а в момент полнолуния — лунное затмение. Однако, как указано выше, орбита Луны наклонена к плоскости орбиты Земли на небольшой угол 5°08', и это обстоятельство делает затмения не редкими, но и не частыми явлениями.

Точки пересечения лунной орбиты с эклиптикой называются узлами; восходящий узел — там, где Луна в своем движении переходит из южного полушария неба в северное, и нисходящий узел — в противоположной части орбиты. Если бы узлы были неподвижны, затмения происходили бы два раза в год в одни и те же месяцы. Но линия узлов смещается примерно на 19 градусов в год навстречу Солнцу.

Поскольку видимые угловые диаметры Солнца и Луны на небе близки и составляют примерно 0,5°, затмение возможно только тогда, когда центр лунного диска будет не далее 0,5° от эклиптики при наблюдениях из центра Земли. Наблюдатель на поверхности нашей планеты удален от ее центра на 6378 км — величину радиуса Земли, что приводит к видимому смещению Луны еще на целый градус. Получается, что затмения возможны даже тогда, когда расстояние центра Луны от эклиптики составляет 1,5°.

Из рассмотрения рис. 7.4 можно понять, что частные солнечные затмения возможны, если новолуния происходят ближе 16—18° от одного из узлов в зависимости от соотношения угловых диаметров двух светил в этот момент. Полные же или кольцеобразные затмения происходят, если оба светила в момент новолуния оказались ближе, чем в 11,5° от эклиптики.

Солнце движется по эклиптике со средней скоростью около 1° в сутки. Расстояние в 16—18° до и после узла Солнце преодолевает за 32—36 дней. Это период (эпоха) возможных затмений. Впрочем, из-за встречного движения узлов эпоха затмений сокращается до 30—34 дней. Луна за это время делает один оборот вокруг Земли, в результате обязательно произойдет хотя бы одно новолуние, а иногда и два (вблизи краев зоны), так как они чередуются через синодический месяц (29,5 суток).

Условия наступления солнечных затмений

Рис. 7.4. Условия наступления солнечных затмений:

показаны положения Солнца и Луны при разных новолуниях вблизи восходящего узла Q?) лунной орбиты

Получается, что одно полное затмение вблизи середины этого периода или два частных у краев зоны гарантированы. Во втором узле Солнце окажется через полгода, или с учетом смещения узлов — через 178 суток. Это вторая эпоха затмений, где также может произойти одно или два затмения. Значит, ежегодно происходит минимум два солнечных затмения любого вида, а в очень редкие годы — до четырех-пяти частных затмений с небольшими фазами.

Несмотря на то, что затмения происходят каждый год, принято считать, что это редкое явление. Такое ощущение возникает потому, что ценность представляют наблюдения только полных солнечных затмений, когда Луна загораживает Солнце полностью, и на потемневшем небе становятся видны верхние слои солнечной атмосферы (корона

Солнца). Более частые частные солнечные затмения малоинтересны для науки и даже для любительских наблюдений. Кроме того, ширина полосы полного затмения невелика, она в лучшем случае покрывает не более 0,5 % земной поверхности, а часто и вовсе проходит по безлюдной океанской глади. В связи с этим в каждой точке земной поверхности полное солнечное затмение может повторяться один раз в 200—400 лет.

Промежуток времени, через который затмения повторяются в определенном порядке, составляет 6585,32 суток = 18 лет 11,3 дней и называется сарос. Через этот период времени практически точно повторяется взаимное положение Солнца и Луны относительно земного наблюдателя, и, значит, повторяется последовательность солнечных и лунных затмений.

Сарос содержит целое число (общее кратное) трех небесных циклов:

  • • 223 синодических лунных месяца (периода смены лунных фаз); синодический месяц S = 29,5306 суток;
  • • 242 драконических месяца (периода возвращения Луны к одному из узлов орбиты); драконический месяц М = 27,2122 суток;
  • • 19 драконических лет (периодов возвращения Солнца к тому же узлу лунной орбиты); драконический год Т = 346,6200 суток.
Полное солнечное затмение 20 марта 2015 г

Рис. 7.5. Полное солнечное затмение 20 марта 2015 г.

Фото В. В. Рябенко (экспедиция Иркутского государственного университета на о. Шпицберген)

Эти периоды с высокой точностью связаны между собой следующими соотношениями:

Другими словами, сарос — это наименьшее общее кратное для трех указанных циклов.

Затмения, которые происходят через сарос, равный 6585,33 суток или 18 лет 11,3 суток, очень похожи друг на друга, но область их видимости сдвинута относительно земной поверхности примерно на 120° по долготе из-за наличия добавки примерно в 0,3 суток в двух первых произведениях. В случае если в 18 лет данного сароса попадут пять високосных лет, он окажется на одни сутки короче — 18 лет 10,3 суток. Кроме того, происходит и небольшое смещение Солнца относительно узла, на что указывает третье произведение. В результате повтор затмения случится на 0,47° западнее по сравнению с предыдущим положением. Поскольку зона затмений лежит вблизи узла на интервале 36°, то каждое последующее затмение, постепенно смещаясь каждый раз на 0,47°, пройдет всю эту зону в среднем за 70 саросов или в течение времени от 1190 до 1330 лет.

