поле тяготения Луны вносит большой дискомфорт, который, скорее всего, и явился причиной эволюции. Очень возможно, что именно история Луны играла решающую роль во всех эволюционных процессах на Земле. Мы пришли также к мысли, что именно зона экваториального пояса находилась и находится в состоянии максимального дискомфорта. Значит, именно здесь и должна была начаться биологическая эволюция.

31.3. Гравитационное поле Луны

Рассмотрим взаимодействие, вызванное влиянием гравитационного поля Луны на объекты на Земле, и в том числе на человека. В этом случае отсутствует непосредственный контакт между Луной и телами, испытывающими ее гравитационное воздействие. Начнем с гравитационного воздействия Луны на воду в океане. Это воздействие определяется природой приливных сил, то есть, определяется силой гравитационного притяжения молекул воды, находящихся на различных расстояниях от Луны. Естественно, что приливные силы более значительны там, где разница в этих расстояниях значительна, то есть, приливные силы наиболее существенно проявляют себя в океанах, имеющих большую глубину. Мало того, приливные силы лучше себя проявляют при наличии больших объемов воды. Это можно объяснить тем, что и сила, и энергия гравитационного взаимодействия пропорциональна массе взаимодействующих объектов. С одной стороны, в этом взаимодействии участвует Луна, с другой стороны, в нем участвует масса воды в водоеме. Если объем водоема мал, то и сила мала, и поэтому ей не так просто себя проявить. Если же масса воды велика, то и сила, и энергия гравитационного взаимодействия становятся ощутимыми и даже наблюдаемыми.

Можно эту проблему рассмотреть на наглядной модели. Представим себе, что над Луной, обладающей гравитационным полем, подвешен Земной шар. Вода на земном шаре не может оторваться от Земли, но стекает в нижнюю часть подвешенного земного шара. Больше всего воды стекает в точку, расположенную на прямой линии, соединяющей центры тяжести Луны и Земли. Именно здесь гравитационное воздействие Луны на воду на поверхности Земли имеет максимальное значение, именно здесь должен наблюдаться максимальный подъем уровня воды в океане. Мало того, земной шар вращается вокруг оси так, что место, куда стекает вода, постоянно меняется. И тогда становится понятным, почему приливы более заметны для больших объемов воды. Мы полагаем, что именно так происходит значительное повышение уровня воды в океане во время приливов, вызванных гравитационным воздействием Луны.

Действию приливных сил подвержены не жесткие системы, а именно те, которые легче поддаются деформациям. Трамвай, например, представляет собой достаточно жесткий объект, который, грубо говоря, легко переносит моменты торможения и ускорения, поэтому трамвай – это система, имеющая жесткую структуру, которая слабо подвержена деформациям. Это позволило нам сделать вывод, что деформация вакуума зависит от жесткости системы, а жесткость системы зависит от того, как эта система удерживает вакуум в состоянии расслоения. И получается так, что жесткая система не допускает лишних изменений в своей структуре, в своем строении. Такая система в поле тяготения почти не подвержена деформационным изменениям. И есть системы, которые легко поддаются деформациям. И эти системы можно назвать деформируемыми системами. И эти системы легко поддаются воздействиям полей тяготения. У Земли самым деформируемым оказался водный покров. У человека самой жесткой является его скелетная основа, а самым деформируемым, скорее всего, является мозг и нервные клетки. Клетки, в большем своем объеме, состоят из воды, а самыми подвижными, самыми изменчивыми клетками организма являются нервные клетки, а, следовательно, и клетки головного мозга. Вот вам и физическая основа явлений парапсихологии, и, возможно, и феномена экстрасенсов. И можно предположить, что, скорее всего, дело именно в подвижности, деформируемости системы, то есть, мы полагаем, что степень деформируемости системы может зависеть от индивидуальных свойств организма конкретного человека. Если человек обладает такими способностями, он может стать экстрасенсом.

На состояние комфорта человека оказывают влияние и Земля, и Луна, и Солнце. Поле тяготения Земли вызывает постоянное состояние дискомфорта, к которому человек привыкает еще задолго до своего рождения. А вот Луна, как раз, и вносит в это состояние постоянно изменяющийся дискомфорт. Состояние дискомфорта зависит от взаимного положения Земли, Солнца и Луны. Зная их взаимное положение, можно предположить, что Луна и Солнце вносят состояние дискомфорта в большей степени в область экваториального пояса, или пояса, близкого к экватору. Но это географически достаточно широкий пояс, и мы полагаем, что это самое благоприятное место для катастроф. И катастрофы чаще всего происходят именно в экваториальной зоне, то есть, в зоне, расположенной на оси Земля – Солнце.

