Период вращения луны. Астрофизика

Кажется, глупый вопрос и, возможно, даже ученик школы сможет на него ответить. Тем не менее, режим вращения нашего спутника описан не достаточно точно и более того в исчислениях присутствует грубая ошибка - неучтено наличие водяного льда в ее полюсах. В этот факт стоит внести ясность, а так же вспомнить, что первым на факт странного вращения нашего природного спутника указал великий итальянский астроном: Джан Доменико Кассини.

Как вращается Луна?

Хорошо известно, что экватор Земли наклонен на 23 ° и 28’ к плоскости эклиптики, то есть плоскости наиболее приближенной к Солнцу, именно этот факт приводит к смене сезонов, что чрезвычайно важно для жизни на нашей планете. Так же нам известно, что плоскость орбиты Луны наклонена под углом 5 ° 9’ по отношению к плоскости эклиптики. Мы также знаем, что Луна всегда направлена к Земле одной стороной. Именно от этого зависит действие приливных сил на Земле. Иными словами, Луна вращается вокруг Земли, за то же время, что необходимо для выполнения полного оборота вокруг собственной оси. Мы, таким образом, автоматически получаем часть ответа на вопрос, который указан в названии: «Луна вращается вокруг оси и ее период в точности равен, что и полный оборот вокруг Земли».

Однако кто знает направление вращения оси Луны? Данный факт известен далеко не всем и более того, астрономы признают свою ошибку, допущенную в формуле вычисления направления вращения, и связано это с тем, что при расчетах не учтен факт наличия водяного льда на полюсах нашего спутника.

На поверхности Луны в непосредственной близости с полюсами есть кратеры, которые никогда не получают солнечного света. В тех местах, постоянно холодно и вполне допустимо, что в этих местах могли бы храниться запасы водяного льда, доставленные на Луну кометами, падающими на ее поверхность.

Ученые НАСА также доказали истинность этой гипотезы. Это легко понять, однако возникает другой вопрос: «Почему существуют районы, которые ни когда не освещаются Солнцем? Кратеры не настолько глубоки, чтобы скрывать свои запасы, при условии существования общей благоприятной геометрии».

Посмотрите на фотографию южного полюса Луны:

Этот снимок был получен NASA с помощью Lunar Reconnaissance Orbiter, космического аппарата на орбите вокруг Луны, который постоянно проводить фотографирование поверхности Луны для оптимального планирования будущих миссий. Каждая фотография, сделанная на Южном полюсе, в течение шести месяцев, была превращена в двоичный образ так, что каждому пикселю освещенному Солнцем было присвоено значение 1, в то время как в тени значение 0. Эти фотографии были, затем обработаны путем определения для каждого пикселя процента времени, на протяжении которого он был освещен. В результате «освещения карты», ученые увидели, что некоторые области остаются всегда в тени, а несколько (вулканических хребтов или пиков) остается всегда видимыми Солнцу. Серого, а не отражать области, которые прошли период освещения, который затемнения. Действительно впечатляет и поучительно.

Вернемся, однако, к нашему вопросу. Для достижения этого результата, а именно нахождения постоянно в полной темноте больших площадей, необходимо, чтобы ось вращения Луны была направлена вправо по отношению к Солнцу, в частности, что практически перпендикулярно к эклиптике.

Однако лунный экватор наклонен по отношению к эклиптике только 1° 32’. Казалось бы, незначительный показатель, но он позволяет предположить, что на полюсах нашего спутника есть вода, которая находится в физическом состоянии - лед.

Эта геометрическая конфигурация уже была изучена и переведена в закон астрономом Джаном Доменико Кассини в 1693 году в Лигурии, в ходе своего исследования приливов и их влиянии на спутник. Относительно к Луне, они звучат так:

1) Период вращения Луны синхронизирован с периодом обращения вокруг Земли.
2) Ось вращения Луны поддерживается под фиксированным углом относительно плоскости эклиптики.
3) Оси вращения, нормали к орбите и нормально эклиптики лежат в одной плоскости.

После трех столетий, эти законы недавно были проверены с помощью более современных методов небесной механики, которые подтвердили их точность.

Естественным спутником Земли является Луна — несветящееся тело, которое отражает солнечный свет.

Изучение Луны началось в 1959 г., когда советский аппарат «Луна-2» впервые сел на Луну, а с аппарата «Луна-3» впервые были сделаны из космоса снимки обратной стороны Луны.

