Гравитационное поле луны


Гравитационное поле луны

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[5]. 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.
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).

Гравитационное поле луны

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 1026 — 1027 пуаз[6]. 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 (1020 — 1021 пуаз).

Тепловой поток. До полетов космических кораблей считалось, что содержание радиоактивных элементов 235U, 238U, 232Th, 40K в недрах Луны в среднем такое же, как в хондритовых метеоритах или в мантии Земли.
пловой поток, идущий из недр Луны через ее поверхность, оценивался по аналогии с соответствующим потоком Земли, где ежесекундно через каждый 1 см2 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/см2с.

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.


ло 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.
пример, 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 · (см2 · с)-1, в районе Декарта — 0,38 · 10-6 ккал · (см2 · с)-1. Различие на 40 % превосходит погрешности измерений, эффект местного рельефа и характеризует горизонтальную изменчивость содержания радиоактивных изотопов в лунной коре.


Примечания:

5

1 миллигал = 10-3 см/с2, миллионная часть ускорения силы тяжести на поверхности Земли.

6

При вязкости 1 пуаз жидкость перетекает через сечение 1 см2 со скоростью 1 см/с под действием силы 1 г.


Главная | В избранное | Наш E-MAIL | Добавить материал | Нашёл ошибку | Другие сайты | Наверх

Источник: www.libma.ru

СИМВОЛ НАУКИ ISSN 2410-700X № 2/2019


ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ НАУКИ

УДК 531.51+523.34

Н.В. Островский

канд. техн. наук, ветеран труда г. Кирово-Чепецк, РФ E-mail: [email protected]

О ГЕОМЕТРИИ ГРАВИТАЦИОННОГО ПОЛЯ ЛУНЫ

Аннотация

В статье представлены расчёты границ гравитационного поля Луны. Расчёты выполнены на основе решения гравитационной задачи трёх тел, ранее использованного для создания ряда динамических моделей. Гравитационное поле Луны представляет собой уширенный эллипсоид вращения, перицентр которого находится в соединении с Землёй. Полученные данные могут быть использованы при проектировании перелётных орбит Земля-Луна.

Ключевые слова

Гравитационная задача четырёх тел, гравитационное поле Луны, полёты к Луне.

В последние годы вновь стала актуальной тема экспедиций к Луне. Очевидно, что успех экспедиции и затраты на её осуществление зависят от точности расчёта перелётной орбиты, что требует знаний о гравитационном поле Луны. С 1958 г. состоялось 78 запусков космических аппаратов (КА) к Луне, значительная часть которых завершилась переходом КА на окололунную орбиту или посадкой на поверхность Луны [1]. Полученные данные слежения за движением КА позволили приступить к разработке моделей гравитационного поля Луны, но за прошедшие 60 лет проблема не нашла своего окончательного решения. Определение границ гравитационного поля Луны имеет ключевое значение при проектировании перелётной орбиты, т.к. на ней происходит смена небесного тела, которое является для КА центральным и, вместе с тем, происходит изменение углового момента (момента количества движения) КА. Важно подчеркнуть, что исключение углового момента из расчётных алгоритмов ведёт к ошибочным результатам [2].


Постановка задачи

Известно, что уравнение, описывающее закон тяготения Ньютона:

F = G-^-r2, где: (1)

Г

F — сила тяготения,

G — универсальная гравитационная постоянная,

m1 и m2 — массы взаимодействующих тел,

r — расстояние между телами,

не пригодно для расчётов гравитационных взаимодействий в системах трёх и более тел.

Для решения данной проблемы ещё Лапласом было введено понятие сферы действия в связи с изучением движения комет при их сближении с планетами. При этом, под сферой действия понимается та область пространства, в которой планета выполняет роль центрального тела, сообщающего комете ускорение силы тяготения. Поверхность, ограничивающая сферу действия, определяют условием [3]:

a a

G,P,1 G ,S ,1

-=-, где: (2)

aG,S aG,P

aG,s — ускорение, которое Солнце сообщает комете в том случае, когда Солнце принимается за центральное тело;

СИМВОЛ НАУКИ ISSN 2410-700X № 2/2019

аврл — возмущающее ускорение, вызываемое притяжением планеты;

ао,р- ускорение, которое планета сообщает комете в том случае, когда планета принимается за центральное тело;

а^,1 — возмущающее ускорение, вызываемое притяжением Солнца. Радиус сферы действия определяется уравнением:

, 1/5

т2

г 2 ^

А = r /j

Vi + 3cos2 ф

, где: (3)

Г1 — радиус-вектор планеты относительно Солнца

т -масса планеты в единицах масс Солнца;

ф — угол между направлениями из центра планеты на комету и на Солнце.

