Луна

Луна — самый яркий и крупный объект на ночном небе, единственный естественный спутник нашей планеты. С древнейших времен она привлекает внимание людей, что нашло отражение в культуре и мифологии самых разных народов мира.

Благодаря исследованию Луны человечество постоянно расширяло и продолжает расширять свои знания о Солнечной системе и процессах, происходивших во время ее формирования. Одним из важнейших событий в истории стала высадка астронавтов на поверхность нашего спутника. В этой статье мы разберем главные свойства Луны, погрузимся в историю ее изучения и приведем несколько любопытных фактов об этом небесном теле.

Физические характеристики Луны

С диаметром 3 475 километров Луна является пятым по величине спутником Солнечной системы, уступая спутникам Юпитера — Ио, Каллисто и Ганимеду, а также спутнику Сатурна — Титану. При этом она превосходит по размерам Плутон и все остальные известные на сегодняшний день карликовые планеты. Объем Луны составляет 2,2 * 10¹⁰ км³ — внутри сферы нашей планеты могло бы поместиться сразу 50 подобных спутников. Площадь поверхности Луны равна примерно 37,9 млн км², что в 2,2 раза превышает площадь России и на четверть превосходит площадь всей Африки.

Луна имеет массу 7,3 * 10²² килограммов — в 81 раз меньше, чем у Земли. Столь непропорциональная разница с учетом объема объясняется невысокой плотностью небесного тела — 3,3 г/см³, примерно столько же, сколько у минералов группы апатитов. Но если сравнивать исключительно естественные спутники, Луна уступает по плотности только Ио, и всего лишь на 6%.

У Луны есть атмосфера, однако она сильно разрежена и почти неотличима от космического вакуума. В ее составе преобладают аргон, гелий и неон, а также присутствуют водород и калий. В одном кубическом сантиметре содержится всего лишь миллион молекул. Для сравнения — в 1 см³ атмосферы Земли содержание молекул достигает 10¹⁹. Плотность лунной атмосферы настолько мала, что при практических расчетах ее воздействием на космические аппараты пренебрегают.

Орбита и ее особенности

Принято считать, что Луна движется по орбите вокруг Земли, однако это утверждение не совсем корректно. Общий центр масс, хотя и находится в пределах Земли, но все же смещен от центра нашей планеты на 4 670 километров, что составляет 73% от ее среднего радиуса. Орбита Луны относительно Земли имеет эллиптическую, немного вытянутую форму. В перигее (ближайшей точке) среднее расстояние между двумя небесными телами составляет 363 100 километров, а в апогее (на максимальном отдалении) — 405 700 километров. В перигее и апогее видимый диаметр Луны на небе меняется в пределах 12%. Сидерический период обращения Луны (полный оборот вокруг нашей планеты относительно звезд) составляет 27,3 земных суток.

Для лунной орбиты характерна апсидальная прецессия. Это означает, что плоскость обращения (линии апсид) незначительно смещается, так как на спутник действует сила гравитации не только Земли, но и Солнца. Из-за этого явления перигей и апогей Луны меняется в диапазонах 356 400 – 370 400 и 404 000 – 406 700 километров соответственно. Орбитальная прецессия имеет периодичность 8,85 лет — через этот промежуток времени линии апсид возвращаются в свое изначальное положение.

Фазы Луны: что нужно знать

Луна находится в приливном захвате с Землей, то есть один оборот вокруг своей оси она делает ровно за то же время, что и оборот по орбите. Поэтому земные наблюдатели всегда могут наблюдать только одну сторону спутника, тогда как обратная остается недоступной для прямого наблюдения. По мере движения Земли вокруг Солнца свет падает на Луну под разным углом, благодаря чему мы можем видеть различные фазы Луны:

• новолуние — видимая сторона не освещается Солнцем, и Луна не видна на небе;
• молодая Луна — видна тонкая полоска в форме зеркально отраженной буквы «С»;
• первая четверть — освещается только правая половина Луны;
• растущая Луна — различима большая часть Луны с правой стороны;
• полнолуние — Луна полностью видна на небе;
• убывающая Луна — освещается большая часть Луны с левой стороны;
• последняя четверть — видна левая половина Луны;
• старая Луна — различим тонкий месяц в форме буквы «С».

