§ 39. Луна

Естественный спутник Земли, Луна,- наиболее изученное небесное светило. Приводим основные данные о ней.

Лунная орбита - эллиптическая. Среднее расстояние Луны от Земли равно 384 400 км, а эксцентриситет орбиты равен 0,055. Во время одного оборота по орбите расстояние Луны от Земли изменяется от 356 400 км в перигее до 406 700 км в апогее. Поэтому и угловой диаметр лунного диска изменяется от 33'32" до 29'20". Лунная орбита наклонена к плоскости эклиптики на 5°8',7, что сказывается на условиях наступления затмений. Период орбитального обращения Луны равен 27,3217 средних суток и называется сидерическим месяцем, так как по истечении такого промежутка времени Луна занимает прежнее положение на фоне звездного неба. Заметим, что приведенные данные подвержены небольшим изменениям, так как лунная орбита испытывает возмущения. Точная теория движения Луны - один из труднейших разделов небесной механики.

При своем орбитальном движении Луна занимает различные положения по отношению к Солнцу, которое освещает Луну и Землю. В результате возникают лунные фазы.

Та фаза Луны, при которой она обращена к нам неосвещенной стороной, называется новолунием. Во время новолуния могут происходить солнечные затмения, при которых темный диск Луны закрывает на время диск Солнца. После новолуния Лупа видна по вечерам, и через педелю, когда лучами Солнца освещена правая половина лунного диска, наступает фаза, называемая первой четвертью. Это наиболее удобное время для наблюдений Луны; вблизи терминатора - линии, отделяющей неосвещенную часть лунной поверхности от освещенной, лунные горы отбрасывают длинные черные тени и контрасты усиливаются, так что рельеф лунной поверхности виден особенно хорошо.

Через неделю после первой четверти наступает полнолуние, когда лучами Солнца освещен весь обращенный к Земле диск Луны. В это время Луна видна всю ночь. Лунные горы и кратеры в это время видны плохо, так как нет никаких теней и контраст «смазан». Зато хорошо видны загадочные системы светлых лучей, отходящих от некоторых наиболее крупных кратеров. Во время полнолуния могут происходить лунные затмения, если Луна попадет в земную тень.

Еще через неделю наступает последняя четверть, при которой Луна наблюдается во вторую половину ночи. Теперь освещена левая половина лунного диска и снова горы отбрасывают длинные тени. Через неделю наступит новолуние и полный цикл смены лунных фаз замкнется.

Промежуток времени между одноименными фазами называется синодическим месяцем; он равен 29,5306 суток.

Заметим, что для наблюдателя, находящегося на поверхности Луны, Земля также имеет фазы. Они дополняют лунные фазы до полного диска. Во время новолуния лунный наблюдатель видел бы «полноземлие», а во время полнолуния - «новоземлие». Этим, в частности, объясняется появление так называемого пепельного света Луны. Когда Луна видна узким серпом, можно видеть остальную часть лунного диска залитой зеленоватым светом. В это время солнечными лучами освещен почти полный диск Земли и это она в свою очередь освещает темную часть Луны.

Рассмотрим теперь вопрос об осевом вращении Луны. Приливные силы, действующие в системе «Земля - Луна», привели к тому, что период осевого вращения Луны стал равен периоду ее орбитального движения, т. е. сидерическому месяцу. Поэтому Луна обращена к Земле всегда одной и той же стороной. Правда, неравномерность орбитального движения Луны по эллиптической орбите и наклон ее оси вращения к плоскости ее орбиты, отличающийся от 90°, приводят к возникновению так называемых либрации - смещений деталей относительно центра лунного диска. Мы можем «немного» заглядывать и на обратную сторону Луны, конечно, в разные моменты. Несмотря на либрацию, большая часть обратной стороны Луны оставалась неизвестной до тех пор, пока успехи космонавтики не дали возможности получить прямых ее фотографий во время облетов Луны.

Диаметр Луны равен 3476 км; ее масса составляет 1 : 81,30 долю массы Земли. Средняя плотность Луны 3,35 г/см³. Ускорение силы тяжести на Луне равно 1,62 м/сек², а скорость улетучивания равна 2,38 км/сек. Последняя настолько мала, что лунная атмосфера, если она когда-то и существовала, давно рассеялась в мировом пространстве. Нет на Луне и воды.