Для Земли, вычисленный по данному уравнению радиус сферы действия, изменяется в диапазоне от 7,92 до 9,40-108 м в зависимости от расстояния между Землей и Солнцем и выбранного направления. Таким образом, орбита Луна оказывается внутри сферы действия Земли, в то время как она находится вне сферы тяготения Земли, вычисленной по уравнению (1).

Сферу действия Луны можно также рассчитать по уравнению (3), подставив в него массу Луны, выраженную в массах Земли. Вычисленные значения радиуса сферы действия Луны находятся в диапазоне от 5,45 до 6,98 • 107 м в зависимости от направления радиус-вектора пробной точки и радиуса орбиты Луны.

Данный подход, однако, оказался не востребован при освоении космоса в связи с неточностями при расчётах ускорения силы тяготения.

Более точные результаты могут быть получены путём введения в уравнение Ньютона возмущающей функции, учитывающей воздействие внешних тел. Например, для спутника Земли возмущающая функция может иметь вид [4]:

R=GmM

Г.

с r

r.

P2 CÖS^M 4

Gms

r

С

r

r

2

P2 CÖSa„, где: (4)

м V m J S V S J

тм и ms — массы Луны и Солнца, r — радиус-вектор спутника относительно Земли, гм и rs — расстояние от спутника до Луны и Солнца соответственно, P2 — полином Лежандра второй степени,

ам и as — угол между радиус-вектором спутника относительно Земли и радиус-векторами спутника относительно Луны и Солнца соответственно.

Аналогичный подход был использован и для описания гравитационного поля Луны. Первая модель Э.Л. Акима, опубликованная в 1966 г. содержала 11 коэффициентов [5], а модель M.P. Ananda, вышедшая в 1977 г., уже включала полиномы 20-го порядка [6]. Всего по состоянию на 1984 г. насчитывалось более 33 различных моделей гравитационного поля Луны [7].

По сути, все эти модели являются однотипными и аппроксимационными. По мере появления новых данных появляются и новые модели. Работа [8] содержит уравнение для вычисления гравитационного потенциала в окрестностях Луны для точки с координатами r, ф и X:

/ п

Л а п _____

V(r,p,Á) = ~Z — ZPm(sin^)(C„m cosтЛ + snm sinтЛ), где: (5)

V r У

m=9

r n=0

r, ф и X — радиус, широта и долгота, ц — гравитационная постоянная, а — средний радиус небесного тела,

Cnm и snm — полностью нормализованные коэффициенты Стокса, P™ (sin ф) — функция Лежандра степени n и порядка т.

2

Í 7 }

СИМВОЛ НАУКИ ISSN 2410-700X № 2/2019

Но вопрос о границах гравитационного поля Луны ни в одной из работ не рассматривается. Это связано с тем, что модели создаются на основе наблюдений за движением искусственных спутников Луны, удалённость которых от поверхности Луны не превышает нескольких сот километров.

Поэтому для определения границ гравитационного поля Луны необходимо использовать иной подход.

Обобщённое решение задачи многих тел

В работе [9] было предложено обобщённое решение задачи трёх тел. Если мы имеем три тела с

т2 т3

массами т1, т2 и тз, то тело 1 будет притягиваться телом 2, когда->-. В противном случае на тело

Г3 Г3

'12 '13

1 будет действовать сила со стороны тела 3. Величина силы тяготения при этом описывается уравнением:

F = Gm r

1 J2 и;

m

m3cosa

r3

V 12

r3

'13

, где: а — угол между Г12 и Г13.

(6)

Данный алгоритм был использован для построения моделей орбитального движения Луны и внешних спутников Юпитера, модели захвата Зёмлей внешнего тела, движущегося по гелиоцентрической орбите, расчёта приливных гравитационных эффектов [10-14].

В случае расчёта границ поля тяготения Луны мы имеем систему четырёх тел: Солнце (5), Земля (Е), Луна (М и пробная точка (Р) (см. рис. 1). Для определения направления силы тяготения, воздействующей

на пробную точку, мы должны сравнить три величины: т^'г^ , ЖЕ! Г^Е и тм /ГрМ .

S

E

P /

Рисунок 1 — Схема, описывающая взаимное расположение небесных тел и пробной точки

Для расчёта напряжённости гравитационного поля Луны (ускорения силы тяготения) при условии выполнения неравенства:

m m

"lM ^ "lE

3 3

г r

' PE

(7)

PM

должно быть использовано уравнение:

ёы = GrPi

m

r3

V pm

ы mS cosaS mEcosaE

r3

PS

r3

PE

, где:

а5 — угол между грм и гр5, аЕ — угол между грм и гре.