Полный цикл смены фаз Луны длится от 13,5 до 15,5 земных суток. Именно столько длится световой день, а соответственно, и ночь на Луне. Ежемесячная смена фаз Луны, например, от полнолуния до полнолуния, составляет лунный календарь. Лунный год разделен на 12 синодических месяцев с непостоянной продолжительностью (в среднем — 29,5 суток). Таким образом, лунный год на 11 – 12 дней короче, чем календарный. Интересно, что в традиционной гавайской культуре выделяют 30 фаз луны, каждая из которых соответствует одному календарному дню.

Структура и состав Луны

По современным представлениям, внутренняя структура Луны разделена на ядро, мантию и кору. Как и у Земли, ядро Луны состоит из твердого и жидкого слоя толщиной 240 и 100 километров соответственно. Состав ядра определен лишь приблизительно — с уверенностью можно сказать только то, что большая его часть приходится на железо. По косвенным признакам (анализу сейсмических волн и компьютерных моделей) удалось установить, что в составе также присутствуют никель и сера. Считается, что в далеком прошлом жидкая часть ядра могла генерировать достаточно сильное магнитное поле. Сегодня же его плотность составляет всего 0,2 нанотеслы — примерно в 100 000 раз меньше, чем на Земле.

Между ядром и мантией находится переходный слой, толщину которого оценивают в диапазоне от 250 до 500 километров. Считается, что он представлен частично расплавленными оксидами железа и титана. Основным слоем в структуре Луны является мантия, толщина которой превышает 1 000 километров. Она имеет неоднородную структуру и состоит в основном из силикатов, содержащих железо, магний, марганец и кальций. По большей части мантия Луны находится в твердом состоянии, а немногочисленные жидкие минералы постепенно остывают и затвердевают.

Лунная кора представляет собой верхний слой с очень неравномерной толщиной. Геофизические методы позволили определить средний показатель — около 50 километров. При этом на видимой стороне Луны толщина коры на 8 – 12 километров меньше, чем на обратной. У этого факта нет однозначного объяснения. Возможно, разница связана с неравномерной вулканической активностью на спутнике в далеком прошлом. Основной состав коры представлен кислородом (в реголитах — остаточных и переотложившихся лунных породах), кремнием, магнием, железом, кальцием и алюминием. Кроме того, в него входят незначительные примеси урана, титана, калия и водорода.

Поверхность Луны

Слабая атмосфера Луны не способна замедлить скорость падающих метеоритов и астероидов, поэтому поверхность спутника сильно испещрена многочисленными ударными кратерами. Самым крупным из них является бассейн Южный полюс – Эйткен, который находится на невидимой стороне и имеет размер 2 400 x 2 000 километров (бо́льший диаметр среди кратеров Солнечной системы имеет только марсианская равнина Утопия).

Визуально поверхность Луны разделена на светлые и темные участки. Первые представляют собой возвышенности, которые называют лунными материками. Они покрывают порядка 80% поверхности и не имеют специфичных названий. Темные области являются низменностями, образованными вследствие вулканической активности, которая закончилась около 100 млн лет назад. Они называются лунными морями. В зависимости от размеров и особенностей рельефа также выделяют лунные океаны, заливы, озера и болота. Крупнейшим подобным образованием с диаметром 2 600 километров является Океан Бурь, расположенный на западе видимой стороны Луны. Немного севернее от него находится Море Дождей — древний базальтовый кратер, с трех сторон окруженный горными хребтами (Кавказом, Карпатами и Апеннинами, названными в честь земных гор).

Гравитационное поле и сила тяжести

Гравитационное поле Луны распределено неравномерно. В некоторых древних ударных бассейнах находятся масконы — скопления вещества повышенной плотности, вызывающие гравитационные аномалии. В среднем поверхностная гравитация Луны, эквивалентная ускорению свободного падения, составляет 1,62 м/с². Таким образом, сила тяжести на Луне в 6 раз меньше аналогичного земного показателя. Эту разницу наглядно продемонстрировали американские астронавты. Находясь в тяжелых скафандрах, они без особенных усилий подпрыгивали на высоту до двух метров. Справедливости ради отметим, что вес скафандра на Луне также уменьшился в 6 раз — с 91 до 15 килограммов.