Луна и ее гравитационные свойства оказывают на нашу Землю более значительное влияние, чем Солнце, и, тем более, чем далекие зодиакальные созвездия. Причиной приливов в океанах и открытых морях является поле тяготения Луны. Солнце тоже вызывает приливы, но это влияние Солнца незначительно из-за большого расстояния Солнца от Земли. Таким образом, самое сильное влияние на состояние человека должно оказывать гравитационное поле Луны. А поскольку плоскость орбиты Луны наклонена к плоскости эклиптики всего под углом около , то наши рассуждения о нестабильности и дискомфорте экваториального пояса остаются в силе. Только причиной этой нестабильности оказывается Луна, а не Солнце. Таким образом, мы пришли к выводу, что поле тяготения Луны вносит большой дискомфорт, который, скорее всего, и явился причиной эволюции. Очень возможно, что именно история Луны играла решающую роль во всех эволюционных процессах на Земле. Мы пришли также к мысли, что именно зона экваториального пояса находилась и находится в состоянии максимального дискомфорта. Значит, именно здесь и должна была начаться биологическая эволюция.

На данной странице ниже представлен раздел книги Рабчевской О.В. « Мир, рожденный из пустоты ».

В книге « Мир, рожденный из пустоты » автор предпринял первую попытку понять, как устроена Вселенная.

В книге допущены неточности, которые автор пытался устранить во второй книге: « », которая находится на сайте. Все разделы книги «Вселенная как состояние вакуума» доступны через ссылки в конце каждой страницы сайта.

Книгу « Мир, рожденный из пустоты »

На сайте приведены выборочные разделы книги »Мир, рожденный из пустоты»

Новая гравитационная карта Луны была создана в рамках космической миссии под названием "Программа изучения гравитационного поля и внутреннего строения Луны и реконструкции ее тепловой истории" или GRAIL (The Gravity Recovery and Interior Laboratory). Она позволяет ученым узнать о внутреннем строении Луны и ее физико-химическом составе в беспрецедентных деталях, а также обеспечит лучшее понимание того, как формировались и развивались Земля и другие твердые планеты в Солнечной системе. Данные получены с двух космических аппаратов. Эти зонды, работающие в связке, движутся один за другим, по одной и той же орбите в 55 км над поверхностью Луны. Они постоянно и с микронной точностью измеряют расстояние между собой, фиксируя все изменения, связанные с гравитационными аномалиями. То есть если расстояние между двумя аппаратами изменится, хоть незначительно, а они пролетают над областями с большей или меньшей гравитацией, то это вызвано наличием каких-либо видимых морфологических объектов. Это могут быть, например, как горы и кратеры, так и массивные объекты, скрытые под поверхностью Луны.

Карта гравитационного поля показывает обилие сенсационных материалов и большое количество деталей - тектонических структур, вулканических ландшафтов, кольцевых кратеров и центральных пиков, а также многочисленных простых, чашеобразных кратеров. Данные, полученные в результате работы, также говорят о том, что гравитационное поле Луны значительно отличается от всех планет земного типа в нашей Солнечной системе.

"Благодаря этой карте мы знаем Луну лучше, чем любое другое небесное тело, - сказала главный исследователь проекта GRAIL Мария Зубер из Массачусетского технологического института в Кембридже. - Когда мы видим заметное изменение гравитационного поля, мы можем сравнивать эти данные с элементами рельефа на поверхности Луны, например, с кратерами, бороздами или горами".

По мнению Зубер, гравитационное поле Луны хранит память о воздействии метеоритных бомбардировок, которые характерны для всех планет земного типа, и обнаруживает доказательства внутренних разломов, уходящих вглубь коры и, возможно, до самой мантии.

Зонды-близнецы, остроумно названные американскими школьниками "Прилив" и "Отлив", показали, что объемная плотность лунных горных пород существенно ниже, чем было принято считать. Это хорошо согласуется с удивившими когда-то всех специалистов данными, полученными во время лунных миссий Apollo в начале 1970-х годов. Геологические образцы, тогда привезенные астронавтами, позволили в свое время выдвинуть гипотезу о том, что лунные породы - сильно пористые.

Лунные масконы. Детальное изучение поля силы тяжести Луны стало возможно после выведения космических спутников на орбиту искусственных спутников Луны. Наблюдения за орбитами спутников велись с помощью трех наземных станций.

По изменению частоты спутникового передатчика определялись так называемые «лучевые ускорения» - проекции ускорения силы тяжести на направление Земля - спутник (для центральной части видимой стороны Луны эти ускорения соответствовали вертикальной составляющей).

Первые построения картины гравитационного поля Луны были проведены советскими исследователями по результатам полета космического аппарата «Луна-10», в дальнейшем данные уточнялись по наблюдениям за орбитами искусственных спутников серии «Лунар Орбитар», а также на тех участках трасс космических кораблей «Аполлон», где их орбиты вокруг Луны определялись лишь полем ее силы тяжести.

Гравитационное поле Луны оказалось сложнее и неоднороднее земного, поверхность равного потенциала силы тяжести более неровная, и источники аномалий расположены ближе к поверхности Луны. Существенной особенностью лунного поля силы тяжести явились крупные положительные аномалии, приуроченные к круглым морям, которые были названы масконами (от английского - «концентрация масс»). При подлете к маскону скорость спутника возрастает; после пролета спутник слегка притормаживается, при этом высота орбиты меняется на 60 - 100 м.