СИМВОЛ НАУКИ ISSN 2410-700X № 2/2019

Результаты расчётов и их обсуждение

Расчёты показали, что равенство

m

м

r3

PM

m*

r3

PE

определяющее границу гравитационного поля Луны,

достигается при значениях сравниваемых величин от 0,04 до 0,23 кг/м3, в то время как величина тз /Гр,8 в

окрестностях лунной орбиты составляет около 6 10-4 кг/м3. Поэтому положение Земли на орбите не влияет, в первом приближении, на границы гравитационного поля Луны. Вследствие этого на геометрию её гравитационного поля, опить-таки, в первом приближении, не влияет и фаза Луны, а влияет только расстояние между Луной и Землёй.

По форме гравитационное поле Луны напоминает эллипсоид вращения, хотя его сечение не в полной мере отвечает условию эллиптичности кривой. А именно, оно несколько уширено, так что отношение длины радиус-вектора пробной точки при угле 90° относительно радиус-вектора Луна-Земля к вычисленному значению фокального параметра эллипса находится в диапазоне от 1,024 (Луна в перигее) до 1,041 (Луна в апогее).

Размеры гравитационного поля Луны увеличиваются по мере её удаления от Земли. Если в перигее Луны большая полуось эллипсоида равна 8,85 107 м, а малая — 8,60-107 м (эксцентриситет 0,237), то в апогее большая полуось эллипсоида равна 9,90107 м, а малая — 9,63• 107 м (эксцентриситет 0,232). Перицентр эллипсоида находится в соединении с Землёю, а апоцентр — в оппозиции к ней (см. рис. 2).

Сопоставление с границами «сферы действия» Луны, найденными по уравнению (3), обнаруживает существенные различия. «Сфера действия» Луны также представляет собой эллипсоид, но Луна находится не в фокусе эллипса, а в его центре (см. рис. 3). Большая ось эллипса перпендикулярна радиус-вектору Луны относительно Земли. Размеры «сферы действия» значительно меньше. Соотношение радиусов изменяется от 0,8, когда пробная точка находится в соединении с Землёю, до 0,5, когда пробная точка находится в оппозиции к Земле.

Рисунок 2 — Зависимость радиуса гравитационного поля Луны от расстояния между Луной и Землёй и величины угла ЕМР (радиус в м, одно деление окружности — п/16).

Величина напряжённости гравитационного поля на его границе равна нулю, когда пробная точка находится в соединении с Землёю. Затем она начинает возрастать и достигает максимума при угле поворота

' У

СИМВОЛ НАУКИ ISSN 2410-700X № 2/2019

относительно радиус-вектора Луна-Земля 135°. Далее следует минимум при угле поворота 180° (см. рис. 4). С увеличением размеров гравитационного поля Луны напряжённость поля на его границе уменьшается. Внутри гравитационной «сферы» напряжённость поля может быть вычислена по уравнению (8).

Рисунок 3 — Границы гравитационного поля и «сферы действия» Луны (Луна в перигее).

Заключение

Проведённые расчёты показали, что гравитационное поле Луны простирается на значительном расстоянии от небесного тела, а его границы постоянно меняются вследствие движения Луны по орбите.

Учёт границ гравитационного поля Луны должен существенно улучшить точность проектирования перелётных орбит Земля-Луна. Теоретически возможно найти некий функционал, описывающий границу гравитационного поля Луны, но более практичным представляется создание программного комплекса, позволяющего на основе эфемерид Земли и Луны вычислять напряжённость гравитационного поля Луны в любой точке и для любого момента времени. Точность вычислений напряжённости гравитационного поля будет определяться точностью используемых эфемерид и гравитационной постоянной Луны.

Рисунок 4 — Зависимости напряжённости гравитационного поля Луны на его границах от угла ЕМР.

-( '» )-

СИМВОЛ НАУКИ ISSN 2410-700X № 2/2019

Список использованной литературы:

1. Исследования Луны. // Интернет-сайт «Википедия». URL: https://m.wikipedia.org/wiki/Исследования_Луны (26.IX.2018).

2. Островский Н.В. Свойства эллиптических орбит. — М.: «Спутник+», 2018. — 48 с., с. 44.

3. Чеботарёв А.Г. Аналитические и численные методы небесной механики. — М.-Л.: Наука, 1965. — 367 с., с. 309.