Приливы и отливы на Земле

Мы уже упоминали приливные силы, воздействующие на Луну. Они связаны с тем, что ближняя сторона Луны притягивается к Земле сильнее, чем дальняя, из-за чего спутник немного растягивается. Ровно те же приливные силы воздействуют и на Землю. Во время движения по орбите Луна притягивает к себе воду в океанах и морях. Однако сила гравитации Земли значительно сильнее, поэтому вода не улетучивается в космическое пространство, а лишь незначительно изменяет свой уровень. Таким образом мы может наблюдать приливы и отливы. Из-за вращения нашей планеты вокруг своей оси за сутки в среднем происходит по два прилива и отлива.

Ранние исследования Луны

Анализ наскальных рисунков в виде геометрических фигур и счетных палочек, сделанных 40 000 – 20 000 лет назад показал, что уже в то далекое время люди наблюдали за фазами Луны и учились их прогнозировать. Самое раннее высеченное в камне изображение спутника, найденное на территории Ирландии, датировано 3000 годом до нашей эры. На нем весьма достоверно отражены светлые и темные области, поэтому Ортостат 47 считается древнейшей картой лунной поверхности.

Древнегреческий философ Анаксагор в V веке до нашей эры утверждал, что Луна, как и Солнце, является сферическим телом и отражает солнечный свет. Примерно в то же время астрономы Нового Вавилона описали 18-летний цикл лунных затмений (сарос), когда тень Земли полностью перекрывает свет от Солнца, и Луна на короткое время погружается во тьму. Древнеиндийские ученые смогли заметить изменение величины лунного диска (разницу между апогеем и перигеем). И наконец, во II веке до нашей эры античный астроном Селевк совершенно правильно предположил, что частота приливов и отливов зависит от положения Луны.

В начале эпохи телескопических наблюдений, в 1609 году Галилео Галилей сделал подробный рисунок поверхности Луны. Именно он первым заметил, что она не гладкая, как считалось ранее, а покрыта множеством кратеров. В середине XVI века итальянский астроном Джованни Баттиста Риччоли предположил, что когда-то давно темные области Луны были заполнены водой, и начал называть их морями, благодаря чему термин сохранился до нашего времени. В XVIII веке хорватский ученый Руджер Бошкович понял, что у Луны нет атмосферы. Он сделал такой вывод, так как звезды, покрываемые Луной, моментально пропадали из поля зрения. При наличии атмосферы они сначала становились бы тусклее, а уже потом исчезали из вида.

Космические миссии к Луне

Первой миссией к нашему естественному спутнику стала советская космическая программа «Луна». Первый аппарат, запущенный в самом начале 1959-го года, не достиг конечной цели из-за программной ошибки и вышел на гелиоцентрическую орбиту. Однако он стал первым рукотворным объектом, превысившим вторую космическую скорость (11,2 км/с), необходимую для преодоления земной гравитации.

Спустя несколько месяцев был запущен аппарат «Луна-2». С учетом прошлых ошибок специалисты смогли точнее рассчитать траекторию полета. Станция не была оснащена корректирующими двигателями, из-за чего после отделения разгонной ракеты начала вращаться вокруг своей оси с периодичностью раз в 14 минут. Однако это не оказало существенного влияния, и спустя двое суток полета станция запланированно врезалась в поверхность спутника, став первым искусственным объектом, достигшим другого небесного тела. Незадолго до столкновения «Луна-2» выпустила облако пара, которое расширилось до 650 километров и стало дополнительным подтверждением успешного окончания миссии.

Всего через месяц после предыдущего запуска был отправлен еще один аппарат — «Луна-3». Зонд пролетел в 6 200 километрах от Южного полюса и передал на Землю первые в истории снимки обратной стороны Луны. Через несколько дней в газете «Правда» были опубликованы как сами снимки, так и подробная карта с указанием особенностей рельефа невидимой стороны спутника.