Вначале были обнаружены масконы в морях видимой стороны: Дождей, Ясности, Кризисов, Нектара, Влажности; их размеры достигали 50 - 200 км (они укладывались в контуры морей), а величины аномалий составляли 100–200 мгал . Аномалия Моря Дождей соответствовала избытку массы порядка (1,5–4,5) х 10 -5 массы всей Луны.

Впоследствии были открыты более массивные масконы на границе видимой и обратной сторон в Морях Восточное и Краевое, а также огромный маскон в экваториальной зоне центра обратной стороны Луны. В этом месте моря нет, поэтому маской назван «Скрытым». Его диаметр более 1000 км, масса в 5 раз превышает избыточную массу Моря Дождей. Скрытый маскон способен отклонить на 1 км спутник, летящий на высоте 100 км. Суммарная избыточная масса, соответствующая положительным аномалиям силы тяжести. превышает 10 -4 массы Луны. Ряд отрицательных аномалий оказался связанным с лунными горами: Юра, Кавказ, Тавр, Алтай.

Аномалии силы тяжести отражают особенности распределения масс вещества в недрах Луны. Если, например, допустить, что масконы создаются точечными массами, то глубины их залегания должны составлять в Море Дождей около 200 км, в Море Ясности - 280 км, Кризисов - 160 км, Спокойствия - 180 км, Изобилия - 100 км, Познанном - 80 км, Океане Бурь - 60 км. Таким образом, измерения силы тяжести обнаружили неоднородное распределение плотности в верхней мантии.

Электропроводность. Ни одна из лунных экспедиций не провела непосредственных измерений электрического поля Луны. Оно было рассчитано по вариациям магнитного поля, зарегистрированного магнитометрами на станциях «Аполлона-12, -15, -16» и «Луноходе-2».

Луна, лишенная магнитосферы, при своем вращении вокруг Земли периодически оказывается в полнолуние в невозмущенной земной магнитосфере, в новолуние - в солнечном ветре и дважды по 2 дня - в переходном. ударном слое.

Флуктуации внешнего межпланетного магнитного поля проникают в Луну и индуцируют в ней поле вихревых токов. Время нарастания индуцированного поля зависит от распределения электропроводности в лунных недрах. Одновременные измерения внешнего переменного поля над Луной и вторичного поля на поверхности позволяют вычислить лунную электропроводность.

Луна устроена «удобно» для магнитно-теллурического зондирования. Межпланетное магнитное поле, вытянутое из Солнца, однородно, фронт его можно считать плоским, а потому для исследования не нужна, как на Земле, сеть лабораторий. Благодаря тому что Луна имеет более высокое электрическое сопротивление, чем Земля, для ее зондирования достаточно двух часовых наблюдений, тогда как на Земле нужны годовые.

Обтекающий Луну солнечный ветер, имеющий высокую проводимость, как бы окутывает Луну фольгой, не выпуская на поверхность индуцированные в недрах поля. Поэтому на солнечной стороне Луны можно использовать лишь горизонтальную компоненту переменного магнитного поля, тогда как на ночной стороне, где работает и вертикальная компонента, ситуация больше похожа на земную.

Магнитометрами «Аполлонов» была зарегистрирована реакция Луны в солнечном ветре на ночной и дневной сторонах, а также в геомагнитном шлейфе, где сведены к минимуму плазменные эффекты солнечного ветра.

В кратере Лемонье на солнечной стороне Луны на «Луноходе-2» было зафиксировано становление во времени флуктуации солнечного магнитного поля. При этом горизонтальная компонента магнитного поля отражает глубинную электропроводность Луны, а величина вертикальной компоненты на большом времени характеризовала напряженность внешнего поля Луны. Экспериментальный график кажущегося сопротивления интерпретировался путем сравнения с теоретическими кривыми.

Советскими (Л. Л. Ваньян и другие) и зарубежными (К. Сонет, П. Дайел и другие) исследователями построены различные модели электропроводности Луны, Отличаясь в некоторых деталях, они дают в общем сходные распределения электрических свойств лунного материала с глубиной: в верхних 200 км находится плохопроводящий слой с удельным сопротивлением более 106 ом · м; глубже залегает слой пониженного сопротивления (103 ом · м) мощностью 150–200 км, до 600 км сопротивление возрастает на порядок и далее опять убывает до 103 ом · м на глубине 800 км (рис. 9).

Рис. 9. Глубинная структура Земли (толстые линии) и Луны (тонкие) по геофизическим данным:

1 - скорости продольных волн; 2 - скорости поперечных волн; 3 - электропроводность. Вертикальная шкала - глубины по отношению к соответствующим радиусам Земли и Луны

Проведенные к настоящему времени электрические зондирования Луны выявляют следующие основные особенности:

Луна в целом имеет более высокое сопротивление, чем Земля. Сверху ее находится мощный изоляционный слой; с глубиной электропроводность растет. Обнаружено радиальное расслоение Луны и намечается неоднородность в горизонтальном направлении по электрическому сопротивлению.

