Луна: всё, что нужно знать о спутнике Земли

Луна — единственный естественный спутник Земли и самый заметный небесный объект в ночном небе и второй по заметности вообще, после Солнца. Ритм лунных фаз направлял человечество на протяжении тысячелетий; например, календарные месяцы примерно равны времени от одного полнолуния до следующего. Орбита и фазы Луны всегда вызывали вопросы у человесчества. Например, Луна всегда обращена к Земле одной стороной, но постоянно меняет размер видимой области поверхности, поскольку то, какую ее часть видно, зависит от положения Луны относительно Земли и Солнца.

Рекомендуемые посты

Часто задаваемые вопросы о Луне

Насколько далеко Луна от Земли?
Среднее расстояние между центрами Земли и Луны — 384 467 км, что эквивалентно примерно 30 диаметрам Земли.

Насколько велика Луна по сравнению с Землей?
По диаметру Луна примерно в четыре раза меньше Земли. По площади поверхности Луна покрывает около 1/16 общей площади поверхности Земли. По массе Луна составляет примерно 1,2% от массы Земли.

Когда Луна ближе всего к Земле?
Точка на орбите Луны, когда она ближе всего к Земле, называется перигеем, часто упоминается как «суперлуние». В перигее Луна находится примерно в 360 000 км от Земли. Во время суперлуния Луна выглядит примерно на 14% больше, чем в самой дальней точке, известной как апогей или «микролуние» (около 405 500 км от Земли), а также выглядит примерно на 30% ярче на небе. Трудно различить суперлуние и микролуние невооруженным глазом, но легче увидеть эффект, наблюдая за приливами. Сизигийный прилив происходит во время полнолуния и новолуния, и именно тогда приливный диапазон наибольший. Во время сизигийного прилива суперлуния приливы демонстрируют примерно на 5 см большее изменение по сравнению с обычными сизигийными приливами. И наоборот, во время сизигийного прилива микролуния приливы имеют на 5 см меньшее изменение, чем обычные сизигийные приливы. Эта разница возникает потому, что гравитационное притяжение Луны сильнее, когда она ближе к Земле во время перигея, и слабее, когда она дальше во время апогея.

Что произойдет, если Луна врежется в Землю?
Луна, которая относительно велика по сравнению с нашей планетой, как полагают, сформировалась в результате столкновения Земли с меньшей планетой размером с Марс, на основе анализа лунных образцов и сходства в составе Луны и Земли. Так что, в некотором смысле, Луна уже сталкивалась с Землей в прошлом.

В настоящее время Луна не находится на траектории столкновения с Землей. Она постепенно удаляется от Земли примерно на 3,8 см в год. Луна играет несколько важных ролей, таких как стабилизация наклона нашей орбиты, которая вызывая сезонные изменения, влияя на приливы и помогает ночным животным в навигации. Если бы Луна внезапно исчезла, это привело бы к значительным изменениям окружающей среды, и жизнь на Земле, особенно животные, столкнулась бы с трудностями адаптации к таким резким изменениям. Однако из-за ее медленного удаления мы не замечаем существенных изменений.

Если бы гипотетически Луна врезалась в Землю, последствия были бы ужасны для всей жизни. Для контекста, астероид, вызвавший вымирание динозавров, был диаметром около 12 км, тогда как диаметр Луны составляет около 3500 км — примерно в 300 раз больше. Однако существует понятие предела Роша, которое представляет собой минимальное расстояние, на котором большой спутник (например, Луна) может приблизиться к своему первичному телу (Земле), не будучи разорванным приливными силами. На высоте примерно 18 500 км над Землей гравитационные силы Земли преодолеют гравитационные силы, удерживающие Луну вместе, заставляя ее разорваться на части. Со временем обломки Луны будут падать на Землю, сгорая в атмосфере и приводя к потеплению климата за пределы выживаемости жизни. В конечном итоге это катастрофическое событие может привести к вымиранию жизни на Земле, за исключением, возможно, некоторых экстремофилов.