Еще одним достижением советской космонавтики является первая в истории мягкая посадка на поверхность Луны. В 1966-м году с космодрома Байконур был запущен аппарат «Луна-9», на борту которого находился посадочный модуль. На расстоянии 8 300 километров от поверхности Луны началась подготовка к посадке. Благодаря включению тормозных двигателей скорость была последовательно уменьшена с 3 километров до нескольких метров в секунду. На высоте 5 метров контактный щуп смог коснуться поверхности спутника, после чего произошло автоматическое отделение посадочной капсулы. Оснащенный амортизирующими подушками модуль несколько раз подпрыгнул, после чего состоялась успешная посадка в Океане Бурь. Посредством сеансов радиосвязи, продолжавшихся в общей сложности 8 часов, на Землю были переданы первые фотографии лунного ландшафта, на которых были хорошо различимы валуны и отдаленные скалы.

Пилотируемые полеты на Луну

В 1961-м году, вскоре после космического полета Юрия Гагарина НАСА начало разрабатывать пилотируемую космическую программу «Аполлон». Из-за сложности проекта руководство США склонялось к тому, чтобы организовать совместную советско-американскую миссию, однако из-за политических факторов и нарастания «космической гонки» от этой идеи отказались. После серии тестовых запусков в 1967-м году к Луне планировали отправить первый космический корабль с экипажем — «Аполлон-1». Однако во время имитации запуска, целью которого была проверка работоспособности систем, в кабине вспыхнул пожар и все члены экипажа погибли. Из-за трагедии пилотируемые запуски отложили на 1,5 года.

Первый успешный пилотируемый полет к Луне состоялся в конце 1968-го года. Аппарат «Аполлон-8» с тремя членами экипажа на борту совершил 10 облетов спутника, после чего вернулся на Землю. Во время четвертого прохода люди впервые стали свидетелями восхода Земли над лунным горизонтом. «Генеральной репетицией» перед высадкой на поверхность стала миссия «Аполлон-10», реализованная в 1969-м году. После того как космический корабль вышел на лунную орбиту, два астронавта пересели в посадочный модуль и приблизились на расстояние 14 километров к будущей точки высадки.

В июле 1969-го года состоялось одно из самых значимых исторических событий — впервые на поверхность Луны ступил человек. Им стал командир корабля «Аполлон-11» Нил Армстронг. Спустя 20 минут к нему присоединился пилот лунного модуля «Орел» Базз Олдрин. В общей сложности астронавты провели на поверхности спутника почти 22 часа. За это время они собрали более 20 килограммов образцов лунного грунта, разместили портативную телевизионную станцию и сделали панорамные снимки поверхности. Из-за пониженной гравитации Армстронгу и Олдрину было сложно приспособиться к ходьбе, поэтому они перемещались преимущественно бегом, планируя свои движения на несколько шагов вперед.

Завершив задачи на поверхности, астронавты вернулись в лунный модуль. Перемещаясь внутри кабины, Олдрин случайно повредил выключатель реактивного двигателя, из-за чего возник риск, что запустить его не получится. Однако устройство быстро починили, вставив в отверстие для рычага обычную шариковую ручку. «Орел» успешно взлетел и состыковался с основным космическим аппаратом. Там «лунные путешественники» встретились с Майклом Коллинзом, который все это время провел в одиночестве на орбите Луны. Экипаж «Аполлона-11» успешно вернулся на Землю и приводнился в Тихом океане.

Правовой статус Луны и колонизация

Несмотря на то что американские астронавты установили флаг США на поверхности, Луна и любая из ее частей не принадлежат ни одному государству, компании или частному лицу. В 1967-м году СССР, США и Великобритания подписали Договор о космосе, согласно которому космическое пространство (в том числе и Луна) является общим достоянием человечества. Договор, в настоящее время подписанный 115 странами, запрещает размещение на Луне военных объектов и оружия массового поражения. В 1979-м году было заключено Соглашение о Луне, которое запрещает использование лунных ресурсов какой-либо одной страной. Однако этот документ подписали и ратифицировали всего 13 государств, ни одно из которых не разрабатывает крупные космические программы.