4. Аксёнов Е.П. Теория движения искусственных спутников Земли. — М.: «Наука», ГРФМЛ, 1977. — 360 с., с. 212.

5. Аким Э.Л. Определение поля тяготения Луны по движению ИСЛ «Луна-10». // Доклады академии наук СССР, 1966, т. 170, с. 799-802.

6. Ananda M.P. Lunar gravity; a mass point model. // Journal Geophysics research, 1977, v. 82, p. 3049-3084.

7. Кислюк В.С. Эллипсоид инерции Луны. // Кинематика и физика небесных тел, 1985, № 1, с. 41-48.

8. Vilana E.C. Study of spacecraft orbits in the Gravity field of the moon. A dissertation submitted to the Department of Aerospace Engineering — Barselona: Universitaat Politecnica de Catalunya, 2012. — 96 p. [электронный ресурс]. URL: https://upcommons.upc.edu/bitstream/handle/2099.1/15241/Memoria.pdf (17.IX.2018).

9. Островский Н.В. Решение задачи трех тел на примере системы Солнце-Земля-Луна.//Материалы пятой Всероссийской научно-технической конференции «Современные проблемы математики и естествознания», Нижний Новгород, 18 апреля 2003. — Нижний Новгород: Нижегородский государственный технический университет, 2003, с. 4-5.

10. Nikolai V. Ostrovski. Physical model of the orbital movement of the Jupiter satellite Sinope.//Gamov Memorial International Conference dedicated to 100-th anniversary of George Gamov "Astrophysics after Gamov — theory and observations". Abstracts. Odessa: "Astroprint", 2004, p. 124-125.

11. Островский Н.В. Физическая модель движения спутника Юпитера Пасифе. //Вестник Удмуртского университета. Серия "Физика", 2005, № 4, с. 41-50.

12. Островский Н.В. Влияние Солнца на движение спутника Земли.//Вестник Тюменского государственного университета, 2005, № 4, с. 106-113.

13. Островский Н.В. Влияние Луны и Солнца на напряжённость гравитационного поля у поверхности неупругой Земли.// Омский научный вестник, 2006, № 10 (48), с. 5-8.

14. Ostrovskiy N.V. Modeling of the celestial body transition from heliocentric orbit to planet-centric.//Reports of International astronomical congress "Astrokazan-2011", Kazan, August 22-30. — Kazan: Kazan Federal University, 2011, p. 188-190.

© Островский Н.В., 2019

}

Источник: cyberleninka.ru

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 2,0·105 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 −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 −16m.

Гравитационное поле

Коэффициенты секторальных и тессеральных гармоник
C3,1 = 0,000030803810 S3,1 = 0,000004259329
C3,2 = 0,000004879807 S3,2 = 0,000001695516
C3,3 = 0,000001770176 S3,3 =-0,000000270970
C4,1 =-0,000007177801 S4,1 = 0,000002947434
C4,2 =-0,000001439518 S4,2 =-0,000002884372
C4,3 =-0,000000085479 S4,3 =-0,000000718967
C4,4 =-0,000000154904 S4,4 = 0,000000053404

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:

begin{align} V&= frac{GM}{r} left(1-sum_{n=2}^{infty} J_nleft(frac{R}{r}right)^nP_n(sintheta)right. \ & +left.sum_{n=2}^{infty}sum_{m=1}^n left(frac{R}{r}right)^n(C_{nm}cos mlambda + S_{nm} sin mlambda) P_n^m(sintheta)right), \ end{align}

где Pnm — 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 Марса — 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

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.

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.

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

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 метеоритов;
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 спускаемым аппаратом «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

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

Химический состав лунного реголита в процентах.
Элементы Доставлен «Луной-20» Доставлен «Луной-16»
Si 20,0 20,0
Ti 0,28 1,9
Al 12,5 8,7
Cr 0,11 0,20
Fe 5,1 13,7
Mg 5,7 5,3
Ca 10,3 9,2
Na 0,26 0,32
K 0,05 0,12

АМС «Луна-20» доставила грунт из материкового района, «Луна-16» из морского.

Селенография

Поверхность Луны можно разделить на два типа: очень старая гористая местность (лунный материк) и относительно гладкие и более молодые лунные моря. Лунные моря, которые составляют приблизительно 16 % всей поверхности Луны, — это огромные кратеры, возникшие в результате столкновений с небесными телами, которые были позже затоплены жидкой лавой. Большая часть поверхности покрыта реголитом. Лунные моря, под которыми лунными спутниками обнаружены более плотные, тяжёлые породы, сконцентрированы на обращённой к Земле стороне из-за влияния гравитационного момента при формировании Луны.

