Луна

     Солнце Меркурий  Венера  Земля Луна  Марс  Астероиды Юпитер  Сатурн Нептун Уран  Плутон Кометы

Система Земля-Луна уникальна. И не только потому что это родина человечества. Среди планет земной группы еще лишь Марс имеет двух маленьких спутников, вероятно, захваченных из пояса астероидов, а по по соотношению размера/массы планеты и спутника лишь Харон и Плутон опережают Луну и Землю. Луна - единственный естественный спутник Солнечной системы, который притягивается Солнцем сильнее (в 2 раза), чем "своей" планетой. Если быть точными, то, скорее, Земля искажает путь Луны вокруг Солнца, чем наоборот, поэтому иногда Землю и  Луну  называют двойной планетой.

Луна вращается вокруг Земли. При разных  положениях  относительно  друг друга Солнца, Земли и Луны мы по-разному видим  освещенный диск нашего  спутника. Часть освещенного диска называется фазой Луны. Принято выделять  особо фазы новолуния (диск полностью темный),  первой  четверти(растущий  лунный серп выглядит в форме  полудиска), полнолуния  (диск  освещен  полностью)  и последней четверти (освещено вновь ровно полдиска, только с другой  стороны, нежели в фазе первой четверти). Период  полной  смены  всех лунных фаз от новолуния до новолуния называется синодическим периодом  обращения Луны или синодическим месяцем, который равен примерно 29,5 дням. Именно за это время Луна успевает пройти по своей орбите такой путь, что дважды успевает пройти через одну и ту же фазу. Полный оборот Луны вокруг Земли относительно звезд называется сидерическим  периодом обращения или сидерическим месяцем, он длится  27,3  дня.  Сидерический и синодический месяц не совпадают потому, что Земля  и Луна движутся вокруг Солнца, и для повторения одного  и  того  же  взаимного расположения Луны, Земли и Солнца Луне необходимо  пройти  по  своей  орбите чуть больше одного витка вокруг Земли. Это все нетрудно себе  точнее  прояснить, сделав простейший чертеж, в котором нужно учесть,  что  Луна  движется вокруг Земли в том же направлении, что и Земля вокруг Солнца.

Вращение Луны вокруг Земли проявляется не только в видимой смене фаз. Луна быстро перемещается на фоне звезд, в день примерно на 12,5°. Каждый новый день наш спутник появляется над горизонтом на 49 минут позже. Из-за этого в новолуние Луна достигает верхней кульминации в полдень, в фазе первой четверти - в 6 вечера, в полнолуние - в полночь, а серп последней четверти - в 6 утра. Растущий молодой лунный серп мы видим вскоре после захода дневного светила на западе. Убывающий старый месяц виден утром, перед восходом Солнца на востоке. При этом месяц всегда  обращен выпуклостью к Солнцу. 

Период вращения Луны вокруг оси равен периоду ее обращения вокруг Земли, поэтому Луна всегда повернутой к Земле одной стороной. Но земной наблюдатель в течение месяца может увидеть  59% площади лунного шара из-за явления либрации - кажущегося покачивания Луны, вызванного ее движением по эллиптической орбите ( эксцентриситет 0,055) и тем, что хотя лунная ось вращения и составляет с плоскостью эклиптики почти прямой угол в 88,5 градуса, однако Луна движется не в плоскости орбиты Земли (эклиптики), а под углом - 5 градусов и 9 минут, поэтому в пространстве она может располагаться то ниже, то выше плоскости земной орбиты.

Физическими причинами сегодняшнего положения вещей являются приливные силы, или иначе говоря гравитационное воздействие Земли на Луну. Разные части Земли по разному подвергаются притяжению Луны: сторона, повернутая к Луне, - в большей степени, обратная сторона - в меньшей, так как дальше находится от нашего спутника. В результате, разные части Земли стремятся прийти в движение в направлении Луны с разными скоростями. Поверхность, обращенная к Луне, вздувается, центр Земли смещается меньше, а противоположная поверхность вовсе отстает, и с этой стороны тоже образуется вздутие  - из-за "отставания". Земная кора деформируется неохотно, на суше приливных сил мы не замечаем. А вот про изменение уровня моря, про приливы и отливы, слышали все. Вода поддается воздействию Луны, образуя приливные горбы на двух противоположных сторонах планеты. Вращаясь, Земля "подставляет" Луне разные свои стороны, и приливной горб перемещается по поверхности. Такие деформации земной коры вызывают внутреннее трение, которое тормозит вращение нашей планеты. На Луне  подобный механизм работал гораздо сильнее и теперь она смотрит на нас только одной стороной, а приливные волны больше не бегут по её поверхности.