Как образовалась Луна?
Существует несколько теорий о том, как была создана Луна, но недавние данные указывают на то, что она образовалась, когда огромное столкновение оторвало кусок от расплавленной молодой Земли, отправив сырье для Луны на орбиту. Ученые предположили, что сталкивающийся объект, вероятно, составлял около 10% массы Земли и был размером с Марс. Поскольку Земля и Луна так похожи по составу, исследователи пришли к выводу, что столкновение должно было произойти примерно через 95 миллионов лет после формирования Солнечной системы, плюс-минус 32 миллиона лет. (Солнечной системе примерно 4,6 миллиарда лет.)

В 2015 году новое исследование придало дополнительный вес этой теории, используя симуляции планетарных орбит в ранней Солнечной системе, а также недавно обнаруженные различия в распространенности изотопа вольфрама-182, обнаруженного на Земле и Луне. Хотя эта теория, наиболее известная как теория гигантского столкновения, является доминирующей теорией в научном сообществе, есть несколько других идей о формировании Луны. К ним относятся концепции, что Земля захватила Луну, что Луна отделилась от Земли или что Земля могла «украсть» Луну у Венеры.

Из чего состоит Луна?
Луна, скорее всего, имеет очень маленькое ядро, всего 1-2% массы Луны и примерно 680 км в ширину. Оно, вероятно, состоит в основном из железа, но может также содержать большое количество серы и других элементов.

Каменная мантия Луны имеет толщину около 1330 км и состоит из плотных пород, богатых железом и магнием. Кора, включающая лунную поверхность, в среднем имеет глубину около 70 км. Внешняя часть коры разбита и хаотична из-за всех крупных ударов, которые пережила Луна, причем разрушенная зона уступает место нетронутой монолитной породе на глубине около 9,6 км.

Как и четыре внутренние планеты нашей Солнечной системы, Луна каменистая. Она усеяна кратерами, от ударов астероидов за миллионы лет, и, поскольку нет значимой атмосферы, кратеры не разрушаются и не сглаживаются как на нашей планете.

Средний состав лунной поверхности по весу составляет примерно 43% кислорода, 20% кремния, 19% магния, 10% железа, 3% кальция, 3% алюминия, 0,42% хрома, 0,18% титана и 0,12% марганца.

Орбитальные космические аппараты обнаружили следы воды на лунной поверхности, которые могли возникнуть в недрах спутника. Они также обнаружили сотни углублений и пещер, которые однажды могут стать жильем для исследователей, живущих на Луне в течение длительного времени. Продолжающиеся наблюдения с Lunar Reconnaissance Orbiter (LRO) показали, что воды больше на склонах, обращенных к южному полюсу Луны, хотя ученые предупреждают, что количество воды сравнимо с наличием воды в чрезвычайно сухой пустыне на Земле. Между тем, исследование 2017 года показало, что недра Луны могут быть богаты водой.

Есть ли у Луны атмосфера?
У Луны есть только очень тонкая незначительная атмосфера, поэтому слой пыли — или след от ботинка космонавта — может оставаться нетронутым веками. Без атмосферы тепло не удерживается у поверхности, поэтому температуры сильно различаются в зависимости от положения относительно Солнца. Дневные температуры на солнечной стороне Луны достигают 134°C; на ночной стороне температура опускается до -153°C.

Как Луна вращается вокруг Земли и вызывает приливы?
Вот некоторая статистика от NASA:

Среднее расстояние от Земли: 384 467 км
Перигей (наибольшее сближение с Землей): 363 104 км
Апогей (наибольшее удаление от Земли): 405 696 км
Длина орбиты: 2 413 402 км
Средняя орбитальная скорость: 3 680,5 км/ч

Гравитация Луны притягивает Землю, вызывая предсказуемые подъемы и падения уровня моря, известные как приливы/отливы. В гораздо меньшей степени приливы также происходят в озерах, атмосфере и в земной коре.