Луна - очень интересный объект для наблюдений в телескоп. Даже в бинокль видны некоторые наиболее заметные детали. Прежде всего наше внимание привлекут темные обширные равнины, окруженные холмами. Их называют «морями», хотя на Луне нет воды. Каждое из лунных морей имеет свое название и эти названия иногда причудливы. На рис. 89 изображены главные детали лунной поверхности, которые можно наблюдать в бинокль. Чтобы не загромождать рисунка надписями, мы обозначили отдельные объекты номерами. Их названия приведены в следующем списке:

 1. Море Изобилия
 2. Море Кризисов 
 3. Море Спокойствия 
 4. Море Нектара 
 5. Море Ясности 
 6. Озеро Снов 
 7. Море Холода 
 8. Море Дождей 
 9. Залив Зноя 
 10. Море Паров 
 11. Центральный залив 
 12. Море Облаков 
 13. Море Влажности 
 14. Океан Бурь 
 15. Залив Радуг 
 16. Залив Росы 
 17. Пиренеи 
 18. Алтай 
 19. Тавр
 20. Кавказ
 21. Апеннины
 22. Альпы
 23. Карпаты 

Астрономы, вводившие эти названия лунных «морей», не имели ни малейшего представления о тех физических условиях, которые господствуют на Луне. В самом деле, названия «морей» - Ясности, Дождей, Паров, Облаков, Влажности, «заливов» - Радуг и Росы, предполагали наличие на Луне атмосферы и водяных паров. На Луне нет воды, а значит, нет ни дождей, ни облаков, ни росы. На черном фоне лунного неба не может быть и радуги; хорошо известно, что голубой цвет «земного» неба вызван рассеянием света в земной атмосфере, а радуга - капельками воды, взвешенными в воздухе после дождя.

Авторы названий лунных «морей» неожиданно для себя были правы, пожалуй, в двух случаях. Один из «заливов» назван Заливом Зноя. Это действительно соответствует фактам, но только во время лунного дня. Лишенная атмосферы поверхность Луны подвергается сильному нагреванию лучами Солнца. Дневная сторона Луны нагрета до 130° Ц (Цельсия). Одно из «морей» названо Морем Холода; это также соответствует действительности, но только во время лунной ночи, так как при отсутствии солнечного излучения поверхность Луны быстро остывает и охлаждается до -160° Ц. Так «неуютен» климат Луны.

В последние годы у астрофизиков появился еще один способ исследования температуры лунной поверхности - радиоастрономический. Кроме рассеянного света поверхность Луны, будучи нагретой лучами Солнца, излучает и сама. Однако это излучение, согласно закону смещения Вина (см. § 33), принадлежит длинноволновой области спектра - инфракрасной и области сантиметровых радиоволн. Это излучение испускается более или менее протяженными поверхностными слоями. При этом, чем больше длина волны излучения, тем глубже расположен испускающий его слой. Поэтому, сопоставляя измерения интенсивности излучения различных длин волн, можно судить по температуре более глубоких (но не слишком глубоких) слоев и о том, как изменяется температура с глубиной слоя.

Исследование теплового поведения внешних слоев Земли показало, что самые верхние слои изменяют свою температуру «в одной фазе» со сменой времен года. Зимой они холоднее, а летом теплее. На некоторой глубине под поверхностью эти колебания температуры имеют гораздо меньшую амплитуду и запаздывают по отношению к временам года. Наконец, еще глубже, сезонное колебание температуры прекращается.

Аналогично ведут себя и поверхностные слои Луны, только в данном случае играет роль не смена времен года, которой на Луне нет, а изменение температуры во время долгого лунного дня, сменяющегося столь же продолжительной лунной ночью. Только слой, который оказывается нечувствительным к изменению температуры поверхности, расположен совсем не глубоко - всего на десятиметровой глубине. Это объясняется плохой теплопроводностью лунного вещества. Правда, этого нельзя сказать о всей поверхности Луны. Наблюдения показали, что существуют места с повышенной теплопроводностью, способные прогреваться лучами Солнца на большую глубину.