Любопытно, что обратное влияние земных приливных выступов на Луну вызывает ее постепенное удаление от Земли. В период своей юности Луна была значительно ближе к Земле, чем сейчас, и совершала оборот вокруг Земли всего за несколько суток; в ту эпоху морские приливы были гораздо выше нынешних. За удаление от нас Луны, в силу закона сохранения момента импульса, Земля платит постепенным замедлением своего вращения. Расчеты показывают, что миллиард лет назад земные сутки были на 4 часа короче современных. Примерно через 5 млрд лет вращение Земли затормозится настолько, что она будет совершать за год всего 9 оборотов вокруг своей оси; к тому моменту и удалившаяся Луна будет совершать за год 9 оборотов вокруг Земли. Начиная с того момента и уже навсегда с Луны будет видна только одна половина земного шара.

Даже при взгляде невооруженным глазом на Луне выделяются области двух типов: светлые - материковые, занимающие 83% площади лунного шара, и темные - морские( как считали раньше), составляющие 17%. Материки отличаются более высокой отражательной способностью, поскольку сложены относительно светлыми породами типа анортозитов, наличием значительных неровностей и множеством кратеров разных размеров и степени сохранности вала. Моря - относительно ровные области, покрытые лавовыми потоками темных пород базальтового типа, с меньшим количеством кратеров. Таким образом, моря темнее материков не только из-за того что расположены ниже уровня материковой поверхности, но и из-за различия в составе пород и по причине иной структуры поверхности (моря глаже и поэтому слабее рассеивают свет).

Из-за приливного действия Земли на обратной стороне Луны толщина коры составляет сто километров, а на видимом полушарии кора вдвое тоньше. Поэтому извержение лав из лунных недр легче происходило на видимом полушарии и большинство вулканических центров Луны (морей) находится на ее видимой стороне. Согласно современным данным на видимом полушарии моря занимают площадь 5 937 тыс. кв. км, что составляет 31% площади видимого полушария, а на обратном полушарии лишь 474 тыс. кв. км, то есть менее 3% (площадь всей поверхности Луны - 38 млн. кв. км). На обратном полушарии преобладают кратеры и крупные образования. Сначала их называли талассоидами, то есть мореподобными, а в последнее время для них используют термин бассейн. 

Крупные бассейны обратной стороны являются антиподами морей видимой стороны. Теоретически такое распределение не отличается от случайного но интересно, что известный астроном З. Копал предполагал наличие антиподов на Луне. В своей популярной книге "Луна - наш ближайший небесный сосед", изданной у нас в 1963 г, он писал, что поскольку длина окружности лунного шара составляет только 10 921 км то поверхностные волны, возникшие в результате удара метеорита, должны сойтись из всех направлений в диаметрально противоположных точках...".

В хороший телескоп на дне морей можно рассмотреть кратеры купола и гряды. вулканического происхождения поперечником 5-7 км и высотой 200-400 м.. Вероятно существовало, два пика тектонической активности: 3,2. и 3,7 млрд лет назад. В настоящее время она чрезвычайно низка. За 3 года непрерывных измерений было зарегистрировано лишь 11 лунотрясений, связанных с тектоникой. Однако многие наблюдатели замечали нестационарные явления в районе кратера Альфонс, а советский ученый Козырев снял спектрограмму этого кратера, на которой видны линии выделяющихся из этого кратера газов. Доказательством былой тектонической активности служит и знаменитая Прямая Стена в Море Облаков: этот 125-километровый уступ высотой 200-300 м, образованный при движении лунных плит. .

Даже в небольшой бинокль на Луне видны кратеры. Хотя подавляющее большинство кратеров на Луне возникло от ударов метеоритов и ядер комет, некоторые из лунных кратеров все же имеют вулканическое происхождение. В качестве примера укажем кратер Варгентин, до краев заполненный лавой, расположенный южнее Моря Влажности недалеко от крупного кратера Шиккард.  Лунная поверхность вся покрыта кратерам разного размера - от сотен  километров до миллиметров. Возраст большинства крупных лунных кратеров оценивается в 1-3 млрд лет  Кратеры отличаются не только размерами, но и степенью разрушенности окружающего вала: сравнительно молодые кратеры имеют четко выраженный вал, а более древние разрушенный вал. У большинства молодых кратеров на внутренних стенках вала имеются террасы, а на дне встречаются горки. На дне некоторых кратеров можно видеть трещины или цепочки из мелких кратеров. У самых молодых кратеров поперечником в десятки километров при отвесно падающих лучах Солнца (в полнолуние) можно видеть радиально расходящиеся светлые полосы, простирающиеся на сотни, а иногда и тысячи километров. Примерами таких кратеров являются Тихо, Коперник и другие.