По профилям электропроводности и зависимости проводимости от температуры оценена температура внутри Луны для разного состава мантии. Во всех случаях до глубины 600–700 км температура лежит ниже температуры плавления базальтов, а на больших глубинах достигает или превышает ее.

Сопоставление глубинных температур с температурами плавления пород при различных давлениях позволило ученым оценить такой важный физический параметр, как коэффициент вязкости. Он характеризует способность горных пород перемещаться под действием напряжений.

Верхняя 200 - 300-километровая оболочка Луны имеет очень большой коэффициент вязкости 10 26 - 10 27 пуаз . Это на 2–3 порядка выше, чем на соответствующих глубинах Земли, даже если брать самые жесткие регионы древних кристаллических щитов. От поверхности к центру Луны вязкость падает; глубже 500 км она уменьшается в 100 - 1000 раз, т. е. становится соизмеримой с вязкостью мантии Земли. В астеносфере Луны вязкость резко уменьшается до значений, свойственных астеносфере Земли (10 20 - 10 21 пуаз).

Тепловой поток. До полетов космических кораблей считалось, что содержание радиоактивных элементов 235 U, 238 U, 232 Th, 40 K в недрах Луны в среднем такое же, как в хондритовых метеоритах или в мантии Земли. Тепловой поток, идущий из недр Луны через ее поверхность, оценивался по аналогии с соответствующим потоком Земли, где ежесекундно через каждый 1 см 2 поверхности «улетучивается» в космос 1,5 - 10 -6 калл тепла. Радиус Луны в 3,6 раза меньше, чем Земли, ее поверхность составляет 7,5 %, а объем - 2 % земного. При условии одинаковости концентрации радиоактивных изотопов в единице объема для Луны предсказывалось значение теплового потока 0,36 · 10 -6 калл/см 2 с.

В 1964 г. советские астрономы во главе с В. С. Троицким измерили тепловое излучение Луны в диапазоне длин волн от 1 мм до 3 см и получили неожиданно высокое значение среднего теплового потока (0,85 - 0,95) 10 -6 ккал/см2с, почти втрое превышающее расчетное. Это могло свидетельствовать о более высоком содержании радиоактивных изотопов или о том, что источники тепла сконцентрированы вблизи поверхности.

Неожиданный результат был подтвержден непосредственным измерением теплового потока на Луне. Прямые измерения теплового потока на лунной поверхности были проведены в двух экспедициях астронавтов на Луну: в июле 1971 г. в районе Хэдли Рилл на восточном краю Моря Дождей («Аполлон-15») и в декабре 1972 г. в районе Тавр-Литтров в узком заливе на юго-востоке Моря Ясности («Аполлон-17»). Астронавты пробурили скважины, вставили фиброгласовые трубки и поместили в них термозонды для измерения температуры и теплопроводности. Каждый зонд обеспечивал измерение на 11 глубинах и состоял из 8 платиновых термометров сопротивления и 4 термопар. Было установлено 2 зонда на глубинах 1 и 1,4 м на станции «Аполлона-15» и один на 2,3 м - на «Аполлоне-17». Отсчеты передавались на Землю каждые 7 мин. Обработаны данные за 3,5 года по первой и за 2 года по второй станциям. Сигналы начинали анализироваться лишь через месяц после запуска приборов, когда установилось их тепловое равновесие с реголитом. Несмотря на огромные тепловые контрасты на поверхности (+130 °C днем, - 170 °C ночью), температурные флуктуации практически затухали на глубине 0,8 м. тогда как годовые колебания температуры ощущались на всех исследованных глубинах. Для измерения теплопроводности лунного грунта по команде с Земли на 36 ч были включены электронагреватели. По тому как росла температура, определяли величину теплопроводности. Теплопроводность реголита оказалась очень низкой и сильно зависящей от температуры. У поверхности она составляла лишь 0,3 · 10 -5 ккал · (см · К) -1 , глубже по мере уплотнения она возрастала, достигая на глубине 1–2 м значений ~0,24 · 10 -4 ккал · (см · К) -1 , в 250-метровом верхнем слое теплопроводность, по-видимому, остается очень низкой, на 2–3 порядка меньше, чем в недрах Луны, в 10 раз меньше, чем в прекрасном теплоизоляторе - воздухе, и в 40 раз меньше, чем в воде. Таким образом, реголит Луны, образовавшийся в результате перемалывания обломочных пород ударами метеоритов, представляет своеобразное «одеяло», играющее для Луны роль термостата и уменьшающее потерю ее тепла. Например, при образовании Моря Дождей обширные прилегающие территории были покрыты обломочными породами. Благодаря этому за последние 100 млн. лет температура на глубине 25 км должна была подняться с 300 до 480 °C. По величине теплопроводности и по перепаду температур был рассчитан тепловой поток, проходящий через поверхность Луны. Его значения для района Апеннин - 0,53 · 10 -6 ккал · (см 2 · с) -1 , в районе Декарта - 0,38 · 10 -6 ккал · (см 2 · с) -1 . Различие на 40 % превосходит погрешности измерений, эффект местного рельефа и характеризует горизонтальную изменчивость содержания радиоактивных изотопов в лунной коре.