В 1966 г. аппарат «Луна-9» совершил посадку на Луну и установил прочную структуру грунта.

Первыми, кто побывал на Луне, стали американцы Нейл Армстронг и Эдвин Олдрин. Это произошло 21 июля 1969 г. Советские ученые для дальнейшего изучения Луны предпочли использовать автоматические аппараты — луноходы.

Общие характеристики Луны

Масса Луны составляет 1/81 массы Земли. Положение Луны на орбите соответствует той или иной фазе (рис. 1).

Рис. 1. Фазы Луны

Фазы Луны — различные положения относительно Солнца — новолуние, первая четверть, полнолуние и последняя четверть. В полнолуние виден освещенный диск Луны, так как Солнце и Луна находятся на противоположных сторонах от Земли. В новолуние Луна находится на стороне Солнца, поэтому сторона Луны, обращенная к Земле, не освещается.

К Земле Луна обращена всегда одной стороной.

Линию, которая отделяет освещенную часть Луны от неосвещенной, называют терминатором.

В первой четверти Луна видна на угловом расстоянии 90" от Солнца, и солнечные лучи освещают лишь правую половину обращенной к нам Луны. В остальных фазах Луна видна нам в виде серпа. Поэтому, чтобы отличить растущую Луну от старой, надо помнить: старая Луна напоминает букву «С», а если Луна растущая, то можно мысленно перед Луной провести вертикальную линию и получится буква «Р».

Из-за близости Луны к Земле и ее большой массы они образуют систему «Земля-Луна». Луна и Земля вращаются вокруг своих осей в одну сторону. Плоскость орбиты Луны наклонена к плоскости орбиты Земли под углом 5°9".

Места пересечения орбит Земли и Луны называют узлами лунной орбиты.

Сидерический (от лат. сидерис — звезда) месяц — это период вращения Земли вокруг своей оси и одинакового положения Луны на небесной сфере по отношению к звездам. Он составляет 27,3 земных суток.

Синодическим (от греч. синод — соединение) месяцем называют период полной смены лунных фаз, т. е. период возвращения Луны в первоначальное положение относительно Луны и Солнца (например, от новолуния до новолуния). Он составляет в среднем 29,5 земных суток. Синодический месяц на двое суток длиннее сидерического, так как Земля и Луна вращаются вокруг своих осей в одну сторону.

Сила тяжести на Луне в 6 раз меньше силы тяжести на Земле.

Рельеф спутника Земли хорошо изучен. Видимые темные участки на поверхности Луны названы «морями» — это обширные безводные низменные равнины (самая крупная — «Оксан Бурь»), а светлые участки — «материками» — это гористые, возвышенные участки. Основные же планетарные структуры лунной поверхности — кольцевые кратеры диаметром до 20-30 км и многокольцевые цирки диаметром от 200 до 1000 км.

Происхождение у кольцевых структур различное: метеоритное, вулканическое и ударно-взрывное. Кроме этого, на поверхности Луны имеются трещины, сдвиги, купола и системы разломов.

Исследования космических аппаратов «Луна-16», «Луна-20», «Луна-24» показали, что поверхностные обломочные породы Луны сходны с земными магматическими породами — базальтами.

Значение Луны в жизни Земли

Хотя масса Луны в 27 млн раз меньше массы Солнца, она в 374 раза ближе к Земле и оказывает на нес сильное влияние, вызывая поднятия воды (приливы) в одних местах и отливы в других. Это происходит каждые 12 ч 25 мин, так как Луна делает полный оборот вокруг Земли за 24 ч 50 мин.

Из-за гравитационного воздействия Луны и Солнца на Землю возникают приливы и отливы (рис. 2).

Рис. 2. Схема возникновения приливов и отливов на Земле

Наиболее отчетливы и важны по своим следствиям прилив- но-отливные явления в волной оболочке. Они представляют собой периодические подъемы и опускания уровня океанов и морей, вызываемые силами притяжения Луны и Солнца (в 2,2 раза меньше лунной).

В атмосфере приливно-отливные явления проявляются в полусуточных изменениях атмосферного давления, а в земной коре — в деформации твердого вещества Земли.

На Земле наблюдаются 2 прилива в ближайшей и удаленной от Луны точке и 2 отлива в точках, находящихся на угловом расстоянии 90° от линии Луна — Земля. Выделяют сигизийные приливы, которые возникают в новолуние и полнолуние и квадратурные — в первой и последней четверти.