Большинство кратеров на обращённой к нам стороне названо по имени знаменитых людей в истории науки, таких как Тихо Браге, Коперник и Птолемей. Детали рельефа на обратной стороне имеют более современные названия типа Аполлон, Гагарин и Королёв. На обратной стороне Луны расположена огромная впадина (бассейн) диаметром 2250 км и глубиной 12 км — это самый большой бассейн в Солнечной системе, появившийся в результате столкновения. Море Восточное в западной части видимой стороны (его можно видеть с Земли) является отличным примером многокольцевого кратера.

Также выделяют второстепенные детали лунного рельефа — купола, хребты, борозды (от нем. Rille — борозда, жёлоб) — узкие извилистые долиноподобные понижения рельефа.

Происхождение кратеров

Попытки объяснить происхождение кратеров на Луне начались с конца 1780-х годов. Основных гипотез было две — вулканическая и метеоритная.

Согласно постулатам вулканической теории, выдвинутой в 80-х годах XVIII века немецким астрономом Иоганном Шрётером, лунные кратеры были образованы вследствие мощных извержений на поверхности. Но в 1824 году также немецкий астроном Франц фон Груйтуйзен сформулировал метеоритную теорию, согласно которой при столкновении небесного тела с Луной происходит продавливание поверхности спутника и образование кратера.

До 20-х годов XX века против метеоритной гипотезы выдвигали тот факт, что кратеры имеют круглую форму, хотя косых ударов по поверхности должно быть больше чем прямых, а значит при метеоритном происхождении кратеры должны иметь форму эллипса. Однако в 1924 году новозеландский учёный Джиффорд впервые дал качественное описание удара о поверхность планеты метеорита, двигающегося с космической скоростью. Получалось, что при таком ударе большая часть метеорита испаряется вместе с породой на месте удара, и форма кратера не зависит от угла падения. Также в пользу метеоритной гипотезы говорит то, что совпадает зависимость количества лунных кратеров от их диаметра и зависимость количества метеорных тел от их размера. Чуть позже, в 1937 году, данную теорию привёл к обобщённому научному виду советский студент Кирилл Петрович Станюкович, впоследствии ставший доктором наук и профессором. Данная «взрывная теория» разрабатывалась им самим и группой учёных с 1947 по 1960 года, а дорабатывалась в дальнейшем и другими исследователями.

Полёты к спутнику Земли с 1964 года, совершенные американскими космическими аппаратами «Рейнджер», а также открытие кратеров на других планетах Солнечной системы (Марс, Меркурий, Венера) подвели итог этому вековому спору о происхождении кратеров на Луне. Дело в том, что открытые вулканические кратеры (например, на Венере) сильно отличаются от лунных, схожих с кратерами на Меркурии, которые, в свою очередь были образованы ударами небесных тел. Поэтому метеоритная теория ныне считается общепринятой.

Благодаря столкновению Луны с астероидом мы можем наблюдать с Земли метеоритные кратеры на Луне. Учёные из Парижского института физики Земли полагают, что 3,9 миллиарда лет назад столкновение Луны с крупным астероидом заставило Луну повернуться.

Лунные моря

Лунные моря представляют собой обширные, залитые некогда базальтовой лавой низины. Изначально данные образования считали обычными морями. Впоследствии, когда это было опровергнуто, менять название не стали. Лунные моря занимают около 40 % видимой площади Луны.

русское название международное название
Море Кризисов (Опасностей) Mare Crisium
Море Плодородия (Изобилия) Mare Foecunditatis
Море Нектара Mare Nectaris
Море Спокойствия Mare Tranquillitatis
Море Пены Mare Spumans
Море Ясности Mare Serenitatis
Море Дождей Mare Imbrium
Море Холода Mare Frigorum
Море Паров Mare Vaporum
Море Облаков Mare Nubium
Море Влажности Mare Humorum
Море Смита Mare Smythii
Море Восточное Mare Orientalis
Море Москвы Mare Mosquae
Море Краевое Mare Marginis
Море Южное Mare Australe
Море Мечты Mare Ingenii
Океан Бурь Oceanus Procellarum
Залив Центральный Sinus Medium
Залив Зноя (Волнений) Sinus Aestuum
Залив Росы Sinus Roris
Залив Радуги Sinus Iridum

Внутренняя структура

Луна — дифференцированное тело, она имеет геохимически различную кору, мантию и ядро. Оболочка внутреннего ядра богата железом, она имеет радиус 240 км, жидкое внешнее ядро состоит в основном из жидкого железа с радиусом примерно 300—330 километров. Вокруг ядра находится частично расплавленный пограничный слой с радиусом около 480—500 километров. Эта структура, как полагают, появилась в результате фракционной кристаллизации из глобального океана магмы вскоре после образования Луны 4,5 миллиарда лет назад. Лунная кора имеет в среднем толщину ~ 50 км.