Коллаж, отражающий ход полного лунного затмения 18 января 2018 г. в г. Братске. Фото С. Кульковой

Рис. 7.6. Коллаж, отражающий ход полного лунного затмения 18 января 2018 г. в г. Братске. Фото С. Кульковой

Внутреннее строение и магнитное поле. Диаметр Луны составляет 3476 км. Это в 3,5 раза меньше экваториального диаметра Земли (12 756,320 км). Масса Луны составляет 7,353 • 1022 кг, что равно

1 : 81,30 массы Земли. В Солнечной системе Луна оказывается на первом месте среди спутников по соотношению масс планета-спутник (если не учитывать пару Плутон-Харон). Средняя плотность Луны составляет 3,340 г/см3. Это существенно меньше средней плотности Земли (5,5 г/см3), что указывает на значительные различия во внутреннем строении двух небесных тел. В частности, этот факт может свидетельствовать о незначительных размерах железно-никелевого ядра, либо даже полном его отсутствии.

Дополнительным доводом в пользу гипотезы о малых размерах ядра служит отсутствие у Луны магнитного поля. Космические аппараты, работавшие на окололунных орбитах и пролетных траекториях, а также беспилотные и пилотируемые миссии на поверхности Луны показали, что Луна лишена магнитного поля (по крайней мере, подобного земному).

Тем не менее только в первом приближении можно говорить об отсутствии у Луны магнетизма. С помощью магнитометров, доставленных на Луну экипажами космических кораблей «Аполлон-12» и «Аполлон-14», удалось обнаружить два типа магнитных полей: постоянные поля, порожденные намагниченностью пород вблизи точки измерения, и переменные поля, вызванные электрическими токами в недрах Луны.

Переменные поля наводятся в теле Луны в результате внешнего воздействия со стороны межпланетного магнитного поля, порождаемого Солнцем. Направление и напряженность этого поля могут сильно и быстро изменяться, что приводит к генерации слабых наведенных лунных полей. Отмечена четкая зависимость параметров этих полей от вариаций потока заряженных частиц, испускаемых Солнцем, — солнечного ветра.

Что касается происхождения постоянных магнитных полей, то оно остается неизвестным. Постоянные поля на Луне носят локальный характер (имеют вид изолированных пятен), их параметры сильно меняются от точки к точке. В целом эти поля не укладываются в картину глобального дипольного магнитного поля, подобного земному (компас был бы на Луне бесполезен). Индукция постоянных полей составляет менее 0,1 % от значения индукции геомагнитного поля Земли (не превосходит 10~3 Гс).

В целом данные о постоянных магнитных полях на Луне можно считать отрывочными и неполными, поскольку непосредственные измерения на поверхности проводились недолго и всего в нескольких точках.

На протяжении ряда лет наиболее обоснованной считалась гипотеза о том, что источники постоянных полей на Луне до сих пор сохранили остаточную намагниченность, которую приобрели в неких сильных внешних полях, в настоящее время на Луне отсутствующих. Другая версия допускает существование у Луны в прошлом более сильного собственного магнитного поля (порядка 1 Гс). Доводы против такого подхода сводились к тому, что небольшое изначально расплавленное железно-никелевое ядро в сравнительно небольшом теле Луны должно было сравнительно быстро остыть и затвердеть. С его затвердеванием должны были прекратиться движения проводящего материала в недрах Луны (электрические токи), что должно было привести к ослаблению и исчезновению магнитного поля.

Однако в последние годы гипотеза о сравнительно продолжительном существовании магнитного поля в прошлом подтверждается результатами исследований образцов грунта, доставленного с Луны.

Оказалось, что породы, привезенные экипажами кораблей «Аполлон», содержат в себе застывшие капли расплавленного вещества (микроскопические сферулы), вынесенные на поверхность Луны вместе с древними потоками лавы в мантийных глубин. В этих застывших каплях почти полностью отсутствуют сера и углерод. Эксперименты, выполненные на Земле с расплавом аналогичного состава, показали, что даже небольшое ядро Луны из железа и никеля могло оставаться жидким при не очень высоких значениях температуры (до 1700 °С) и давления (до 50 000 атмосфер). Если кристаллизация происходила в глубине ядра, соответствующие процессы могли заставить двигаться остававшуюся жидкой часть ядра и продолжать генерировать магнитное поле.

Еще одна гипотеза допускает, что движение расплавленного металла в ядре Луны могло возникнуть из-за столкновений с Луной массивных импакторов — астероидов.