В открытом океане приливно-отливные явления невелики. Колебания уровня воды достигает 0,5-1 м. Во внутренних морях (Черное, Балтийское и др.) они почти не ощущаются. Однако в зависимости от географической широты и очертаний береговой линии материков (особенно в узких заливах) вода во время приливов может подниматься до 18 м (залив Фанди в Атлантическом океане у берегов Северной Америки), 13 м на западном побережье Охотского моря. При этом образуются приливно-отливные течения.

Основное значение приливных волн заключается в том, что, перемешаясь с востока на запад вслед за видимым движением Луны, они тормозят осевое вращение Земли и удлиняют сутки, изменяют фигуру Земли с помощью уменьшения полярного сжатия, вызывают пульсацию оболочек Земли, вертикальные смещения земной поверхности, полусуточные изменения атмосферного давления, изменяют условия органической жизни в прибрежных частях Мирового океана и, наконец, влияют на хозяйственную деятельность приморских стран. В целый ряд портов морские суда могут заходить только во время прилива.

Через определенный промежуток времени на Земле повторяются солнечные и лунные затмения. Увидеть их можно, когда Солнце, Земля и Луна находятся на одной линии.

Затмение — астрономическая ситуация, при которой одно небесное тело заслоняет свет от другого небесного тела.

Солнечное затмение происходит, когда Луна попадает между наблюдателем и Солнцем и загораживает его. Поскольку Луна перед затмением обращена к нам неосвещенной стороной, перед затмением всегда бывает новолуние, т. е. Луна не видна. Создается впечатление, что Солнце закрывается черным диском; наблюдающий с Земли видит это явление как солнечное затмение (рис. 3).

Рис. 3. Солнечное затмение (относительные размеры тел и расстояния между ними условны)

Лунное затмение наступает, когда Луна, находясь на одной прямой с Солнцем и Землей, попадает в конусообразную тень, отбрасываемую Землей. Диаметр пятна тени Земли равен минимальному расстоянию Луны от Земли — 363 000 км, что составляет около 2,5 диаметра Луны, поэтому Луна может быть затенена целиком (см. рис. 3).

Лунные ритмы — это повторяющиеся изменения интенсивности и характера биологических процессов. Существуют лунно-месячные (29,4 сут) и лунно-суточные (24,8 ч) ритмы. Многие животные, растения размножаются в определенную фазу лунного цикла. Лунные ритмы свойственны многим морским животным и растениям прибрежной зоны. Так, у людей замечено изменение самочувствия в зависимости от фаз лунного цикла.

Земля и Луна находятся в непрерывном вращении вокруг собственной оси и вокруг Солнца. Луна, кроме того, обращается вокруг нашей планеты. В связи с этим мы можем наблюдать на небе многочисленные явления, связанные с небесными телами.

Ближайшее космическое тело

Луна – это естественный спутник Земли. Ее мы видим как светящийся шар на небосклоне, хотя сама по себе она не излучает свет, а только отражает его. Источником света является Солнце, сияние которого освещает лунную поверхность.

Каждый раз можно увидеть на небе разную Луну, разные ее фазы. Это прямой результат вращения Луны вокруг Земли, которая, в свою очередь, обращается вокруг Солнца.

Исследование Луны

За Луной наблюдали многие ученые и астрономы долгие века, но по-настоящему, так сказать «вживую», изучение спутника Земли началось в 1959 году. Тогда советская межпланетная автоматическая станция "Луна-2" достигла этого небесного светила. Тогда этот аппарат не имел возможности перемещаться по поверхности Луны, а только мог фиксировать с помощью приборов некоторые данные. Результатом стало прямое измерение солнечного ветра – потока ионизированных частиц, исходящих от Солнца. Тогда на Луну был доставлен сферический вымпел с изображением герба Советского Союза.

Космический аппарат "Луна-3", запущенный чуть позднее, сделал из космоса первую фотографию обратной стороны Луны, которая не видна с Земли. Спустя несколько лет, в 1966 году, на земном спутнике высадилась еще одна автоматическая станция под названием "Луна-9". Она смогла совершить мягкую посадку и передать на Землю телепанорамы. Земляне впервые увидели телесеанс напрямую с Луны. До запуска этой станции было несколько неудачных попыток именно мягкого «прилунения». С помощью исследований, проведенных посредством этого аппарата, подтвердилась метеорно-шлаковая теория о наружном строении спутника Земли.