Особый интерес представляет гигантская ударная структура диаметром 2500 км на обратной стороне Луны. Впервые ее заметили на снимках, доставленных на Землю советской автоматической станцией "Зонд-6" в 1968 г. Тогда наши ученые предложили назвать эту область Морем Юго-Западное, но имеющихся в то время данных было недостаточно, чтобы надежно определить ее строение. Благодаря американскому зонду "Клементина" теперь стало ясно, что это самое значительное образование на нашем естественном спутнике. Его уже успели окрестить "бассейн Южный Полюс - Эйткен", поскольку центр этой области лежит между кратером Эйткен и южным полюсом Луны. Глубина этого гигантского бассейна составляет около 12 км. Если учесть его размеры, то окажется, что на сегодняшний день это самое большое из всех известных нам ударных образований в Солнечной системе. Представьте - его диаметр превышает 2/3 диаметра Луны! Столкновение нашего естественного спутника с телом, породившим бассейн Южный Полюс - Эйткен, произошло на самой ранней стадии истории Луны - около 4 млрд. лет назад. Скорее всего, тело, ударившее в этом месте, проникло на глубину в 120 км, достигнув верхней мантии. Будь это тело чуть крупнее, Луна могла бы не пережить такую катастрофу и расколоться на множество фрагментов.

Изучение снимков гигантского бассейна Южный Полюс - Эйткен показало наличие там вещества, богатого железом и титаном. По-видимому, оно было выброшено на поверхность из лунных недр во время взрыва в момент падения тела, породившего этот бассейн. Теперь геологам, чтобы узнать состав лунных недр четыре миллиарда лет назад, достаточно будет внимательно изучить то, что находится на поверхности этого гигантского ударного образования. Но самым значительным открытием, безусловно, стало обнаружение на Луне водяного льда. Впрочем, для ученых это не стало неожиданностью: : поскольку вблизи лунных полюсов Солнце не поднимается высоко и поэтому не может осветить дно глубоких кратеров, там вполне могли бы сохраниться залежи водяного льда. Источником воды могут быть как ядра упавших на Луну комет, так и недра самой Луны. Буквально первое же зондирование района Южного полюса показало, что интенсивность и поляризация радиоэха от небольшой области между полюсом и кратером Амундсен резко отличались от значений, характерных для обычного лунного грунта, но оказались близки к данным для Гренландии и ледяных галилеевых спутников Юпитера.. К сожалению, на полюсах Луны нет сплошных снежных шапок, как в Антарктиде или на Марсе. В смеси лунного реголита с водяным льдом доля льда составляет всего 1-2% по массе.

Доставку лунного грунта на Землю с большим нетерпением ожидали не только биологи и астрохимики, но и геологи. Однако лунная минералогия оказалась довольно бедной: на Земле существует несколько тысяч минералов, а на Луне их пока открыто не более сотни. Впрочем, это легко объяснить: на Луне нет жидкой воды и атмосферы, поэтому условия формирования минералов там значительно менее разнообразны, чем на Земле. Впрочем, приятный сюрприз геологам Луна преподнесла: при анализе лунного грунта обнаружили несколько минералов, никогда не встречавшихся на Земле. Особенно интересно, что лунные частицы железа не страшатся действия земной атмосферы, тогда как изготовленные на Земле железные изделия легко ржавеют. Оказалось, что лунное железо не ржавеет (по-научному, не подвергается коррозии) потому, что его поверхность долго облучалась ионами - частицами солнечного ветра. Это открытие имеет большое практическое значение, ведь сейчас каждая шестая мартеновская печь в мире работает на коррозию. Сейчас инженеры, имитируя лунные условия, учатся облучать потоком ионов важные металлические детали, чтобы сделать их устойчивыми к коррозии.

Лунный грунт детально исследован в лабораториях самыми современными методами. Следов жизни не обнаружено. Основные обнаруженные в нем химические элементы - это кислород, кремний, железо, титан, магний, кальций и алюминий. Оказалось, что темные лунные материки сложены из базальтов - плагиоклаза, оливина, пироксена, ильменита. Лунные морские базальты отличаются от земных базальтов более высоким содержанием FeO, а иногда и TiO₂. Другие основные окислы SiO₂, MgO, CaO, и Al₂O₃ входят в состав лунных пород примерно в тех же количествах, что и в состав земных пород. В лунных базальтах найдены благородные металлы - серебро и золото, но их содержание значительно меньше, чем в земных базальтах. Очень мало в лунных камнях и некоторых других металлов, например, индия и цинка. А грунт материковых районов Луны состоит из анортозитов, для которых характерно более высокое, чем для базальтов, содержание окислов алюминия и кальция и меньшее количество окислов железа и титана.