В настоящее время программы колонизации Луны находятся в стадии разработки. В 2017-м году был дан старт космической программе НАСА «Артемида», в рамках которой США и 52 страны-участницы проекта планируют сначала возобновить пилотируемые запуски на Луну, а затем заняться строительством лунной базы. Во время подготовительного этапа на Луне будет организована сеть орбитальных спутников и поверхностных устройств, которая обеспечит стабильную связь с Землей. Основными целями создания лунной базы являются добыча ресурсов и создание транспортного хаба, с которого будут осуществляться будущие полеты на Марс.

Луна в культуре и мифологии

В древнегреческий мифологии Луна отождествлялась с богиней Селеной — сестрой бога Солнца Гелиоса. Иногда Селену называли Ме́не, и именно от этого имени произошло англоязычное название спутника — «Moon». В современном греческом языке сохранилось античное название спутника Селена. Кроме того, существует раздел науки, изучающий строение, состав и геологические процессы на Луне, — селенология.

Считается, что слово «Луна» закрепилось в праславянском языке около VI века нашей эры. Оно, в свою очередь, произошло от праиндоевропейского слова «louksna», что в переводе означает «светлая». В славянской мифологии Луна ассоциировалась с богиней Дивией, которая освещала планету в ночное время. Кроме того, в мифах славянских народов Луна олицетворяла взаимосвязь жизни и смерти и природную гармонию. По лунным фазам славяне определяли оптимальное время для посадки сельскохозяйственных растений и сбора урожая.

Топ-5 интересных фактов о Луне

* С учетом скорости света сигнал с Земли достигает Луны через 1,28 секунды. Благодаря столь близкому расположению спутника в будущем связь лунных жителей с Землей будет происходить почти в реальном времени. Для сравнения: земным радиосигналам требуется от 5 до 20 минут, чтобы достичь Марса.

• Из-за приливных волн Луна ускоряет свое движение по орбите и отдаляется от Земли на 3,8 сантиметра в год. Из-за описанного процесса вращение нашей планеты постепенно замедляется, а продолжительность суток увеличивается на 17 микросекунд в год.
• Согласно наиболее распространенной гипотезе 4,5 млрд лет назад, на начальных этапах формирования Солнечной системы, молодая Земля столкнулась с крупной протопланетой размером с Марс — Теей. Часть обломков Теи осталась на Земле, тогда как из остальных сформировалась Луна.
• Подобно землетрясениям на нашей планете на Луне происходят лунотрясения. Однако сейсмические колебания коры вызывает не движение литосферных плит, а удары крупных метеоритов, резкие перепады температур и гравитационное воздействие Земли на внутренние слои спутника.
• Диаметр Луны в 400 раз меньше, чем диаметр Солнца. При этом Луна находится в 390 раз ближе к Земле, чем к Солнцу. Благодаря этому практически точному совпадению видимый размер обоих небесных тел приблизительно одинаков, а земные наблюдатели могут любоваться красочными солнечными затмениями.

Вопрос-ответ

Луна — планета или спутник?

Луна — это естественный спутник Земли.

Есть ли на Луне жизнь?

Однозначного ответа на этот вопрос нет. На данный момент ни одна из исследовательских миссий не обнаружила следы присутствия живых организмов на Луне. Условия на поверхности являются слишком экстремальными для выживания известных форм жизни, однако в лунных пещерах может поддерживаться приемлемая для выживания температура.

Есть ли на Луне вода?

На Луне не может существовать вода в жидком виде, так как под воздействием солнечного излучения ее молекулы распадаются и улетучиваются в космос. Однако есть гипотеза, что на Луне может находиться водяной лед, занесенный туда кометами.

Возможно ли колонизировать Луну в будущем?

Колонизация Луны в будущем возможна. В данный момент осуществляется реализация подготовительного проекта НАСА «Артемида», в рамках которого будет подготовлена первичная инфраструктура для строительства лунных баз.

Изображение на обложке: NASA/Unsplash