Путешествие с Земли на Луну осуществили американцы. Первыми людьми, побывавшими на Луне, посчастливилось стать Армстронгу и Олдрину. Это событие произошло в 1969 году. Советские же ученые пожелали исследовать небесное светило только с помощью автоматики, использовали луноходы.

Характеристики Луны

Среднее расстояние между Луной и Землей составляет 384 тысячи километров. Когда спутник находится ближе всего к нашей планете, эта точка называется Перигей, удаленность составляет 363 тысячи километров. А когда между Землей и Луной максимальное расстояние (это состояние называется апогей), оно составляет 405 тысяч километров.

Орбита Земли имеет наклон по отношению к орбите своего естественного спутника – 5 градусов.

Луна перемещается по своей орбите вокруг нашей планеты со средней скоростью 1,022 километра в секунду. А за час она пролетает приблизительно 3681 километр.

Радиус Луны, в отличие от Земли (6356), составляет приблизительно 1737 километров. Это среднее значение, так как в разных точках на поверхности он может варьироваться. Например, на лунном экваторе радиус чуть больше среднего – 1738 километров. А в районе полюса он чуть меньше – 1735. Луна тоже является скорей эллипсоидом, чем шаром, как будто ее немного «сплющили». Та же самая особенность есть и у нашей Земли. Форма нашей родной планеты получила название «геоид». Она является прямым следствием вращения вокруг оси.

Масса Луны в килограммах - приблизительно 7,3*1022, Земля весит в 81 раз больше.

Фазы Луны

Фазы Луны – это различные положения спутника Земли относительно Солнца. Первой фазой является новолуние. Затем идет первая четверть. После нее наступает полнолуние. А затем последняя четверть. Линия, отделяющая освещенную часть спутника от темной, называется терминатором.

Новолуние – это фаза, когда спутник Земли на небе не наблюдается. Луны не видно потому, что она находится ближе к Солнцу, чем наша планета, и соответственно, ее сторона, обращенная к нам, не освещается.

Первая четверть – видна половина небесного светила, звезда озаряет только ее правую часть. Между новолунием и полнолунием Луна «растет». Именно в это время мы видим сияющий серп на небе и называем его «растущим месяцем».

Полнолуние – Луна видна как светлый круг, который озаряет все своим серебряным светом. Свет небесного светила в это время может быть очень ярким.

Последняя четверть – спутник Земли виден лишь частично. В этой фазе Луну называют «старой» или «убывающей», потому что освещается лишь левая ее половина.

Отличить растущий месяц от убывающей Луны можно легко. Когда луна идет на убыль она напоминает букву «С». А когда она растет, если приставить палочку к месяцу, то получится буква «Р».

Вращение

Так как Луна и Земля находятся достаточно близко друг к другу, они образуют единую систему. Наша планета значительно больше, чем ее спутник, поэтому она влияет на него своей силой притяжения. Луна обращена к нам одном стороной все время, поэтому до космических полетов в ХХ веке обратную сторону никто не видел. Это происходит потому, что Луна и Земля вращаются вокруг своей оси в одном и том же направлении. А оборот спутника вокруг своей оси длится то же самое время, что и оборот вокруг планеты. Кроме того, вместе они делают оборот вокруг Солнца, который длится 365 дней.

Но при этом сказать, в какую сторону вращается Земля и Луна, невозможно. Казалось бы, это простой вопрос, либо по часовой стрелке, либо против, но ответ может зависеть только от точки отсчета. Плоскость, на которой находится орбита Луны, немного наклонена по отношению к таковой у Земли, угол наклона составляет примерно 5 градусов. Точки, где орбиты нашей планеты и ее спутника пересекаются, называются узлы лунной орбиты.

Сидерический месяц и Синодический

Сидерический или звездный месяц – это тот промежуток времени, за который Луна обращается вокруг Земли, возвращаясь в то же самое место, откуда она начала движение, относительно звезд. Длится этот месяц 27,3 суток, протекающих на планете.

Синодический месяц – промежуток, за который Луна делает полный оборот, только относительно Солнца (время, за которое происходит смена лунных фаз). Длится 29,5 земных суток.

Синодический месяц длиннее сидерического на двое суток из-за вращения вокруг Солнца Луны и Земли. Так как спутник вращается вокруг планеты, а та, в свою очередь, вращается вокруг звезды, то получается, что для того, чтобы спутник прошел все свои фазы, нужно дополнительное время сверх полного оборота.