Кроме того, в пользу существования древнего магнитного поля Луны говорят результаты изучения стекловидного вещества (застывшего древнего расплава), скреплявшего отдельные булыжники горных пород. Внутри этого стекла обнаружены микроскопические зерна железосодержащих минералов, сохранивших остаточную намагниченность. Магнитное поле у Луны во время формирования этих пород (судя по данным радиоизотопного анализа, 1—2,5 млрд лет назад) еще существовало, но уже очень слабое — около 5 микротесла, что примерно в 10 раз меньше современного магнитного поля Земли.

В любом случае, есть основания полагать, что Луна все-таки обладала магнитным полем в далеком прошлом, и оно существовало достаточно долго (возможно, оно не исчезло еще 1 миллиард лет назад).

Сейсмические эксперименты, проведенные на Луне с помощью аппаратуры, доставленной туда экипажами «Аполлонов», позволили оценить характер распространения колебаний в теле Луны и сделать вывод о ее внутреннем строении. Источниками колебаний являлись падения ступеней космических аппаратов, искусственные взрывы на поверхности и даже падения метеоритов во время работы сейсмографов. В результате сложились следующие представления о строении Луны.

Толщина каменистой лунной коры в среднем больше земной — от около 60 (на видимой стороны Луны) до 100 км (на обратной стороне Луны). Верхний слой называется реголит (по разным оценкам, от 2—3 м до 40 м). Это измельченный метеоритами рыхлый, пористый мелкообломочный материал с очень низкой теплопроводностью и низкой плотностью порядка 0,5 г/см3. По своим свойствам реголит похож на влажный песок или мелкий шлак: американские астронавты оставляли следы глубиной в несколько сантиметров. Реголит покрывает коренные скальные породы.

Синтезированное из многих снимков изображение поверхности Луны

Рис. 7.7. Синтезированное из многих снимков изображение поверхности Луны:

а — видимое с Земли полушарие; б — невидимое полушарие (спутник Луны LRO, NASA)

В некоторых местах на глубинах в десятки и первые сотни метров залегают выбросы, образовавшиеся при формировании больших ударных кратеров. До глубины в 1 км наблюдаются слои из трещиноватого базальта (застывших, в прошлом расплавленных вулканических пород).

Ниже 60—100 км начинается мантия, которая делится на три составляющие — верхнюю, среднюю и нижнюю. До 400 км простирается верхняя мантия, здесь сейсмические скорости слабо убывают с глубиной. На глубинах 500—1000 км находится средняя мантия, сейсмические скорости здесь постоянны. Наконец, ниже 1000—1100 км залегают слои нижней мантии, сейсмические скорости здесь растут с глубиной.

Ниже, вероятно, находится небольшое железно-никелевое ядро. Оценки радиуса ядра, выполненные на основе экспериментов с радиоизмерениями на борту американского космического аппарата «Лунар Проспектор» в 1999 г., лежат в пределах от 220 до 450 км. Магнитные данные соответствуют гравитационным и позволяют оценить радиус ядра величиной от 300 до 425 км. В любом случае, ядро Луны невелико и его масса составляет не больше 2—4 % от общей массы Луны, в то время когда ядро Земли содержит 30 % массы нашей планеты.

Упомянутые выше сейсмографы, доставленные американскими астронавтами на поверхность Луны в 1969—1972 гг., показали, что

юо

сейсмическая активность нашего спутника крайне низка, суммарная энергия «лунотрясений» примерно в миллиард раз меньше, чем у Земли. Причинами лунотрясений, судя по всему, является растрескивание коры из-за больших перепадов температуры. Лунотрясения в литосфере, зарегистрированные на глубинах до 100 км, вызываются касательными напряжениями. Причиной глубокофокусных лунотрясений (на мантийных глубинах 700—1000 км) считаются приливы, вызываемые Землей. Особенности сейсмических колебаний позволили сделать предварительный вывод о том, что лунные породы сухи, воды там нет. Впрочем, незначительное количество связанной воды в минералах поверхностного слоя все-таки присутствует. Кроме того, появились косвенные свидетельства тому, что вода присутствует и под поверхностью. Окончательные выводы о запасах воды на Луне, по-видимому, будут сделаны в ходе будущих исследований.

Уровень вулканизма на Луне считается крайне низким. По современным данным, вулканические извержения завершились как минимум 500 млн лет назад (ранее считалось, что эта эпоха закончилась существенно раньше). В то же время есть отдельные указания о современных истечениях вулканических газов. Визуальные спектральные наблюдения такого извержения в кратере Альфонс в 1958 г. провел астроном Пулковской обсерватории Н. А. Козырев. В 1972 г. профессиональный геолог, участник последней (шестой) высадки на Луну, член экипажа космического корабля «Аполлон-17» Харрисон Шмитт обнаружил на лунной поверхности следы воздействия вулканических газов (фумарол) оранжевого цвета.

Кратерированная поверхность Луны (Фото

Рис. 7.8. Кратерированная поверхность Луны (Фото: «Apollo-15», NASA)

 
<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>