Луна – второй по яркости объект Солнечной системы, который могут наблюдать в небе земляне. Это естественный спутник Земли, определяющий внушительную часть климатических особенностей нашей планеты.
Луна также является пятым по размерам спутником из всех, которые на сегодняшний день существуют в Солнечной системе.
С Земли мы видим Луну по-разному: то она имеет правильную форму диска, то становится похожей на тонкий серп (мы часто называем его полумесяцем). То, какой мы видим Луну, зависит от взаимного расположения Солнца, Земли и ее спутника. Дело в том, что Земля вращается вокруг Солнца, а – вокруг Земли, и траектории этих небесных тел и определяют, какой видится Луна с Земли в тот или иной период.
Как происходит вращение Луны?
Часто можно прочитать, что Луна вращается не только вокруг Земли, но и вокруг своей оси. Но это утверждение не совсем верно. Дело в том, что если бы Луна вращалась вокруг своей оси в буквальном смысле слова, мы видели бы ее с разных сторон.
Между тем, Луна всегда обращена к Земле только одной стороной. Ее вращение вокруг собственной оси – только кажущееся, обусловленное представлениями человека о математических моделях и системах отсчета. На самом деле прямой линии, от которой расходятся центробежные силы (то есть той самой оси) у Луны вообще нет. И оборот вокруг этой условной оси можно назвать лишь косвенным.
Чтобы представить это, вообразите, что вы обходите круглый стол по часовой стрелке, не поворачиваясь к столу то боком, то спиной, то другим боком, а оставаясь все время в одном положении – к столу лицом.
К тому времени, как вы завершите обход, получится, что вы повернулись вокруг своей оси на 360 градусов. По сути же вокруг себя вы не крутились, ведь ваш взгляд был постоянно направлен в сторону стола.
Аналогичным образом и Луна, повернутая к нашей планете всегда одной стороной, совершает один оборот вокруг Земли и косвенный оборот вокруг своей оси.
Если бы Луна совершала полноценный оборот вокруг своей оси, то к концу оборота вокруг Земли она делала бы уже два оборота вокруг оси. Земляне при этом могли бы увидеть скрытое от них полушарие Луны.
Фазы Луны и лунные ритмы
Регулярные изменения расположения Луны относительно Солнца дают основания выделить так называемые фазы Луны. Это новолуние, когда Луна находится на стороне светила, и та ее часть, которой она повернута к Земле, не освещается. Полнолуние, когда диск Луны имеет правильную форму, потому что полностью освещен Солнцем (Луна и Солнце при этом находятся по разные стороны от Земли).
Еще две лунные фазы – первая четверть и последняя четверть, или прибывающая и убывающая Луна. Масса Луны почти в тридцать миллионов раз меньше массы Солнца, но из-за того, что спутник находится в 374 раза ближе к Земле, чем Солнце, Луна очень сильно влияет на многие процессы на нашей планете.
Например, положением Луны обусловлены приливы и отливы, происходящие в разных частях планеты каждые 12 часов 25 минут (поскольку полный оборот вокруг Земли Луна совершает за 24 часа 50 минут).
Регулярно повторяющиеся изменения в характере и интенсивности разных биологических процессов, связанных с положением Луны, называют лунными ритмами. Различают лунно-суточные и лунно-месячные ритмы.
Размножение некоторых видов животных и растений на Земле происходит только в конкретную фазу лунного цикла. Люди же могут ощущать перемены в самочувствии и настроении, в зависимости от фазы Луны.
Луна вращается вокруг Земли по эллиптической орбите, совершая в собственном движении полный оборот за один месяц (среднее расстояние 385 тыс. км). Плоскость ее орбиты составляет с плоскостью эклиптики угол, равный 508. В течение суток Луна перемещается по орбите против суточного вращения сферы примерно на 13,2. Поэтому суточное изменение прямого восхождениясоставляет в среднем 13,2и колеблется от10до17в сутки; суточные изменения склоненияколеблются от долей градуса до7, а наибольшее изменение за месяц достигает5-7. Вследствие влияния Земли период обращения Луны вокруг Земли примерно равен периоду вращения ее вокруг оси и поэтому Луна к Земле обращена одной стороной. Кроме собственного движения, у Луны, как и у всех светил, наблюдается суточное движение, являющееся следствием вращения Земли вокруг своей оси. Совместное собственное и суточное движение Луны происходит по спиралям.
Так как за одни сутки Луна отходит в собственном движении назад, против суточного движения, на 13,2, то моменты кульминации Луны по отношению к звездам ежесуточно запаздывают на 53 мин. Ежесуточное отставание Луны от Солнца составляет 12,2, и, следовательно, период одного суточного оборота Луны вокруг Земли на 49 мин больше, чем у Солнца.
Промежуток времени, в течение которого Луна совершает в собственном движении полный оборот по орбите относительно неподвижных звезд, называют звездным или сидерическим месяцем. Его продолжительность составляет 27,32 сут.
Промежуток времени, в течение которого Луна совершает полный оборот относительно Солнца, также имеющего собственное движение, называется лунным или синодическим месяцем. Его продолжительность 29,53 сут.
Фазы и возраст Луны. Луна – темное тело и способно лишь отражать свет солнечных лучей. В зависимости от положения Луны по отношению к Земле и Солнцу наблюдатель будет видеть большую или меньшую часть освещенной поверхности Луны. Поэтому принято говорить, что Луна находится в различных фазах (рис. 3.12.), граница освещенности называется терминатором.
Различают четыре основные фазы Луны:
новолуние: Луна в положении Л 1 ; Солнце освещает ее обратную сторону, земной наблюдатель Луны не видит;
первая четверть: Луна в положении Л 3 ; наблюдатель видит полудиск, обращенный выпуклостью вправо;
полнолуние: Луна в положении Л 5 ; наблюдатель видит вест диск;
последняя четверть: Луна в положении Л 7 ; наблюдатель видит полудиск, обращенный выпуклостью влево.
Луна проходит через все фазы за 29,53 сут. Количество дней, прошедших от новолуния до данной фазы, называют возрастом Луны (В). В ежедневных таблицах МАЕ на каждый день года указывается возраст Луны с точностью до 0 д,1, а фазы изображаются для трехсуточного интервала одним из восьми различных значков, показывающих величину освещенной части лунного диска.
Фазы новолуние и полнолуние в судовождении называют также сизигиями (В 0 и 15), а фазы первой и последней четверти – квадратурами (В7 и 22).
Взаимным движением Луны вокруг Земли, а Земли вокруг Солнца объясняется возможность лунных и солнечных затмений.
И Земля и Луна, как тела темные, отбрасывают от себя в мировое пространство конус тени. Очевидно, что конус тени Земли будет значительно больше конуса тени Луны (диаметр Луны примерно равен ¼ диаметра Земли).
Затмение Луны бывает тогда, когда Луна в своем собственном движении попадает в конус тени Земли (фаза полнолуния).
Затмение Солнца бывает тогда, когда конус тени Луны покрывает тот или иной участок Земли (фаза новолуния).
Рис. 3.13 поясняет простейшие из возможных лунных и солнечных затмений. S – солнечные лучи, конус лунной тени покрывает участок Земли ab, L – положение Луны в конусе тени Земли.
Как видно из рисунка солнечное затмение может наблюдаться лишь на небольшом участке земной поверхности; затмение же Луны видно для наблюдателей всего земного полушария, обращенного к Луне.
Если бы плоскость орбиты Луны всегда совпадала с плоскостью земной орбиты и при этом расстояние Луны от Земли оставалось неизменным, то каждое полнолуние мы наблюдали бы затмение Луны, а каждое новолуние ряд наблюдателей мог бы видеть затмение Солнца.
В действительности такое положение является для взаимного движения этих светил только частным случаем и относительно редким. Вообще же орбиты Луны и Земли не совпадают (угол наклона 58), а расстояния до Луны колеблются от 59 до 61 земного радиуса.
Поэтому в общем случае солнечное и лунное затмения – явления очень сложные и имеют разнообразную форму. Их может и вовсе не быть, если Луна проходит вне конуса тени Земли, а конус тени Луны не попадает на Землю. Солнечное затмение может быть полным, но может быть и частичным, когда только часть солнечного диска будет покрыта тенью Луны; оно может быть и кольцевым, когда тень Луны закроет только центральную часть солнечного диска, и внешние его края останутся освещенными.
Видимое движение планет по небесной сфере
Планеты, обращающиеся подобно Земле вокруг Солнца, будут иметь видимые перемещения, отсюда они и получили свое название «блуждающие звезды».
Планеты, орбиты которых лежат внутри земной, называются нижними планетами и могут занимать следующие характерные относительно Земли положения (рис. 3.14): нижнее соединение (точка а) между Солнцем и Землей; верхнее соединение (точка b) "за Солнцем". Элонгация (западная в точке с и восточная в точке d) – это наибольшее угловое удаление планеты от Солнца (для Венеры не более 48, Меркурия 28).
Рис. 3.14. Рис. 3.15.
Планеты, орбиты которых лежат вне орбиты Земли, называются верхними планетами и могут занимать следующие положения (рис. 3.14.): противостояние n, когда Земля находится между Солнцем и планетой (если расстояние минимально, противостояние называется великим); соединение b, когда планета находится «за Солнцем»; квадратуры К и К, когда разность долгот Солнца и планеты равна 90.
Если по результатам наблюдений получить ипланеты и нанести ее видимый путь на сферу или карту, то получим кривую, близкую к эклиптике, но имеющую более сложный характер, часто с петлями и зигзагами.
Видимое движение планет по сфере объясняется движением их по орбитам в одну и ту же сторону, но с различными скоростями. При движении нижней планеты ее освещенная часть то поворачивается к Земле, то от Земли, т.е. планета аналогично Луне видна в различных фазах; у верхних планет смены фаз не наблюдается.
Для морских наблюдений используются только четыре наиболее яркие планеты: Венера, Марс, Юпитер и Сатурн. Яркости и условия видимости этих так называемых "навигационных" планет меняются в зависимости от расстояния до Земли, фазы Венеры и положения их на сфере.
Нижняя планета Венера в верхнем и нижнем соединениях теряется в лучах Солнца и с Земли не видна. В положении с – западной элонгации – Венера видна утром перед восходом Солнца; в восточной элонгации d – вечером перед заходом Солнца. Наибольшей яркости – около –4 m ,2 – Венера достигает в фазе 0,25, когда видна четверть диска, так как в этом положении она находится значительно ближе к Земле, чем в фазе полного диска.
Наиболее яркие планеты – Венера и Юпитер – видны на небе даже при Солнце, но только в астрономическую трубу секстана. В это время можно осуществить определение места по одновременным наблюдениям, например, Венеры и Солнца.
Верхние планеты – Марс, Юпитер и Сатурн – бывают невидимы только вблизи соединения, когда они теряются в лучах Солнца. Яркости этих планет меняются в широких пределах. Так, Марс имеет обычно яркость около 1 m , а во время великого противостояния яркость его возрастает до – 2 m ,5. Яркость Юпитера колеблется от – 2,5 до – 1 m ,5.
"Навигационные" планеты можно опознать сравнительно легко. Венера всегда близка к Солнцу, поэтому видима лишь как яркая белая "вечерняя или утренняя звезда". Марс имеет красновато- оранжевый цвет, Юпитер – желтоватый, а Сатурн – белый. Для всех планет характерно отсутствие мерцания, заметного даже у самых ярких звезд. Условия видимости планет на каждый месяц данного года указаны в ежегодниках.
Луна сопровождает нашу планету в её большом космическом путешествии вот уже несколько миллиардов лет. И показывает она нам, землянам, из века в век всегда один и тот же свой лунный пейзаж. Почему мы любуемся только одной стороной нашего спутника? Вращается ли Луна вокруг своей оси или же парит в космическом пространстве неподвижно?
Характеристики нашего космического соседа
В Солнечной системе имеются спутники гораздо крупнее Луны. Ганимед - спутник Юпитера, к примеру, в два раза тяжелее Луны. Но зато она - самый большой спутник относительно материнской планеты. Её масса составляет более процента от земной, а диаметр - около четверти земного. Таких пропорций в солнечной семье планет больше нет.
Давайте попытаемся ответить на вопрос о том, вращается ли Луна вокруг своей оси, присмотревшись повнимательнее к ближайшему нашему космическому соседу. По принятой сегодня в научных кругах теории, естественный спутник наша планета приобрела будучи ещё протопланетой - не до конца остывшей, покрытой океаном жидкой раскалённой лавы, в результате столкновения с другой планетой, меньшей по размеру. Поэтому химические составы лунного и земного грунтов слегка отличаются - тяжёлые ядра столкнувшихся планет слились, из-за чего земные породы богаче железом. Луне же достались остатки верхних слоёв обеих протопланет, там больше камня.
Вращается ли Луна
Если быть точным, то вопрос о том, вращается ли Луна, не совсем корректный. Ведь как и любой спутник в нашей системе, она оборачивается около материнской планеты и вместе с ней кружится вокруг светила. А вот, Луны не совсем обычно.
Сколько ни смотри на Луну, она всегда повёрнута к нам кратером Тихо и морем Спокойствия. «А вращается ли Луна вокруг своей оси?» − из века в век задавали себе вопрос земляне. Строго говоря, если оперировать геометрическими понятиями, ответ зависит от выбранной системы координат. Относительно Земли осевое вращение у Луны и вправду отсутствует.
А вот с точки зрения наблюдателя, расположенного на линии Солнце-Земля, осевое вращение Луны будет хорошо заметно, причём один полярный оборот до доли секунды окажется равен по длительности орбитальному.
Интересно, что явление это в Солнечной системе не уникально. Так, спутник Плутона Харон всегда смотрит на свою планету одним боком, точно так же ведут себя спутники Марса - Деймос и Фобос.
На научном языке это называется синхронным вращением или приливным захватом.
Что такое прилив?
Для того чтобы понять суть этого явления и уверенно ответить на вопрос о том, вращается ли Луна вокруг собственной оси, необходимо разобрать суть приливных явлений.
Представим себе две горы на поверхности Луны, одна из которых «смотрит» прямо на Землю, другая же находится в противоположной точке лунного шара. Очевидно, что если бы обе горы не были частью одного небесного тела, а вращались вокруг нашей планеты самостоятельно, их вращение не могло бы быть синхронным, та что ближе, по законам ньютоновской механики, должна вращаться быстрее. Именно поэтому массы лунного шара, расположенные в противоположных по направлению к Земле точках, стремятся «убежать друг от друга».
Как «остановилась» Луна
Как действуют приливные силы на то или иное небесное тело, удобно разобрать на примере нашей собственной планеты. Мы ведь тоже вращаемся вокруг Луны, а точнее Луна и Земля, как и положено в астрофизике, "водят хоровод" вокруг физического центра масс.
В результате действия приливных сил и в ближайшей, и в наиболее удалённой от спутника точке уровень воды, покрывающей Землю, поднимается. Причём максимальная амплитуда прилива-отлива может достигать 15 и более метров.
Ещё одной особенностью данного явления является то, что эти приливные «горбы» ежесуточно огибают поверхность планеты против её вращения, создавая трение в точках 1 и 2, и таким образом потихоньку останавливают Земной шар в его вращении.
Воздействие же Земли на Луну гораздо сильнее из-за разности масс. И хотя на Луне нет океана, на каменные породы приливные силы действуют ничуть не хуже. И результат их работы налицо.
Так вращается ли Луна вокруг своей оси? Ответ положительный. Но вращение это тесно связано с движением вокруг планеты. Приливные силы за миллионы лет выровняли осевое вращение Луны с орбитальным.
А что же Земля?
Астрофизики утверждают, что сразу после большого столкновения, ставшего причиной образования Луны, вращения нашей планеты была намного больше, чем сейчас. Сутки длились не более пяти часов. Но в результате трения приливных волн о дно океана год за годом, тысячелетие за тысячелетием вращение замедлялось, и нынешние сутки длятся уже 24 часа.
В среднем каждый век прибавляет нашим суткам по 20-40 секунд. Учёные предполагают, что через пару миллиардов лет наша планета будет смотреть на Луну так же, как и Луна на неё, то есть одной стороной. Правда этого, скорее всего, не произойдёт, так как ещё раньше Солнце, превратившись в красного гиганта, «проглотит» и Землю, и ее верного спутника - Луну.
Кстати, приливные силы дарят землянам не только повышение и понижение уровня мирового океана в районе экватора. Воздействуя на массы металлов в земном ядре, деформируя горячий центр нашей планеты, Луна помогает поддерживать его в жидком состоянии. А благодаря активному жидкому ядру, наша планета имеет собственное магнитное поле, защищающее всю биосферу от убийственного солнечного ветра и смертоносных космических лучей.
Можно сказать, что на первый взгляд Луна просто движется вокруг планеты Земля с определенной скоростью и по определенной орбите.
В реальности это очень сложный трудноописуемый с научной точки зрения процесс движения космического тела, протекающий под воздействием множества различных факторов. Таких, например как, форма Земли, если мы помним из школьной программы, она немного сплюснута, а так же очень сильно влияет то, что например, Солнце притягивает ее в 2,2 раза сильнее, чем наша родная планета.
Снимки космического аппарата Deep Impact последовательность перемещения Луны
При этом производя точные расчеты движения, необходимо так же учитывать, что посредством приливного взаимодействия Земля передает Луне момент импульса вращения, тем самым создавая силу, заставляющую ее отдаляться от себя. При этом гравитационное взаимодействие данных космических тел является не постоянным и с увеличением расстояния оно уменьшается, приводя к уменьшению и скорость удаления Луны. Вращение Луны вокруг Земли относительно звёзд называется сидерическим месяцем и равен 27,32166 суток.
Почему она светится?
Вы не задавались вопросом, почему иногда мы видим только часть Луны? Или почему она светится? Давайте разберёмся в этом! Спутник отражает лишь 7% солнечного света падающего на нее. Это происходит, потому что в период бурной активности Солнца лишь отдельные участки ее поверхности способны поглощать и накапливать солнечную энергию, а после слабо излучать ее.
Пепельный свет — отраженный свет от Земли
Сама по себе она не может светиться, а способна лишь отражать свет Солнца. Поэтому мы видим только ту ее часть, которую ранее осветило Солнце. Данный спутник движется по определенной орбите вокруг нашей планеты и угол между ним, Солнцем и Землей постоянно меняется, в результате мы и видим различные фазы Луны.
Инфографика «Фазы Луны»
Время между новолуниями составляет 28,5 дня. То, что один месяц длиннее другого можно объяснить движением Земли вокруг Солнца, то есть когда спутник делает полный оборот вокруг Земли, сама планета в этот момент продвигается на 1/13 часть вокруг своей орбиты. И что бы Луна снова была между Солнцем и Землей ей нужно еще около двух суток времени.
Несмотря на то, что она постоянно вращается вокруг своей оси, она всегда смотрит на Землю одной и той же стороной, это значит, что вращение, которое она совершает вокруг собственной оси и вокруг самой планеты синхронно. Эта синхронность вызвана приливами.
Обратная сторона
Обратная сторона
Наш спутник вращается вокруг собственной оси равномерно, а вокруг Земли согласно определенному закону, суть которого состоит в следующем: данное движение неравномерно — вблизи перигея оно быстрее, а вот вблизи апогея чуть медленнее.
Иногда возникает возможность взглянуть на оборотную сторону Луны, если вы находитесь на востоке или, например на западе. Это явление носит название оптической либрацией по долготе, существует еще и оптическая либрация по широте. Она возникает из-за наклона лунной оси относительно Земли, и наблюдать это можно на юге и севере.