Луна́ — единственный естественный спутник Земли. Самый близкий к Солнцу спутник планеты, так как у ближайших к Солнцу планет (Меркурия и Венеры) их нет. Второй по яркостиЗдесь под яркостью понимается звёздная величина, то есть полный световой поток, приходящий от небесного тела (и, как следствие, создаваемая ею освещённость), а не яркость в физическом смысле — значение светового потока на единицу телесного угла объекта. Звёзды и Венера имеют гораздо большее значение последней, но в случае Луны определяющую роль играет её близость к Земле и, следовательно, больший угловой размер. объект на земном небосводе после Солнца и пятый по величине естественный спутник планеты Солнечной системы. Среднее расстояние между центрами Земли и Луны — (, ~30 диаметров Земли).
Видимая звёздная величина полной Луны на земном небе — −12,71m. Освещённость, создаваемая полной Луной возле поверхности Земли при ясной погоде, составляет 0,25 лк.
Луна появилась около 4,5 млрд лет назад, немного позже Земли. Существует несколько гипотез происхождения Луны, ни одна из которых не объясняет всех наблюдаемых особенностей химического состава или взаимного движения. Наиболее популярна гипотеза о том, что Луна сформировалась из осколков, оставшихся после «Гигантского столкновения» Земли и Тейи — планеты, схожей по размерам с Марсом. В 2004 году физик Николай Горькавый предложил модель формирования Луны в результате продолжительной астероидной бомбардировки Земли космическими телами размером от десятков до сотен километров. Новая гипотеза объясняет, почему после катастрофического столкновения Земля не лишилась воды и откуда вода на полюсах Луны.
Луна является единственным внеземным астрономическим объектом, на котором побывал человек.
Название
«Луна» — древнее русское слово, в письменных источниках встречается ещё в Лаврентьевской летописи в записи о 969 годе.
Русское слово «Луна» восходит к < «светлая» (женский род прилагательного *louksnós), к этой же индоевропейской форме восходит и «луна».
Греки называли спутник Земли Селеной (), древние египтяне — Ях (Иях), вавилоняне — Син; в Японии называют Луну «Цуки», а соответствующее божество — Цукиёми.
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 сантиметровВ. Е. Жаров, 2002. Сферическая астрономия. 5.6. Пульсарная шкала времени .. 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 геоцентрической орбиты (в то время как большая полуось в системе относительно центра масс системы «Земля — Луна» составляет ). Действительное движение Луны довольно сложное, и при его расчёте необходимо учитывать множество факторов, например, сплюснутость Земли и сильное влияние Солнца, которое притягивает Луну в 2,2 раза сильнее, чем ЗемляМасса Солнца составляет Земли, а расстояние от Земли до Солнца примерно в больше, чем от Земли до Луны. Соответственно, отношение сил притяжения Солнца и Земли, действующих на Луну, составит .. 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 года. Это движение является прецессионным; поворот большой оси лунной орбиты (линии апсид) с периодом 8,8 года (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 , апогея — от 404,18 до ; постепенное удаление Луны от Земли вследствие приливного ускорения (на 38 мм в год), таким образом, её орбита представляет собой медленно раскручивающуюся спиральАлексей Левин. Прекрасная Селена // Популярная механика, № 5, 2008..
Луна всегда обращена к Земле одной стороной, противоположную сторону Луны с Земли увидеть невозможно. Луна делает один оборот вокруг собственной оси ровно за время облёта вокруг Земли, и это является не случайным совпадением, а следствием приливного захвата, который фиксирует направленность одной части Луны к Земле и тем самым синхронизирует вращение с облётом вокруг Земли. Таким же образом кордовая авиамодель облетает центр привязки и никогда не поворачивается к нему противоположным крылом.
Правда, поскольку вращение Луны вокруг Земли из-за эллиптической орбиты происходит несколько неравномерно, в результате либрации с Земли можно наблюдать несколько больше половины лунной поверхности.
Общее строение В 1609 году Галилео Галилей с помощью телескопа впервые увидел на Луне тени и сделал вывод о наличии гор и кратеров. На основе своих наблюдений Галилей считал, что Луна — это каменистое небесное тело, подобное Земле.
По современным представлениям Луна состоит из коры, мантии (астеносферы), свойства которой различны и образуют четыре слоя, кроме того, переходной зоны между мантией и ядром, а также самого ядра, которое имеет внешнюю жидкую и внутреннюю твёрдую части. Атмосфера и гидросфера практически отсутствуют. Поверхность Луны покрыта 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. + Геологические слои Луны по данным GRAIL Внутреннее твёрдое ядро 0—230 км Внешнее жидкое ядро 230—325 км Переходная зона 325—534 км Мантия 534—1697 км Кора 1697—1737 км Видимая сторона находится в среднем на 3,2 км ближе к центру масс по сравнению с обратной стороной, смещение центра масс к центру фигуры составляет приблизительно 1,68—1,93 км. Средняя толщина коры в видимом полушарии меньше на 8—12 км. Экваториальная кора в среднем на 9,5 км толще, чем на полюсах.