Приливы относятся к выпучиванию воды от поверхности Земли, а отливы — когда уровень воды падает. Прилив происходит на стороне Земли, ближайшей к Луне, из-за гравитации, и на стороне, наиболее удаленной от Луны, из-за инерции воды. Отливы происходят между этими двумя выпуклостями.

Притяжение Луны также замедляет вращение Земли — эффект, известный как приливное замедление, — которое увеличивает продолжительность нашего дня на 2,3 миллисекунды за столетие. Энергия, которую теряет Земля, поглощается Луной, увеличивая ее расстояние от Земли, что означает, что Луна удаляется на 3,8 см в год.

Гравитационное притяжение Луны, возможно, сыграло ключевую роль в превращении Земли в обитаемую планету, умеряя степень колебания наклона земной оси, что привело к относительно стабильному климату на протяжении миллиардов лет, в котором могла процветать жизнь.

Луна не уходит от этого взаимодействия без последствий. Новое исследование предполагает, что гравитация Земли растянула Луну в ее странно искаженную форму в начале ее жизни.

Что такое затмение?

Во время затмений Луна, Земля и Солнце находятся на прямой линии или почти на ней. Лунное затмение происходит, когда Земля находится непосредственно между Солнцем и Луной, отбрасывая тень Земли на поверхность Луны. Лунное затмение может произойти только во время полнолуния. Во время полного лунного затмения, поскольку Луна находится в тени, она может казаться кроваво-красной в ночном небе.

Солнечное затмение происходит, когда Луна проходит между Солнцем и Землей, отбрасывая тень Луны на Землю. Солнечное затмение может произойти только во время новолуния. В зависимости от степени, в которой Луна блокирует Солнце, видимое из определенного места на Земле, солнечное затмение может быть полным, кольцеобразным или частичным. Возможность увидеть полное солнечное затмение редка, потому что тень Луны мала по отношению к поверхности Земли.

Есть ли у Луны времена года?

Ось вращения Земли наклонена примерно на 23,5 градуса по отношению к плоскости эклиптики — воображаемому диску через орбиту Земли вокруг Солнца. Это означает, что Северное и Южное полушария в зависимости от времени года указывают в некоторой степени на Солнце или от него, изменяя количество получаемой ими солнечной радиации и вызывая смену времен года.

Но ось Луны наклонена всего примерно на 1,5 градуса, поэтому Луна не испытывает заметных времен года. Это означает, что одни области всегда освещены солнечным светом, а другие места постоянно окутаны тенью.

Исследование Луны

Некоторые древние сообщества считали, что Луна была чашей из огня, в то время как другие думали, что это зеркало, отражающее земли и моря Земли, но древнегреческие философы знали, что Луна — это сфера, вращающаяся вокруг Земли, чей лунный свет отражает солнечный свет. Древние греки также считали, что темные области Луны были морями, а светлые — сушей, что повлияло на современные названия этих мест — «maria» и «terrae», что по латыни означает «моря» и «земли» соответственно.

Ренессансный астроном Галилео Галилей был первым, кто использовал телескоп для научных наблюдений Луны, описав в 1609 году неровную, гористую поверхность, которая сильно отличалась от популярных в его время представлений о гладкой Луне.

Гонка к Луне

В 1959 году Советский Союз отправил первый космический аппарат, столкнувшийся с лунной поверхностью, и получил первые фотографии ее обратной стороны. Это вызвало серию беспилотных миссий эпохи холодной войны, запущенных как Советским Союзом, так и Соединенными Штатами для наблюдения за лунной поверхностью. Многие из этих ранних лунных зондов были неудачными или лишь частично успешными. Однако со временем эти миссии начали возвращать информацию о лунной поверхности и геологической истории. Соединенные Штаты запустили серию миссий под названием Pioneer, Ranger и Surveyor, в то время как Советский Союз отправил зонды под названиями Луна и Зонд.