Среднее расстояние между центрами Земли и Луны - 384 467 км (0,002 57 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 является единственным астрономическим объектом вне Земли, на котором побывал человек.

Название

Слово луна восходит к праслав. *luna < пра-и.е. *louksnā́ «светлая» (ж. р. прилагательного *louksnós), к этой же индоевропейской форме восходит и лат. lūna «луна». Греки называли спутник Земли Селеной (др.-греч. Σελήνη), древние египтяне - Ях (Иях).

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 384 399 км. Реальное движение Луны довольно сложное, 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:

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 лет. Это движение является прецессионным;

поворот большой оси лунной орбиты (линии апсид) с периодом 8,8 лет (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 (примерно на 4 см в год), таким образом, её орбита представляет собой медленно раскручивающуюся спираль.

Общее строение

Луна состоит из коры, верхней мантии (астеносферы), средней мантии, нижней мантии и ядра. Атмосфера практически отсутствует. Поверхность Луны покрыта так называемым 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.

Толщина коры Луны меняется в широких пределах от 0 до 105 км. По данным со спутников гравитационной разведки GRAIL, толщина лунной коры больше на том полушарии, которое обращено к Земле.

Условия на поверхности Луны

Атмосфера Луны крайне разрежена. Когда поверхность не освещена Солнцем, содержание газов над ней не превышает 2,0·10 5 частиц/см³ (для Земли этот показатель составляет 2,7·10 19 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 −160 °C до +120 °C), 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, со звёздами, даже когда Солнце находится над горизонтом.

Земной диск висит в небе Луны почти неподвижно. Причины небольших ежемесячных колебаний Земли по высоте над лунным горизонтом и по азимуту (примерно по 7°) такие же, как у либраций. Угловой размер Земли при наблюдении с Луны в 3,7 раз больше, чем лунный при наблюдении с Земли, а закрываемая Землёй площадь небесной сферы в 13,5 раз больше, чем закрываемая Луной. Степень освещённости Земли, видимая с Луны, обратна лунным фазам, видимым на Земле: в полнолуние c Луны видна неосвещённая часть Земли, и наоборот. Освещение отражённым светом Земли примерно в 50 раз сильнее, чем освещение лунным светом на Земле, максимальная видимая звёздная величина Земли на Луне составляет приблизительно −16 m .

Гравитационное поле

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 P n m - присоединённый полином Лежандра, G - гравитационная постоянная, M - масса Луны, λ и θ - долгота и широта.

Приливы и отливы

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 приливной волны 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.

Магнитное поле

Считается, что источником магнитного поля планет является тектоническая активность. Например, у Земли поле создаётся движением расплавленного металла в ядре, у - последствиями прошлой активности.

«Луна-1» в 1959 году установила отсутствие однородного магнитного поля на Луне. 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.

Наблюдение Луны с Земли

Связь фаз Луны с её положением относительно Солнца и Земли. Зелёным цветом выделен угол, на который Луна повернётся с момента окончания сидерического месяца до момента окончания синодического месяца.

В южном полушарии Луна - перевернутая, как на этом австралийском снимке.

Угловой диаметр Луны очень близок к солнечному и составляет около половины градуса. Луна с Земли выглядит бело-желтой, хотя отражает только 7 % падающего на неё солнечного света (примерно как древесный уголь). 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.

Лунные либрации

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 земной 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.

Из-за рефракции в атмосфере Земли при наблюдении Луны низко над горизонтом наблюдается приплюснутость её диска.

Время (1,255 секунды), за которое свет, пущенный с Земли, достигает Луны. Рисунок выполнен в масштабе.

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.

Селенология

Радиальная гравитационная аномалия на поверхности Луны.

Благодаря её размеру и составу Луну иногда относят к планетам земной группы наряду с Меркурием, Венерой, Землёй и Марсом. Изучая геологическое строение Луны, можно многое узнать о строении и развитии Земли.

Толщина коры Луны в среднем составляет 68 км, изменяясь от 0 км под лунным морем Кризисов до 107 км в северной части кратера Королёва на обратной стороне. Под корой находится мантия и, возможно, малое ядро из сернистого железа (радиусом приблизительно 340 км и массой, составляющей 2 % массы Луны). Любопытно, что центр масс Луны располагается примерно в 2 км от геометрического центра по направлению к Земле. По результатам миссии «Кагуя» было установлено, что в Море Москвы толщина коры наименьшая для всей Луны - почти 0 метров под слоем базальтовой лавы толщиной 600 метров.

