Луна — естественный спутник Земли

Как узнать внутреннее строение другой планеты?

Мы уже выяснили, что простейшим способом узнать, что внутри у планеты, является её “прозвон” с помощью сейсмических волн. Однако, если вызвать рукотворные сейсмические колебания на Земле, а затем их измерить – проще простого, благо, наша планета всегда у нас “под ногами”, то как поступить при изучении далеких планет или их спутников, той же нашей Луны?

Как можно догадаться – здесь дела обстоят не лучшим образом, в самом деле, нельзя же просто “бомбить” планеты, а затем регистрировать скорость распространения сейсмоволн. Хотя бы по той причине, что для регистрации этих самых сейсмоволнволн нужны сейсмографы, которые также нужно доставить на поверхность планеты, что не всегда можно сделать быстро и без проблемно.

В отношении Луны, расположенной в относительной близости от Земли, нам несказанно повезло. Даже “бомбу” везти не пришлось – в качестве неё были использованы отработанные системы космических носителей. Американские исследователи для этой цели применяли лун­ный модуль или третью ступень ракеты носителя «Сатурн-5», падение которых строго регулировалось.

Лунный модуль сбра­сывался на поверхность Луны с высоты около 100 км в определенном пункте с учетом положения заранее установ­ленного сейсмографа. Изучение лунных сейсмограмм показа­ло, что это небесное тело так же, как и Земля, состоит из нескольких оболочек.

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[10]. 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 геоцентрической орбиты 384 399 км (в то время как большая полуось в системе относительно составляет 379 730 км — из-за влияния массы Луны центр масс находится не в центре Земли, а на расстоянии 4670 км от него)[источник не указан 234 дня

(обс.)]. Действительное движение Луны довольно сложное, и при его расчёте необходимо учитывать множество факторов, например, сплюснутость Земли и сильное влияние Солнца, которое притягивает Луну в 2,2 раза сильнее, чем Земля[комм. 2]. Более точно движение Луны вокруг Земли можно представить как сочетание нескольких движений[11]:

• 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 (на 38 мм в год)[12][13], таким образом, её орбита представляет собой медленно раскручивающуюся спираль[14].

Общее строение

Луна состоит из коры, мантии (астеносферы), свойства которой различны и образуют четыре слоя, кроме того, переходной зоны между мантией и ядром, а также самого ядра, которое имеет внешнюю жидкую и внутреннюю твёрдую[15] части[16]. Атмосфера и гидросфера практически отсутствуют. Поверхность Луны покрыта 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[17].
Таблица 1. Геологические слои Луны по данным GRAIL[16]

Смещение центра масс к центру фигуры CM/CF составляет приблизительно 1,68—1,93 км, при этом толщина лунной коры в среднем меньше на 8—12 км в том полушарии, которое обращено к Земле. По отношению к центру масс, противоположная сторона находится в среднем на 3,2 км дальше по сравнению с лицевой стороной. Средняя толщина коры на 8—12 км больше на противоположной стороне по сравнению с лицевой стороной. Экваториальная кора в среднем на 9,5 км толще, чем на полюсах.[18]

Условия на поверхности

Цветные снимки Луны на разных высотах над горизонтом, полученные бортовой цифровой камерой космического корабля «Колумбия» 26 января 2003 года[19][20]
Атмосфера Луны крайне разрежена. Когда поверхность не освещена Солнцем, содержание газов над ней не превышает 2⋅105 частиц/см³ (для Земли этот показатель составляет 2,7⋅1019 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 −173 °C ночью до +127 °C в подсолнечной точке)[21], 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 и со звёздами, даже когда Солнце находится над горизонтом. Однако на дневных фотографиях звёзды не видны, так как для их отображения потребовалась бы такая экспозиция, при которой освещённые Солнцем объекты были бы пересвечены.

Около 3,5 млрд лет назад, во время масштабных излияний лавы, лунная атмосфера была плотнее. Расчёты показывают, что высвобождавшиеся из лавы летучие вещества (, , Н2O) могли образовать атмосферу с давлением 0,01 земного. Время её рассеяния оценивают в 70 млн лет[22].

«На Луне. Восходит Земля.» Почтовая марка СССР, 1967 год

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 раза[23] больше, чем лунный при наблюдении с Земли, а закрываемая Землёй площадь небесной сферы в 13,5 раза[24] 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 41 раз[25] сильнее, чем освещение лунным светом на Земле; наибольшая видимая звёздная величина Земли на Луне составляет приблизительно −16m[26].

Лунная поверхность характеризуется низкой отражательной способностью и отражает всего 5—18 % солнечного света; цветовые различия на Луне крайне малы. Её поверхность имеет коричневато-серую или черновато-бурую окраску (данные 1970 года)[27].