Соединенные Штаты отправили астронавтов на орбиту Луны и на ее поверхность в 1960-х и 1970-х годах. Первая пилотируемая миссия на Луну была в 1968 году, когда астронавты Apollo 8 вышли на орбиту вокруг нее. В 1969 году Apollo 11 высадил первых астронавтов на Луну, за которыми последовали еще пять успешных миссий на поверхность (и одна, Apollo 13, которая не достигла Луны, но благополучно вернулась домой). Луна остается единственным внеземным телом, которое когда-либо посещали люди.

Усилиями программы Apollo на Землю вернули для изучения 382 кг горных пород и почвы. Ученые продолжают изучать горные породы и делают новые открытия по мере совершенствования технологий. Например, в 2013 году в образцах с Apollo 15, 16 и 17 была обнаружена вода — интересная находка, учитывая, что предыдущие анализы показали, что эти породы были сухими.

Советский Союз оставался активным в роботизированном исследовании Луны на протяжении 1960-х и 1970-х годов. Первая роботизированная миссия по возврату лунных образцов состоялась с Луна 16 в сентябре 1970 года после множества неудачных попыток других миссий. Советы также развернули первый роботизированный луноход, названный Луноход-1, всего двумя месяцами позже. Луноход-2, развернутый в 1973 году, установил рекорд дистанции передвижения за пределами Земли, который продержался более 40 лет, пока миссия NASA Mars Opportunity, которая долго работала, но в настоящее время уже не функционирует, не превзошла его в 2014 году.

Современные миссии

После окончания программы NASA Apollo и после перерыва более чем в десять лет исследование Луны американскими космическими аппаратами возобновилось в 1990-х годах. С тех пор множество других правительственных космических агентств также присоединились к лунной гонке, включая Японию, Европейское космическое агентство, Китай, Индию и Израиль. Китай является единственной из этих стран, которая успешно работала на поверхности Луны; спускаемые аппараты, отправленные двумя последними странами, потерпели крушение. Среди других стран Россия, Япония и Объединенные Арабские Эмираты обсуждают будущие лунные миссии.

Тем временем в 2019 году администрация президента Дональда Трампа объявила, что поручает NASA работать над возвращением людей на Луну уже к 2025 году. Инициатива, получившая название программы Artemis, полагается на коммерческих и международных партнеров для поддержки устойчивой пилотируемой исследовательской программы, питаемой тяжелой ракетой-носителем NASA, Space Launch System (SLS).

Первая миссия программы Artemis — Artemis 1 — успешно заложила основы для исследования Луны, когда завершила беспилотную миссию вокруг Луны и обратно. NASA успешно запустила Artemis 1 в 01:47 утра по восточному времени (06:47 GMT) 16 ноября 2022 года с пускового комплекса 39B Космического центра NASA имени Кеннеди во Флориде. После монументального полета в 2,3 млн км она приводнилась в Тихом океане у побережья Нижней Калифорнии в 12:40 дня по восточному времени 11 декабря 2022 года.

Artemis 2 — миссия по пилотируемому облёту Луны в рамках программы NASA Artemis. Это первая пилотируемая экспедиция космического корабля «Orion», запущенного при помощи сверхтяжёлой ракеты-носителя Space Launch System (SLS), и первый с декабря 1972 года (Apollo 17) полёт людей за пределы низкой околоземной орбиты. Запуск миссии состоялся 1 апреля 2026 года в 22:35 UTC. В состав экипажа миссии вошли три американских астронавта Рид Уайсмен, Виктор Гловер, Кристина Кук и канадский астронавт Джереми Хансен. Планируется еще ряд запусков к Луне в будущем, и от «Artemis 4» до «Artemis 9» и далее предполагается посадка астронавтов на поверхность Луны, где они смогут воспользоваться преимуществами растущего количества инфраструктуры, которая должна быть построена миссиями поддержки. Она будет включать в себя места обитания, вездеходы, научные инструменты и оборудование для добычи ресурсов.