Измерения скорости спутников «Лунар Орбитер» позволили создать гравитационную карту Луны. С её помощью были обнаружены уникальные лунные объекты, названные масконами (от англ. mass concentration) - это массы вещества повышенной плотности.

Луна не имеет магнитного поля, хотя некоторые из горных пород на её поверхности проявляют остаточный магнетизм, что указывает на возможность существования магнитного поля Луны на ранних стадиях развития.

Не имеющая ни атмосферы, ни магнитного поля, поверхность Луны подвержена непосредственному воздействию солнечного ветра. В течение 4 млрд лет водородные ионы из солнечного ветра внедрялись в реголит Луны. Таким образом, образцы реголита, доставленные миссиями «Аполлон», оказались очень ценными для исследования солнечного ветра.

В феврале 2012 года американские астрономы обнаружили на обратной стороне Луны несколько геологических новообразований. Это свидетельствует о том, что лунные тектонические процессы продолжались ещё как минимум 950 миллионов лет после предполагаемой даты геологической «смерти» Луны.

Пещеры

Японским зондом Кагуя обнаружено отверстие в поверхности Луны, расположенное недалеко от вулканического плато Холмы Мариуса, предположительно ведущее в тоннель под поверхностью. Диаметр отверстия составляет около 65 метров, а глубина, предположительно, 80 метров.

Учёные считают, что подобные тоннели сформированы путём затвердевания потоков расплавленной породы, где в центре застыла лава. Данные процессы происходили в период вулканической активности на Луне. Подтверждением данной теории является наличие извилистых борозд на поверхности спутника.

Подобные тоннели могут послужить для колонизации, благодаря защите от солнечной радиации и замкнутости пространства, в котором проще поддерживать условия жизнеобеспечения.

Похожие отверстия имеются и на Марсе.

Сейсмология

Оставленные на Луне экспедициями «Аполлон-12», «Аполлон-14», «Аполлон-15» и «Аполлон-16» четыре сейсмографа показали наличие сейсмической активности. Исходя из последних расчетов учёных, лунное ядро состоит главным образом из раскалённого железа. Из-за отсутствия воды колебания лунной поверхности продолжительны по времени, могут длиться более часа.

Лунотрясения можно разделить на четыре группы:

приливные, случаются дважды в месяц, вызваны воздействием приливных сил Солнца и Земли;
тектонические - нерегулярные, вызваны подвижками в грунте Луны;
метеоритные - из-за падения ;
термальные - их причиной служит резкий нагрев лунной поверхности с восходом Солнца.

Наибольшую опасность для возможных обитаемых станций представляют тектонические лунотрясения. Сейсмографами НАСА за 5 лет исследований было зарегистрировано 28 подобных лунотрясений. Некоторые из них достигают 5,5 баллов по шкале Рихтера и длятся более 10 минут. Для сравнения на Земле подобные землетрясения длятся не более двух минут.

Вода на Луне

Впервые сведения об обнаружении воды на Луне были опубликованы в 1978 году советскими исследователями в журнале «Геохимия». Факт был установлен в результате анализа образцов, доставленных «Луна-24» в 1976 году. Процент найденной в образце воды составил 0,1.

В июле 2008 года группа американских геологов из Института Карнеги и Университета Брауна обнаружила в образцах грунта Луны следы воды, в большом количестве выделявшейся из недр спутника на ранних этапах его существования. Позднее бо́льшая часть этой воды испарилась в космос.

Российские учёные, с помощью созданного ими прибора LEND, установленного на зонде LRO, выявили участки Луны, наиболее богатые водородом. На основании этих данных НАСА выбрало место для проведения бомбардировки Луны зондом LCROSS. После проведения эксперимента, 13 ноября 2009 года НАСА сообщило об обнаружении в кратере Кабеус в районе южного полюса воды в виде льда.

Согласно данным, переданным радаром Mini-SAR, установленном на индийском лунном аппарате Чандраян-1, всего в регионе северного полюса обнаружено не менее 600 млн. тонн воды, большая часть которой находится в виде ледяных глыб, покоящихся на дне лунных кратеров. Всего вода была обнаружена в более чем 40 кратерах, диаметр которых варьирует от 2 до 15 км. Сейчас у учёных уже нет никаких сомнений в том, что найденный лёд - это именно водный лёд.

Химия лунных пород

Карта концентрации тория на поверхности Луны согласно данным Lunar Prospector.

Состав лунного грунта существенно отличается в морских и материковых районах Луны. Лунные породы обеднены железом, водой и летучими компонентами.

У Земли и Луны весьма непростые взаимоотношения. После активного и тесного общения в 60-е и 70-е, после высадок астронавтов и поездок луноходов, после доставки и изучения грунта, мировая космонавтика практически забыла о спутнике Земли, сконцентрировав деятельность на других направлениях. Это даже стало причиной появления мифа будто кто-то или что-то запретило людям изучать Луну. Однако исследования продолжаются, причем довольно активные, об этом сегодня и поговорим.