Анализ лунной пыли , покрывающей поверхность Луны слоем  толщиной от нескольких миллиметров до десятка сантиметров. показал, что содержание легкого изотопа  газа гелий-3 в микронных лунных пылинках значительно превышает его содержание в земных породах. Это открытие взволновало ученых: ведь гелий-3 может служить прекрасным термоядерным топливом. 

Интересные результаты дало изучение лунных камней под электронным микроскопом, который позволил различить форму мельчайших кристалликов. На поверхности лунных образцов найдены крохотные кратеры микронного размера, напоминающие своей формой крупные лунные кратеры, такие как Тихо или Коперник. Микрократеры на лунных камнях образуются от ударов быстрых межпланетных частиц микронного размера, для которых ничтожная газовая оболочка Луны не служит препятствием.

У Луны практически отсутствует глобальное магнитное поле дипольной природы, но существуют заметные локальные вариации магнитного поля. Окрестности Моря Дождей на видимой стороне и центральная часть самого крупного бассейна "Южный полюс-Эйткен" отличаются повышенной намагниченностью пород.

Поскольку масса Луны относительно мала, атмосферы у нее практически нет. Газы свободно рассеиваются в окружающем космическом пространстве. Поэтому поверхность Луны освещается прямыми солнечными лучами. Тени от неровностей рельефа здесь очень глубоки и черны, поскольку нет рассеянного света. В летний полдень вблизи экватора поверхность разогревается до +130° С, а в отдельных местах и выше, а ночью температура падает до -170° С. Быстрое остывание поверхности наблюдается и во время затмений. Разреженная газовая оболочка Луны из водорода, гелия, неона и аргона в десять триллионов раз меньше по плотности, чем наша атмосфера, но в тысячу раз больше, чем количество молекул газа в космическом вакууме. В среднем, освещенное полушарие Луны рассеивает около 1/10 падающего излучения. Остальные 9/10 солнечной энергии поглощаются породами поверхностного слоя и превращаются в тепло. Но теплопроводность лунного вещества весьма низка и поэтому существенно разогревается только самый верхний слой толщиной около 1 м. Ниже температура пород остается почти постоянной - 40 градусов.

Экипажи "Аполлонов" и станции "Луна" доставили на Землю образцы лунного грунта, добытые с глубины до 2,5 м. А что находится еще глубже? Ответить на этот вопрос помогли исследования сейсмической активности Луны. Американские астронавты установили на лунной поверхности сейсмодатчики, регистрирующие ничтожные колебания грунта. Луна стала вторым объектом Солнечной системы после Земли, недра который были изучены сейсмическими методами. Источником колебаний служат удары метеоритов и лунотрясения, вызванные приливным влиянием Земли. По данным о скорости распространения сейсмических волн в недрах Луны ученые установили, что она имеет кору, мантию и ядро диаметром в несколько сотен километров, состоящее из железа и сульфида железа.

Условно лунные недра разделяют на пять зон. Самая верхняя зона мощностью 60 км на видимой стороне и более 100 км на обратной отождествляется с лунной корой, образованной породами анортозитового состава. Вторая зона - верхняя мантия имеет мощность около 250 км. Третья зона - средняя мантия толщиной около 500 км. Здесь находятся очаги глубокофокусных лунотрясений. Предполагается, что морские базальты возникли вследствие частичного плавления вещества в средней мантии. Четвертая зона - нижняя мантия, вещество которой может находиться в расплавленном состоянии. Таким образом, на глубине около 800 км кончается твердая оболочка - литосфера Луны, ниже которой располагается астеносфера. Температура в верхней части этого слоя может доходить до 1500° С. На глубине 1400-1500 км было обнаружено резкое уменьшение скорости продольных волн. Эта граница отмечает начало пятой зоны - лунного ядра. По данным КА "Лунар Проспектор" у Луны имеется железное ядро радиусом 300-400 км.

Астронавты измерили также тепловой поток из недр Луны, оказавшийся лишь в несколько раз меньше, чем у Земли. Значит, лунные недра еще не успели полностью остыть. Поскольку Луна значительно меньше Земли, давление в ее центре составляет 4 * 10⁹ Па, что в 150 раз меньше, чем в центре Земли. Значительно ниже в центре Луны и температура: 1000-1500 К (тогда как у Земли 4000-5000 К). Исследования движения искусственных спутников Луны показало, что на Луне существуют гравитационные аномалии, которые возникают из-за наличия местных концентраций массы (масконов). Наиболее крупные масконы создают избыток масс около одной стотысячной от массы Луны. По-видимому, граница коры и мантии в этих местах наиболее близко поднимается к поверхности а плотность вещества лунных недр медленно растет с глубиной.