Луна — второй по плотности спутник в Солнечной системе после Ио. Однако внутреннее ядро Луны мало, его радиус около 350 км; это только ~ 20 % от размера Луны, в отличие от ~ 50 % у большинства других землеподобных тел. Состоит лунное ядро из железа, с небольшим количеством примесей серы и никеля.

Карта Луны

Лунный ландшафт своеобразен и уникален. Луна вся покрыта кратерами разного размера — от микроскопических до сотен километров. Долгое время учёные не могли заглянуть на обратную сторону Луны, это стало возможно с появлением космических аппаратов. Сейчас учёные уже создали очень подробные карты обоих полушарий Луны. Подробные лунные карты составляют для того, чтобы в ближайшем будущем подготовиться для высадки человека на Луну, удачного расположения лунных баз, телескопов, транспорта, поиска полезных ископаемых и т. п.

Происхождение Луны

До того, как учёные получили образцы лунного грунта, они ничего не знали о том, когда и как образовалась Луна. Существовало две принципиально разных теории:

Луна и Земля сформировались в одно и то же время из газопылевого облака;
Луна сформировалась в другом месте и впоследствии была захвачена Землёй.

Однако новая информация, полученная путём детального изучения образцов с Луны, привела к созданию теории Гигантского столкновения: 4,36 миллиарда лет назад протопланета Земля (Гея) столкнулась с протопланетой Тейя. Удар пришёлся не по центру, а под углом (почти по касательной). В результате большая часть вещества ударившегося объекта и часть вещества земной мантии были выброшены на околоземную орбиту. Из этих обломков собралась прото-Луна и стала обращаться по орбите с радиусом около 60 000 км. Земля в результате удара получила резкий прирост скорости вращения (один оборот за 5 часов) и заметный наклон оси вращения. Хотя у этой теории тоже есть недостатки, в настоящее время она считается основной.

По оценкам, основанным на содержании стабильного радиогенного изотопа вольфрама-182 (возникающего при распаде относительно короткоживущего гафния-182) в образцах лунного грунта, в 2005 году учёные-минералоги из Германии и Великобритании определили возраст лунных пород в 4 млрд 527 млн лет (±10 млн лет), в 2011 году её возраст был определён в 4,36 млрд лет (±3 млн лет), а в 2015 году — в 4,47 миллиарда лет.

Исследование Луны

Луна привлекала внимание людей с древних времён. Во II в. до н. э. Гиппарх исследовал движение Луны по звёздному небу, определив наклон лунной орбиты относительно эклиптики, размеры Луны и расстояние от Земли, а также выявил ряд особенностей движения.

Изобретение телескопов позволило различать более мелкие детали рельефа Луны. Одну из первых лунных карт составил Джованни Риччиоли в 1651 году, он же дал названия крупным тёмным областям, именовав их «морями», чем мы и пользуемся до сих пор. Данные топонимы отражали давнее представление, будто погода на Луне схожа с земной, и тёмные участки якобы были заполнены лунной водой, а светлые участки считались сушей. Однако в 1753 году хорватский астроном Руджер Бошкович доказал, что Луна не имеет атмосферы. Дело в том, что при покрытии звёзд Луной, те исчезают мгновенно. Но если бы у Луны была атмосфера, то звезды бы погасали постепенно. Это свидетельствовало о том, что у спутника нет атмосферы. А в таком случае жидкой воды на поверхности Луны быть не может, так как она мгновенно бы испарилась.

С лёгкой руки того же Джованни Риччиоли кратерам стали давать имена известных учёных: от Платона, Аристотеля и Архимеда до Вернадского, Циолковского и Павлова.

Новым этапом исследования Луны стало применение фотографии в астрономических наблюдениях, начиная с середины XIX века. Это позволило более детально анализировать поверхность Луны по подробным фотографиям. Такие фотографии были сделаны, в частности, Уорреном де ла Рю (1852) и Льюисом Резерфордом (1865). В 1881 Пьер Жансен составил детальный «Фотографический атлас Луны».

АМС

С началом космической эры количество наших знаний о Луне значительно увеличилось. Стал известен состав лунного грунта, учёные получили его образцы, составлена карта обратной стороны.