Наилучшие на 2020 год колориметрические изображения поверхности Луны были получены широкоугольной, мультиспектральной камерой WAC космического аппарата LRO с использованием фильтров в трёх цветовых каналах: 689 нм — красный, 415 нм — зелёный, и 321 нм — голубой[28] (описание карты[29]). На цветоделительных изображениях буроватый оттенок имеют центральная часть Моря Ясности, восточная часть Моря Дождей, Море Холода и плато Аристарх. Синий оттенок имеют Море Спокойствия, периферийная часть Моря Ясности, северная часть Моря Изобилия, западная часть Моря Дождей, западная и южная части Океана Бурь. Все эти цветовые особенности отдельных районов Луны подтвердились в дальнейшем[30]. Глаз почти не различает цветовые особенности отдельных деталей поверхности. Применение обычной цветной фотографии также не даёт должного эффекта — лунная поверхность выглядит однотонной[31]. В XXI веке цвета лунной поверхности легко регистрируются даже любительской цифровой фотокамерой.

Уменьшение альбедо поверхности в коротковолновой части спектра приводит к тому, что зрительно Луна кажется слегка желтоватой[32].

• Луна с борта МКС 8 марта 2020 года
• Луна с борта МКС 24 февраля 2005 года
• Луна с борта Спейс шаттл 21 декабря 1999 года

Гравитационное поле

Коэффициенты секторальных и тессеральных гармоник[33]

Гравитационный потенциал Луны традиционно записывают как сумму трёх слагаемых[34]:

W = V + Q + δ W , {\displaystyle W=V+Q+\delta W,}

где δW

— приливный потенциал,
Q
— центробежный потенциал,
V
— потенциал притяжения. Потенциал притяжения обычно раскладывают по зональным, секторальным и тессеральным гармоникам:

V = G M r ( 1 − ∑ n = 2 ∞ J n ( R r ) n P n ( sin ⁡ θ ) + ∑ n = 2 ∞ ∑ m = 1 n ( R r ) n ( C n m cos ⁡ m λ + S n m sin ⁡ m λ ) P n m ( sin ⁡ θ ) ) , {\displaystyle {\begin{aligned}V&={\frac {GM}{r}}\left(1-\sum _{n=2}^{\infty }J_{n}\left({\frac {R}{r}}\right)^{n}P_{n}(\sin \theta )\right.\\&+\left.\sum _{n=2}^{\infty }\sum _{m=1}^{n}\left({\frac {R}{r}}\right)^{n}(C_{nm}\cos m\lambda +S_{nm}\sin m\lambda )P_{n}^{m}(\sin \theta )\right),\\\end{aligned}}}

где Pnm

— присоединённый полином Лежандра,
G
— гравитационная постоянная,
M
— масса Луны,
λ
и
θ
— долгота и широта.

Внутреннее строение Луны

Литосфера Луны (внешняя сфера Луны)

Спутник Земли — Луна также имеет сходное с ней строе­ние. Изучение ее глубин с помощью лунотрясений и при из­мерении физических полей показало, что она в целом одно­роднее Земли.

Особенностью глубинной структуры Луны является ее разделение примерно пополам на “жесткую” хо­лодную внешнюю сферу и “пластичную” разогретую внутрен­нюю область, залегающую на глубинах 800—1000 км. Меж­ду внешней и внутренней оболочками выделяется переход­ная зона. Внешняя оболочка по аналогии с Землей названа литосферой.

Литосфера Луны очень жестка и до такой сте­пени добротна, что вызванные в ней сейсмические сигналы фиксируются длительное время. Скачок в скорости прохож­дения сейсмических волн устанавливается на разделе коры Луны и ее мантии и объясняется изменением состава горных пород.

Мощность коры варьирует в широких пределах от 150 км на ее обратной стороне до 40 км на полюсах. В Море Дождей расчетная мощность составляет 60 км.

Система Луна — Земля

Разумеется, не совсем верно говорить о движении Луны вокруг Земли. Точнее, оба эти тела обращаются вокруг их общего центра массы, лежащего ниже поверхности Земли. Анализ колебаний Земли показал, что масса Луны в 81 раз меньше массы Земли.

Гравитационное притяжение Луны вызывает приливы и отливы на Земле. Приливные движения в результате трения замедляют вращение Земли, увеличивая продолжительность земных суток на 0,001 с за столетие. Поскольку момент импульса системы Земля – Луна сохраняется, замедление вращения Земли приводит к медленному удалению Луны от Земли

Перейти на страницу номер: 4