После старта возвращаемого модуля АМС «Луна-24» , и доставки последней щепотки реголита между Землей и Луной остался только вакуум. Лишь спустя 14 лет космонавтика стала возвращаться к Луне. Правда о пилотируемых путешествиях пока забыли — слишком невыгодное соотношение между затратами и научно-практической пользой от полета. Поэтому сейчас летают, в основном, спутники, слетал один луноходик, и готовятся другие посадочные аппараты.

В 90-е гг. первыми к Луне вернулись японцы, снарядившие миссию Hiten.

Спутник, по большей части, предназначался только для отработки технологии перелетов, гравитационных маневров, аэродинамического торможения в атмосфере Земли, т.е. учились летать между Землей и Луной. На борту у него был микроспутник, который хотели выбросить на окололунной орбите, но аппарат не включился.

В 1994-м году к Луне отправился американский исследовательский аппарат Clementine.

Ее тоже использовали для тестов и изучения влияния дальнего космоса на электронику, но к этому добавили еще и несколько приборов: ультрафиолетовый и инфракрасные спектрометры, и камеру высокого разрешения с шестью цветными фильтрами на колесе (подробнее о том, ). Благодаря им удалось начать геологическое картографирование Луны.

Был еще лазерный высотомер для создания трехмерной карты лунной местности. На основе данных Clementine удалось создать приложение Google Moon, которое потом дополнили снимками с орбитальных модулей Apollo, и японской автоматической Kaguya.

Снимки камеры высокого разрешения Clementine оказались не особо-то высокого разрешения — от 7 до 20 метров, т.к. спутник летал на высоте около 400 км — с такого расстояния много не рассмотришь.

Снимок в расширенных цветах, позволяющий увидеть различия геологических пород .

Зато благодаря Clementine ученые получили первые косвенные данные о наличии на полюсах Луны воды в повышенной концентрации.

Следом, в 1998 году, полетел Lunar Prospector, тоже от NASA.

Его камерами вообще не оборудовали, и устроен он был довольно примитивно, но он смог провести первое геологическое картографирование Луны при помощи нейтронного датчика и гамма-спектрометра. Спутнику удалось определить, что на полюсах Луны вода может достигать концентрации 10% в грунте.

Применение гамма-спектрометра (подробнее о том, ) позволило определить распределение по поверхности кремния, железа, титана, алюминия, фосфора и калия. Проведены более точные измерения гравитационного поля, выявлены новые неоднородности — масконы.

В 2000-х к «лунному клубу» стали присоединяться новые участники. В 2003 году Европейское космической агентство запустило экспериментальную миссию Smart-1. Задачи полета тоже были по большей части технологические — Европа училась использовать плазменный двигатель для перелетов в дальнем космосе. Но кроме этого имелись и бортовые камеры: для съемки в видимом и инфракрасном диапазонах.

Камера у Smart -1 была небольшая, а орбита высокая: от 400 до 3000 км, поэтому кадры получались в основном широкоугольные и низкого разрешения. Наиболее детальные кадры были всего 50 м на пиксель, а глобальную карту удалось построить только из кадров в 250 м на пиксель. Хотя вначале миссии ставились цели рассмотреть Apollo и Луноходы, но не сложилось — для них нужно разрешение менее метра. Зато рассмотрели пики вечного света на полюсах.

Smart-1 опробовал лазерную связь с Землей еще когда летел к Луне. Передавать данные по лучу тогда не предполагали, только попытались пострелять в однометровый телескоп обсерватории на острове Тенерифе. Цель была — изучить влияние земной атмосферы на луч. Попытка оказалась удачной — в телескоп попали, но развивать технологию не стали — радио показалось надежнее.

Тут надо отвлечься и ответить на вопрос, который наверняка уже у многих возникал: почему нельзя спуститься пониже, чтобы снимки поверхности были качественнее? Вроде бы атмосферы нет, летай хоть на 10 метра! Но с Луной не все так просто. И атмосфера с пылью там какая-никакая есть, но ей можно пренебречь, а пренебрегать нельзя масконами. Маскон — это локальное увеличение гравитационного поля.

Предположим мы летим на высоте 10 км над однородной равниной. Сила притяжения действующая на аппарат имеет одно неизменное значение. Мы его компенсируем ускорением двигательной установки набираем первую космическую скорость, и можем летать на этой высоте бесконечно, если нам ничто не помешает. Но если мы будем летать не вокруг гигантского бильярдного шара, а вокруг, к примеру, Луны, то равнина быстро кончится. И встретится нам, к примеру, горный хребет, высотой 5 км. Что будет с гравитационным полем? Правильно: притяжение аппарата возрастет. Этакая гравитационная выбоина на орбите спутника. И чем ниже спутник прижимается к поверхности, тем более мелкие «выбоины» начинают на него оказывать воздействие.