Впервые Луны достиг советский космический корабль «Луна-2» 13 сентября 1959 года.

Впервые удалось заглянуть на обратную сторону Луны в 1959 году, когда советская станция «Луна-3» пролетела над ней и сфотографировала невидимую с Земли часть её поверхности.

После того как в августе 1976 года советская станция «Луна-24» доставила на Землю образцы лунного грунта, следующий аппарат — японский спутник «Hiten» — полетел к Луне лишь в 1990 году. Далее были запущены два американских космических аппарата — “Clementine” в 1994 году и “Lunar Prospector” в 1998 году.

Европейское космическое агентство 28 сентября 2003 года запустило свою первую автоматическую межпланетную станцию (АМС) «Смарт-1». 14 сентября 2007 года Япония запустила вторую АМС для исследования Луны «Кагуя». А 24 октября 2007 года в лунную гонку вступила и КНР — был запущен первый китайский спутник Луны «Чанъэ-1». С помощью этой и следующей станций учёные создают объёмную карту лунной поверхности, что в будущем может поспособствовать амбициозному проекту колонизации Луны. 22 октября 2008 года была запущена первая индийская АМС «Чандраян-1». В 2010 году Китай запустил вторую АМС «Чанъэ-2».

18 июня 2009 года, НАСА были запущены лунные орбитальные зонды — Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO) и Lunar Crater Observation and Sensing Satellite (LCROSS). Спутники предназначены для сбора информации о лунной поверхности, поиска воды и подходящих мест для будущих лунных экспедиций. К сорокалетию полёта Аполлона-11 автоматическая межпланетная станция LRO выполнила специальное задание — провела съёмку районов посадок лунных модулей земных экспедиций. В период с 11 по 15 июля LRO сделала и передала на Землю первые в истории детальные орбитальные снимки самих лунных модулей, посадочных площадок, элементов оборудования, оставленных экспедициями на поверхности, и даже следов тележки, ровера и самих землян. За это время были отсняты 5 из 6 мест посадок: экспедиции Аполлон-11, 14, 15, 16, 17. Позднее КА LRO выполнил ещё более подробные снимки поверхности, где ясно видно не только посадочные модули и аппаратуру со следами лунного автомобиля, но и пешие следы самих космонавтов. 9 октября 2009 космический аппарат LCROSS и разгонный блок «Центавр» совершили запланированное падение на поверхность Луны в кратер Кабеус, расположенный примерно в 100 км от южного полюса Луны, а потому постоянно находящийся в глубокой тени. 13 ноября НАСА сообщило о том, что с помощью этого эксперимента на Луне обнаружена вода.

В начале 1960-х годов было очевидно, что в освоении космоса США отстают от СССР. Дж. Кеннеди заявил — высадка человека на Луну состоится до 1970 года. Для подготовки к пилотируемому полёту НАСА выполнило несколько космических программ: «Рейнджер» (1961—1965) — фотографирование поверхности, «Сервейер» (1966—1968) — мягкая посадка и съёмки местности и «Лунар орбитер» (1966—1967) — детальное изображение поверхности Луны. Также в 1965—1966 гг. был проект НАСА MOON-BLINK по исследованию необычных явлений (аномалий) на поверхности Луны. Работы выполнялись Trident Engineering Associates (Аннаполис, штат Мэриленд) в рамках контракта NAS 5-9613 от 1 июня 1965 года с Goddard Space Flight Center (Гринбелт, штат Мэриленд).

Луноходы

СССР проводил исследования на поверхности Луны с помощью двух радиоуправляемых самоходных аппаратов, «Луноход-1», запущенный к Луне в ноябре 1970 года и «Луноход-2» — в январе 1973. «Луноход-1» работал 10,5 земных месяцев, «Луноход-2» — 4,5 земных месяцев (то есть 5 лунных дней и 4 лунные ночи), за которые прошёл 42,1 км (на июнь 2014 года это расстояние остаётся рекордным для внеземных аппаратов; на втором месте находится марсоход «Оппортьюнити», прошедший 39,6 км). Оба аппарата собрали и передали на Землю большое количество данных о лунном грунте и множество фотоснимков деталей и панорам лунного рельефа.

Прилунение в декабре 2013 года китайского лунохода «Юйту» стало первой мягкой посадкой на Луну с 1976 года, после советской АМС Луна-24. Также, он стал первым за 40 с лишним лет планетоходом, работающим на Луне, а КНР — третьей державой, осуществившей мягкую посадку на Луну, после СССР и США.