Условия на поверхности
Атмосфера Луны крайне разрежена. Когда поверхность не освещена Солнцем, содержание газов над ней не превышает (для Земли этот показатель составляет 2,7 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 −173 °C ночью до +127 °C в подсолнечной точке), в зависимости от освещённости; при этом температура пород, залегающих на глубине , постоянна и равна −35 °C. Ввиду практического отсутствия атмосферы небо на Луне всегда чёрное и со звёздами, даже когда Солнце находится над горизонтом. Однако на дневных фотографиях звёзды не видны, так как для их отображения потребовалась бы такая экспозиция, при которой освещённые Солнцем объекты были бы пересвечены.
Около 3,5 млрд лет назад, во время масштабных излияний лавы, лунная атмосфера была плотнее. Расчёты показывают, что высвобождавшиеся из лавы летучие вещества (CO, S, Н2O) могли образовать атмосферу с давлением в 1 % от земного. Время её рассеяния оценивают в 70 млн лет.
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 раза большеСредний радиус Земли — 6371,0 км, а средний радиус Луны — 1737,1 км; соотношение равно ≈ 3,678., чем лунный при наблюдении с Земли, а закрываемая Землёй площадь небесной сферы в 13,5 раза больше., чем закрываемая Луной. Степень освещённости Земли, видимая с Луны, обратна лунным фазам, видимым на Земле: в полнолуние с Луны видна неосвещённая часть Земли, и наоборот. Освещение отражённым светом Земли теоретически должно быть примерно в 41 раз сильнееГеометрическое альбедо Земли равно 0,367, а Луны — 0,12. Соотношение альбедо умножаем на соотношение площадей видимых дисков Земли и Луны: ., чем освещение лунным светом на Земле, однако на практике лишь в 15 раз больше«Фотометрические измерения („Лунохода-2“) привели к несколько неожиданным результатам относительно яркости лунного неба. В частности, было показано, что в дневное время лунное небо загрязнено определённым количеством пыли, и что при свете Земли в ночное время лунное небо в 15 раз ярче, чем небо на Земле при полной Луне» — М. Я. Маров, У. Т. Хантресс Советские роботы в Солнечной системе: технологии и открытия. — : Физматлит. — 2017. — С. 263.; наибольшая видимая звёздная величина Земли на Луне составляет приблизительно −16mСоотношение яркости 41,12 соответствует разности видимых звёздных величин ; если звёздная величина Луны при наибольшей яркости равна −12,7, то звёздная величина Земли при наибольшей яркости составит −16,7.
Лунная поверхность отражает всего 5—18 % солнечного света (как старый асфальт). Цветовые различия на Луне очень малы; её поверхность имеет коричневато-серую или черновато-бурую окраску (данные 1970 года)Первые итоги определения физико-механических свойств грунтов Луны / под ред. проф. д-ра техн. наук В. Г. Булычёва. — : Госстрой СССР. — 1970. — С. 8..
Наилучшие на 2017 год колориметрические изображения поверхности Луны были получены широкоугольной мультиспектральной камерой WAC космического аппарата LRO, снимающей в семи диапазонах спектра в видимой и ультрафиолетовой областиИнтерактивная, масштабируемая карта Луны. Активировать слой «WAC Hapke-Normalized Color» или «WAC Color test» . (описание карты). На цветоделительных изображениях буроватый оттенок имеют центральная часть Моря Ясности, восточная часть Моря Дождей, Море Холода и плато Аристарх. Синий оттенок имеют Море Спокойствия, периферийная часть Моря Ясности, северная часть Моря Изобилия, западная часть Моря Дождей, западная и южная части Океана Бурь. Все эти цветовые особенности отдельных районов Луны подтвердились в дальнейшем. Глаз почти не различает цветовые особенности отдельных деталей поверхности. Применение обычной цветной фотографии также не даёт должного эффекта — лунная поверхность выглядит однотонной.
Уменьшение альбедо поверхности в коротковолновой части спектра приводит к тому, что зрительно Луна кажется слегка желтоватой.
Гравитационное поле
Сила тяжести
Сила тяжести у поверхности Луны составляет 16,5 % от земной (в 6 раз слабее).
Гравитационный потенциал + Коэффициенты секторальных и тессеральных гармоникОрбитальные эфемериды Солнца, Луны и планет. 8. Начальные условия . 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 слагаемыхАстронет: 7.3 Гравитационное поле Луны .:
где — приливный потенциал, — центробежный потенциал, — потенциал притяжения. Потенциал притяжения обычно раскладывают по зональным, секторальным и тессеральным гармоникам: