Луна

ЛУНА́ — единственный естественный спутник Земли.^[1]

Луна как спутник Земли

Источник статьи: Большая российская энциклопедия^[1]

Соотношение размеров и масс Луны и Земли позволяет рассматривать совокупность этих небесных тел скорее как двойную планету, чем как родительскую планету и спутник. Масса Луны (7,35•10²² кг) относится к массе Земли как 1 к 81,3. Аналогичное отношение масс, например, Фобоса и Марса составляет 1/50000000, Ганимеда (крупнейшего в Солнечной системе спутника) и Юпитера – 1/12200. Луна, изначально лишённая атмосферы и гидросферы, сохранила на своей поверхности следы процессов, происходивших в Солнечной системе миллионы и миллиарды лет назад. Поэтому изучение поверхности Луна позволяет делать выводы об эволюции Солнечной системы.

Общая характеристика Луны

Луна движется вокруг Земли по эллиптической орбите (средний эксцентриситет 0,0549) со средней скоростью 1,023 км/с. Расстояние от Луны до Земли меняется от 356400 км до 406800 км, среднее значение равно 384401± D1 км. Скорость видимого перемещения Луны среди звёзд составляет 13°10´ 35´´ в сутки. Период вращения Луны вокруг своей оси относительно звёзд (сидерический месяц) в точности совпадает с периодом движения Луны по орбите вокруг Земли. Вследствие этого Луна постоянно обращена к Земле одним и тем же полушарием, что позволяет говорить о видимой и обратной сторонах Луны. Равномерное вращение Луны вокруг оси в сочетании с неравномерным движением по орбите (ускорение может достигать 0,272 см/с2) приводит к появлению оптического эффекта либрации по долготе (см. Либрация Луны). При различных сочетаниях взаимного положения наблюдателя, Луны и Солнца наблюдатель видит освещённой только часть лунного диска – определённую фазу Луны. Период смены фаз (от новолуния до следующего новолуния) носит название синодического месяца. Вследствие эллиптичности лунной орбиты продолжительность синодического месяца может меняться от 29,25 сут до 29,83 сут. Лунная орбита наклонена к плоскости эклиптики под углом 5°9´. Наклонение лунного экватора к эклиптике составляет 1°32´ . Такое сочетание наклонений приводит к оптической либрации по широте. Диаметр Луны составляет 3476 км (0,27 земного диаметра). Площадь поверхности Луны равна 3,8•107 км². Средняя плотность вещества Луны составляет 3340 кг/м³ (0,61 средней плотности Земли). Первая космическая скорость для Луны равна 1,68 км/с, вторая космическая скорость – 2,375 км/с.

Фотография видимой стороны Луны в фазе полнолуния, полученная с помощью наземного телескопа
Фотография западного полушария Луны, полученная космическим аппаратом «Аполлон-16».

Происхождение и эволюция Луны

Существует ряд гипотез о происхождении Луны. Наиболее распространённой на начале 21 века является модель гигантского удара. Согласно этой модели, тело размером примерно с Марс, двигаясь по касательной траектории, столкнулось с Землёй на ранней стадии её развития (но уже после этапа гравитационной дифференциации вещества). В результате удара часть вещества земной коры и верхней мантии была выброшена в виде массивного осколочного облака на околоземную орбиту. В процессе последующей аккреции из этого облака сформировался спутник Земли. Предложена также др. модель, согласно которой Луна, подобно Земле и другим планетам, образовалась из протопланетного облака. Общепринятой теории происхождения Луны на начало 21 века не существует.

В первые миллионы лет Луна, по-видимому, прошла стадию дифференциации вещества, в результате чего сформировались ядро, мантия (возможно, верхняя и нижняя) и кора Луны. Согласно данным начала 21 века, Луна имеет металлическое ядро радиусом от 220 до 450 км. Масса ядра составляет не более 2–4% от общей массы Луны, что укладывается в рамки ударной гипотезы происхождения Луны и служит её косвенным подтверждением. В соответствии с этой моделью на завершающей стадии гравитационной дифференциации вещества лунный шар обладал отвердевшей силикатной корой анортозитового состава (породообразующие минералы – алюмосиликаты), базальтовой расплавленной мантией и, вероятно, жидким металлическим ядром. Кора Луны имела небольшую толщину (60–100 км) и сравнительно легко взламывалась под внешними ударами крупных падающих тел. Впоследствии этот процесс дополнялся взламыванием коры под действием внутреннего давления расплавленной базальтовой лавы верхней мантии, а также вследствие остывания лунных недр, идущего с поверхности. В образцах горных пород Луны, доставленных на Землю космическим аппаратом «Аполлон» (США, 1969–72), был выделен особый кластер ударных брекчий возрастом 3,7–3,9 млрд. лет. Это позволяет предположить, что в тот период поверхность Луны подвергалась интенсивной бомбардировке объектами разной природы, что подтверждается также другими исследованиями. Именно в то время на поверхности Луны появились гигантские круговые впадины ударного происхождения. На последующей стадии эволюции Луны эти впадины поэтапно заполнялись лавовыми потоками из верхней мантии, образуя так называемые лунные моря. В ту же эпоху под действием приливного гравитационного влияния со стороны Земли происходило замедление осевого вращения Луны, что привело в конечном счёте к уравниванию её осевого и орбитального периодов вращения.