Пилотируемые полёты

Американская программа пилотируемого полёта на Луну называлась «Аполлон». Первая посадка произошла 20 июля 1969 года; последняя — в декабре 1972 года, первым человеком, ступившим 21 июля 1969 года на поверхность Луны, стал американец Нил Армстронг, вторым — Эдвин Олдрин; третий член экипажа Майкл Коллинз оставался в орбитальном модуле. В декабре 1972 года астронавты «Аполлона-17» капитан Джин Сернан и д-р Харрисон Шмидт стали последними (на данный момент) людьми, высадившимися на Луну.

Таким образом, Луна — единственное небесное тело, на котором побывал человек, и первое небесное тело, образцы которого были доставлены на Землю (США доставили 380 килограммов, СССР — 324 грамма лунного грунта).

Частные проекты

К изучению Луны приступают частные компании. Был объявлен всемирный конкурс Google Lunar X PRIZE по созданию небольшого лунохода, в котором участвуют несколько команд из разных стран, в том числе российская Селеноход. Есть планы по организации космического туризма с полётами вокруг Луны на российских кораблях — сначала на модернизированных «Союзах», а затем на разрабатываемых перспективных универсальных Перспективная пилотируемая транспортная система.

Освоение

Международный правовой статус

Большинство правовых вопросов освоения Луны были разрешены в 1967 году Договором о принципах деятельности государств по исследованию и использованию космического пространства, включая Луну и другие небесные тела. Также юридический статус Луны описывает Соглашение о Луне от 1979 года.

Колонизация

Луна является самым близким и лучше всего изученным небесным телом и рассматривается как кандидат для места создания человеческой колонии. НАСА разрабатывала космическую программу «Созвездие», в рамках которой должна разрабатываться новая космическая техника и создаваться необходимая инфраструктура для обеспечения полётов нового космического корабля к МКС, а также полётов на Луну, создания постоянной базы на Луне и в перспективе полётов на Марс. Однако, по решению президента США Барака Обамы от 1 февраля 2010 года, финансирование программы в 2011 году было прекращено.

В феврале 2010 года НАСА представило новый проект: «аватары» на Луне, который может быть реализован уже через 1000 дней. Суть его заключается в организации экспедиции на Луну с участием роботов-аватаров (представляющих собой устройство телеприсутствия) вместо людей. В этом случае инженеры, занимающиеся организацией полёта, избавляют себя от необходимости использования важных систем жизнеобеспечения и благодаря этому используется менее сложный и дорогой космический корабль. Для управления роботами-аватарами эксперты НАСА предлагают использовать высокотехнологичные костюмы дистанционного присутствия (наподобие костюма виртуальной реальности). Один и тот же костюм могут «надевать» несколько специалистов из разных областей науки поочередно. К примеру, в ходе изучения особенностей лунной поверхности, управлять «аватаром» может геолог, а затем в костюм телеприсутствия может облачиться физик.

Российские учёные определили 14 наиболее вероятных точек прилунения. Каждое из мест посадки имеет размеры 30×60 км. Будущие лунные базы находятся на стадии эксперимента, в частности уже проведены первые успешные испытания самозалатывания космических аппаратов в случае попадания в них метеоритов. В будущем Россия собирается применить на полюсах Луны криогенное (низкотемпературное) бурение для доставки на Землю грунта с вкраплениями летучих органических веществ. Данный метод позволит органическим соединениям, которые заморожены на реголите, не испаряться.

Сомнительные сделки, связанные с освоением Луны

Существуют сомнительные компании, осуществляющие продажу участков на Луне. В обмен на определённую плату покупатель получает сертификат о «праве собственности» на некоторую площадь поверхности Луны. Есть мнение, что на данный момент сертификаты такого рода не имеют юридической силы из-за нарушения условий Договора о принципах деятельности государств по исследованию и использованию космического пространства 1967 года (запрет на «национальное присвоение» космического пространства, в том числе Луны, согласно статье II Договора).

Иллюзия Луны

Иллюзия Луны — обман зрения, который заключается в том, что когда Луна низко над горизонтом, она кажется намного больше, чем когда она высоко в небе. На самом деле угловой размер Луны практически не меняется с её высотой над горизонтом (а точнее, слабо меняется наоборот: около горизонта он слегка меньше, чем в зените, поскольку в этом случае расстояние от наблюдателя до Луны больше на величину земного радиуса). В настоящее время существует несколько теорий, которые объясняют эту ошибку зрительного восприятия разными причинами.

По материалам Wikipedia

Источник: aboutspacejornal.net


You May Also Like

About the Author: admind

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте, как обрабатываются ваши данные комментариев.