Луна же еще сложнее. Когда-то на нее падали огромные астероиды, которые пробивали кору, и вызывали поднятие более плотной мантийной породы к дневной поверхности. А дневная поверхность сложена из более рыхлых вулканических пород. В результате мы получаем относительно гладкую равнину, с разнородным гравитационным полем. Мантийное вещество более плотное и массивное, т.е. притягивает сильнее и получается эквивалент гравитационной «горы». Это, собственно, и называется маскон — концентратор массы.

В 2007 году к Луне отправилась японская Kaguya. Научившись летать к естественному спутнику Земли, японцы решили усердно заняться его изучением. Масса аппарата достигала почти 3 тонны — проект назвали “самой масштабной лунной программой после Аполлона”.

На борту были установлены два инфракрасных, рентгеновский и гамма-спектрометр для изучения геологии. Заглянуть глубже в недра должен был прибор Lunar Radar Sounder.

Kaguya сопровождалась двумя малыми спутниками-ретрансляторами Okina и Ouna, каждый массой по 53 кг. Благодаря ним удалось исследовать неоднородности гравитационного поля на обратной стороне — составить более подробную карту масконов. Kaguya сначала летала на высоте 100 км, потом снизилась до 50 км, наснимала шикарные кадры лунных пейзажей, и прекрасный закат Земли, но увидеть Apollo или Луноходы не смогла — разрешения камеры не хватило.

За два года работы Kaguya аппарат смог получить богатый набор данных со своих приборов, желающие могут посмотреть фоточки и видео с лунной орбиты. Открыт для всех и архив научной информации — бери не хочу.

Вслед за Kaguya к Луне отправились новички: индийцы и китайцы. У них сейчас разворачивается целая лунная гонка, в беспилотном режиме.

В 2008 году к Луне стартовала первая в дальнем космосе автоматическая миссия Индии — Chandrayaan-1.

Аппарат нес несколько индийских и несколько иностранных приборов, среди которых были инфракрасные и рентгеновские спектрометры. На борту была установлена стереокамера, которая снимала поверхность с детализацией до 5 метров.

Интересное исследование было проведено американским прибором — небольшим радаром с синтезированной апертурной решеткой. Ученые хотели выяснить запасы льда на лунных полюсах. После нескольких месяцев работы, полюса были как следует осмотрены и первые отчеты были весьма оптимистичны.

Радар определял рассеяние радиоволн на различных элементах рельефа. Повышенный коэффициент рассеяния мог возникать на раздробленных элементах породы, как писалось в отчетах “roughness” — шероховатостях. Похожий эффект могли вызывать и залежи льда. Анализ приполярных областей показал два типа кратеров, которые демонстрировали высокую степень рассеяния. Первый тип — молодые кратеры, они рассеивали радиолуч не только на дне, но и вокруг себя, т.е. на породе, которая была выброшена при падении астероида. Другой тип кратера — “аномальный”, рассеивали сигналы только на дне. Причем отмечалось, что большинство таких аномальных кратеров находится в глубокой тени, куда никогда не попадают лучи солнца. На дне одного из таких кратеров зарегистрировали температуру, вероятно самую низкую на Луне, 25 Кельвинов. Ученые NASA пришли к выводу, что радар видит на склонах “аномальных кратеров” отложения льда.

Оценки ледяных залежей по данным радара Chandrayaan-1 примерно подтверждали оценки нейтронного детектора Lunar Prospector — 600 млн тонн.

Позже китайские ученые провели свое независимое исследование на основе данных Chandrayaan-1 и LRO и пришли к выводу, что “нормальные” и “аномальные” кратеры на Луне ничем не отличаются по коэффициенту рассеяния ни у полюсов, ни у экватора, где льда не ожидается. Они же напомнили, что исследование с Земли при помощи радиотелескопа Аресибо не обнаружило никаких залежей льда. Так, что лунные запасы воды по-прежнему хранят тайну и еще ждут своего первооткрывателя.

Chandrayaan-1 нес еще один интересный прибор — Moon Mineralogy Mapper — инфракрасный гиперспектрометр для геологического картографирования Луны в высоком разрешении. Он тоже дал противоречивые результаты. Во-первых, в очередной раз подтвердил повышенное содержание воды или водородсодержащих минералов в приполярных регионах. Во-вторых, нашел признаки воды и гидроксила в тех местах, где Lunar Prospector не показывал никаких признаков повышенного содержания водорода.

Проблема с Moon Mineralogy Mapper в том, что он анализировал буквально верхние миллиметры грунта, и та вода, которую он нашел, может быть результатом воздействия солнечного ветра на лунный реголит, а не указывать на богатые залежи в недрах.

К сожалению миссия Chandrayaan-1 прекратилась раньше запланированного из-за технической неисправности на аппарате — он не проработал и года. Сейчас Индия готовится осуществить посадочную миссию и высадить мини-луноход.

Дальше всех из “новичков” в изучении Луны продвинулся Китай. На его счету два спутника, и один Луны с возвращением капсулы — так они готовятся к доставке лунного грунта, а в перспективе и к пилотируемому полету. Об их достижениях и планах, а также об американской лунной программе XXI века мы поговорим отдельно.