Непосредственное исследование состояния лунной поверхности во время высадки на Луне космонавтов показало, что она очень шероховата, покрыта мелкими и крупными камнями, стекловидными «шариками» и пылью. Поверхность Луны - ломкая, но ноги космонавтов погружались в нее всего на несколько миллиметров, а опоры космического корабля - только на 5-7 см. Прочность лунного грунта, несмотря на ломкость самого верхнего его слоя, очень велика. Попытка пробурить на несколько метров оказалась не вполне удачной. Бур встретился с исключительно твердыми породами. Раздробленность верхнего слоя лунного грунта объясняется тем, что у Луны нет атмосферы, и метеорные частицы беспрепятственно доходят до поверхности Луны. Скорости метеорных частиц очень велики (они могут доходить до 70 км/сек). Поэтому каждый удар метеорной частицы о лунную поверхность сопровождается своеобразным «взрывом». Лунный грунт вблизи точки удара «вскипает» и превращается в некоторое подобие шлака, о чем свидетельствуют мельчайшие стеклянные шарики - «застывшие капли», впаянные в лунные породы, столь обильно покрывающие доставленные на Землю образцы лунного вещества.

У Луны нет также заметного магнитного поля, которое задерживало бы потоки быстрых протонов и космических лучей; бомбардировки лунного грунта этими частицами способствует повышению радиоактивности лунного вещества.

Лунное вещество было подвергнуто химическому анализу. Были изобретены специальные приборы, позволяющие автоматически производить химический анализ и сообщать по радио результаты этих исследований на Землю. Таким прибором был снабжен и советский аппарат «Луноход-1», который произвел многочисленные анализы по трассе, превышающей 10 км.

Более подробные анализы были произведены в земных лабораториях, куда были доставлены с Луны пробы лунных пород как американскими космонавтами, так и советскими автоматическими станциями. Эти исследования показали, что в лунные породы входит, кроме кислорода, составляющего большой процент, ряд химических элементов, которые мы перечисляем в порядке убывающего обилия. Это кремний (от 16 до 20%), железо (от 12 до 16%), кальций (от 6 до 8%), титан (от 4 до 8%), алюминий (от 4 до 7%) и магний (от 3 до 6%). Это основные элементы, кстати, входящие в соединения с кислородом. Обнаружены меньшие количества следующих элементов: хрома, марганца, циркония, иттрия, никеля, стронция и бария. Не были обнаружены золото, платина, ртуть, свинец и ряд других элементов.

Лабораторные исследования позволили также определить промежуток времени, протекший с момента кристаллизации лунных минералов, т. е. их «возраст». Он оказался очень большим - порядка 3 миллиардов лет! Однако оказалось, что ряд образцов, которые раньше находились на глубине по крайней мере метра под поверхностью Луны, были «вынесены» на ее поверхность около 100 миллионов лет назад. Трудно сейчас сказать, что происходило с Луной в ту отдаленную от нас эпоху. Это открытие поставило перед исследователями новые задачи.

Недра Луны таят в себе еще ряд загадок. Вот одна из них. Вокруг Луны были запущены искусственные спутники, облетающие ее по замкнутым эллиптическим орбитам. Такие спутники движутся вокруг Луны под действием ее притяжения. Оказалось, что гравитационное поле Луны не вполне однородно, что на него влияют неоднородности распределения вещества в лунных недрах. Было обнаружено, что в глубине Луны существуют области повышенной плотности; они получили название масконов (концентраций массы). Эти области, масконы, действуют на движение спутника возмущающе. В связи с этим очень интересно и важно исследовать вопрос о распространении сейсмических колебаний через «тело» Луны, т. е. изучать «лунотрясения». Для этой цели на Луне уже установлены сейсмические станции и будут установлены новые, для более полного исследования проблемы.

Каково строение внутренних частей Луны? Этот вопрос далек от своего разрешения, по ввиду того, что начиная с некоторой глубины, температура, как показывают радиоастрономические наблюдения, возрастает, можно думать, что недра Луны находятся в нагретом состоянии. Весьма возможно, что «лунное ядро» находится в расплавленном состоянии. Не об этом ли свидетельствуют извержения газов, которые наблюдались сравнительно недавно?