Луна сопровождает нашу планету в её большом космическом путешествии вот уже несколько миллиардов лет. И показывает она нам, землянам, из века в век всегда один и тот же свой лунный пейзаж. Почему мы любуемся только одной стороной нашего спутника? Вращается ли Луна вокруг своей оси или же парит в космическом пространстве неподвижно?

Характеристики нашего космического соседа

В Солнечной системе имеются спутники гораздо крупнее Луны. Ганимед - спутник Юпитера, к примеру, в два раза тяжелее Луны. Но зато она - самый большой спутник относительно материнской планеты. Её масса составляет более процента от земной, а диаметр - около четверти земного. Таких пропорций в солнечной семье планет больше нет.

Давайте попытаемся ответить на вопрос о том, вращается ли Луна вокруг своей оси, присмотревшись повнимательнее к ближайшему нашему космическому соседу. По принятой сегодня в научных кругах теории, естественный спутник наша планета приобрела будучи ещё протопланетой - не до конца остывшей, покрытой океаном жидкой раскалённой лавы, в результате столкновения с другой планетой, меньшей по размеру. Поэтому химические составы лунного и земного грунтов слегка отличаются - тяжёлые ядра столкнувшихся планет слились, из-за чего земные породы богаче железом. Луне же достались остатки верхних слоёв обеих протопланет, там больше камня.

Вращается ли Луна

Если быть точным, то вопрос о том, вращается ли Луна, не совсем корректный. Ведь как и любой спутник в нашей системе, она оборачивается около материнской планеты и вместе с ней кружится вокруг светила. А вот, Луны не совсем обычно.

Сколько ни смотри на Луну, она всегда повёрнута к нам кратером Тихо и морем Спокойствия. «А вращается ли Луна вокруг своей оси?» − из века в век задавали себе вопрос земляне. Строго говоря, если оперировать геометрическими понятиями, ответ зависит от выбранной системы координат. Относительно Земли осевое вращение у Луны и вправду отсутствует.

А вот с точки зрения наблюдателя, расположенного на линии Солнце-Земля, осевое вращение Луны будет хорошо заметно, причём один полярный оборот до доли секунды окажется равен по длительности орбитальному.

Интересно, что явление это в Солнечной системе не уникально. Так, спутник Плутона Харон всегда смотрит на свою планету одним боком, точно так же ведут себя спутники Марса - Деймос и Фобос.

На научном языке это называется синхронным вращением или приливным захватом.

Что такое прилив?

Для того чтобы понять суть этого явления и уверенно ответить на вопрос о том, вращается ли Луна вокруг собственной оси, необходимо разобрать суть приливных явлений.

Представим себе две горы на поверхности Луны, одна из которых «смотрит» прямо на Землю, другая же находится в противоположной точке лунного шара. Очевидно, что если бы обе горы не были частью одного небесного тела, а вращались вокруг нашей планеты самостоятельно, их вращение не могло бы быть синхронным, та что ближе, по законам ньютоновской механики, должна вращаться быстрее. Именно поэтому массы лунного шара, расположенные в противоположных по направлению к Земле точках, стремятся «убежать друг от друга».

Как «остановилась» Луна

Как действуют приливные силы на то или иное небесное тело, удобно разобрать на примере нашей собственной планеты. Мы ведь тоже вращаемся вокруг Луны, а точнее Луна и Земля, как и положено в астрофизике, "водят хоровод" вокруг физического центра масс.

В результате действия приливных сил и в ближайшей, и в наиболее удалённой от спутника точке уровень воды, покрывающей Землю, поднимается. Причём максимальная амплитуда прилива-отлива может достигать 15 и более метров.

Ещё одной особенностью данного явления является то, что эти приливные «горбы» ежесуточно огибают поверхность планеты против её вращения, создавая трение в точках 1 и 2, и таким образом потихоньку останавливают Земной шар в его вращении.

Воздействие же Земли на Луну гораздо сильнее из-за разности масс. И хотя на Луне нет океана, на каменные породы приливные силы действуют ничуть не хуже. И результат их работы налицо.

Так вращается ли Луна вокруг своей оси? Ответ положительный. Но вращение это тесно связано с движением вокруг планеты. Приливные силы за миллионы лет выровняли осевое вращение Луны с орбитальным.

А что же Земля?

Астрофизики утверждают, что сразу после большого столкновения, ставшего причиной образования Луны, 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.