Строение поверхности Луны

Луна покрыта единым материковым щитом лунной коры, мощность которого в современную эпоху на видимой стороне Луны составляет в среднем 60 км, на обратной стороне – до 100 км. Общая площадь лунных морей – 16,9% поверхности Луны (на видимой стороне – 31,2%, на обратной стороне – 2,6%). Материковый ландшафт (участки вне лунных морей) имеет более светлую окраску пород (средняя отражательная способность 13,45%) и более изрезанный рельеф (за счёт большей концентрации ударных кратеров). Возраст наиболее древних материковых пород достигает 4,3–4,6 млрд. лет. Плотность поверхностных материковых анортозитовых пород составляет 2900 кг/м³. Поверхность лунных морей сложена тёмными базальтовыми породами (средняя отражательная способность 7,30%) и имеет в основном равнинный рельеф. Плотность поверхностных базальтовых пород близка к средней плотности Луны. Средний возраст базальтовых пород, образующих поверхность старых морей (Имбрийская система), достигает 3,7 млрд. лет. Средний возраст базальтов молодых морей (Эратосфеновская система) составляет 3,2 млрд. лет. Поверхностная плотность ударных кратеров в пределах морей существенно меньше, чем на поверхности материков. Процесс выплавления морских базальтовых лав из недр Луны на её поверхность определяет понятие лунного вулканизма. В рельефе эти процессы отразились в виде извилистых русел, по которым протекала лава, наплывов лавовых полей и т. д. Конусные вулканические образования, подобные земным вулканам, на Луне встречаются крайне редко, и их природа окончательно не установлена. Считается, что эпоха лунного вулканизма закончилась около 2,5 млрд. лет назад, когда образовались наиболее молодые моря. В последующий период лунной эволюции поверхность спутника формировали только удары падающих тел различных размеров. Постоянная бомбардировка лунной поверхности частицами, падающими со сверхзвуковыми скоростями (до 25 км/с), приводит к формированию чехла из раздробленных пород, покрывающего всю поверхность Луны. Этот рыхлый слой обломочного материала носит название реголита и достигает в отдельных местах толщины 10 м и более.

Физические поля Луны

Ускорение силы тяжести у поверхности Луны в 6 раз меньше земного и составляет 1,623 м/с². Основным методом изучения гравитационного поля Луны является исследование возмущений орбит её искусственных спутников. Эти исследования позволили установить общую асимметрию распределения масс в теле Луны, а также выделить местные концентрации масс (так называемые масконы), расположенные в пределах верхней мантии в области круговых морей видимого полушария Луны.

Температура поверхности Луны в подсолнечной точке составляет около 130 °C, на ночной стороне опускается до –160...–170 °C. Низкая отражательная способность лунного поверхностного слоя приводит к тому, что около 90% падающей на Луну солнечной радиации переходит в теплоту. Поэтому Луна имеет собственное тепловое излучение в ИК-области спектра и частично в радиодиапазоне. Максимум собственного излучения Луны лежит в области длин волн 7 мкм. Максимум отражённого излучения Луны приходится на длину волны 0,6 мкм (максимум распределения энергии в солнечном спектре находится около длины волны 0,47 мкм). Измерения теплового излучения неосвещённой части лунного диска, проводимые в процессе смены фаз или во время лунных затмений, позволяют оценить тепловую инерцию покровного вещества, которая у лунного грунта оказывается на два порядка меньше, чем у земных горных пород. Столь низкое значение тепловой инерции свойственно только сильно измельчённым породам, помещённым в условия высокого вакуума. Измерения яркостной температуры радиоизлучения позволяют определить тепловой режим слоёв, расположенных под поверхностью Луны на глубине нескольких длин волн излучения. В частности, установлено, что на глубине около 1 м температура реголита не претерпевает существенных изменений в течение лунных суток. Этот вывод был подтверждён при бурении грунта экипажами космических аппаратов «Аполлон».

Многочисленные магнитометрические исследования (орбитальная магнитная съёмка и измерения непосредственно на поверхности Луны) установили отсутствие у Луны собственного магнитного поля. В то же время в некоторых районах лунной поверхности зафиксированы местные магнитные аномалии. В районах лунных морей видимого полушария величина магнитной индукции у поверхности колеблется от 0,1 до нескольких нТл. Наиболее значительны магнитные аномалии обнаружены на обратной стороне Луны, где магнитная индукция в некоторых местах достигает свыше 300 нТл. Исследования остаточной намагниченности образцов лунных пород, доставленных на Землю, позволяют предположить, что заметное магнитное поле могло существовать у Луны 3,6–3,8 млрд. лет назад. Природа возникновения лунного палеомагнетизма и наблюдаемых в современную эпоху магнитных аномалий пока не установлена.