Реферат: Луна - естественный спутник Земли

План:

ЛУНА.

—  ВНЕШНИЙВИД.

o ИллюзияЛуны.

o Фазы.

—  ДВИЖЕНИЕ.

o Характеристикиорбиты.

o Наклон.

—  ДЕТАЛИПОВЕРХНОСТИ.

o Моря.           

o Природаповерхности Луны.

o Кратеры.

o Другиеособенности.

ЛУНА,естественныйспутник Земли, ее постоянный ближайший сосед. Это скалистое шаровидное тело безатмосферы и жизни. Ее диаметр 3480 км, т.е. немногим более четверти диаметраЗемли. Ее угловой диаметр (угол, под которым диск Луны виден с Земли)составляет около 30¢ дуги. Среднее расстояниеЛуны от Земли 384 400 км, что равно примерно 30 диаметрам Земли. Космическийкорабль может добраться до Луны менее чем за 3 сут. Первый достигший Луныаппарат «Луна-2» был запущен 12 сентября 1959 в СССР. Первые люди ступили наЛуну 20 июля 1969; это были астронавты «Аполлона-11», запущенного в США.

Еще до наступленияэры космических исследований астрономы знали, что Луна – необычное тело. Хотяэто не самый большой спутник в Солнечной системе, но он один из крупнейших поотношению к своей планете – Земле. Плотность Луны всего в 3,3 раза большеплотности воды, что меньше, чем у любой из планет земной группы: самой Земли,Меркурия, Венеры и Марса. Уже это обстоятельство заставляет думать о необычныхусловиях образования Луны. Пробы грунта с поверхности Луны позволили определитьего химический состав и возраст (4,1 млрд. лет у самых старых образцов), но этолишь сильнее запутало наше представление о происхождении Луны.

ВНЕШНИЙВИД

Как все планеты и ихспутники, Луна в основном светит отраженным солнечным светом. Обычно бываетвидна та часть Луны, которую освещает Солнце. Исключение составляют периодывблизи новолуния, когда отраженный от Земли свет слабо освещает и темнуюсторону Луны, создавая картину «старой Луны в объятиях молодой».

Яркость полной Луныв 650 тыс. раз меньше яркости Солнца. Полная Луна отражает только 7% падающегона нее солнечного света. После периодов бурной солнечной активности отдельныеместа лунной поверхности могут слабо светиться под действием люминесценции.

На видимой сторонеЛуны – той, что всегда повернута к Земле, – бросаются в глаза темные области,названные астрономами прошлого морями (по-латински mare). Из-за относительноровной поверхности моря были выбраны для посадки первых экспедиций астронавтов;исследования показали, что моря имеют сухую поверхность, покрытую мелкимипористыми обломками лавы и редкими камнями. Эти большие темные участки Лунырезко отличаются от ярких горных областей, неровная поверхность которыхзначительно лучше отражает свет. Облетевшие Луну космические корабли показали,вопреки ожиданиям, что на обратной стороне Луны нет больших морей и поэтому онане похожа на видимую сторону.

ИллюзияЛуны. Вблизигоризонта Луна выглядит гораздо большей, чем высоко в небе. Это оптическаяиллюзия. Психологические опыты показали, что наблюдатель подсознательнорегулирует свое восприятие размера объекта в зависимости от размера другихобъектов в поле зрения. Луна кажется меньше, когда она высоко в небе и окруженабольшим пустым пространством; но когда она у горизонта, ее размер легкосравнить с расстоянием между ней и горизонтом. Под влиянием этого сравнения мынеосознанно усиливаем свое впечатление о размере Луны.

Фазы.ФазыЛуны возникают вследствие изменения взаимного расположения Земли, Луны иСолнца. Например, когда Луна находится между Солнцем и Землей, ее обращенная кЗемле сторона темна и поэтому почти невидима. Этот момент называют новолунием,поскольку, начиная с него, Луна как будто рождается и становится видимой всебольше и больше. Пройдя четверть своей орбиты, Луна демонстрирует освещеннуюполовину диска; при этом говорят, что она находится в первой четверти. Припрохождении половины орбиты у Луны становится видимой вся обращенная к Землесторона – она вступает в фазу полнолуния.

Земля тоже проходитчерез разные фазы, если смотреть на нее с Луны. Например, в новолуние, когдадиск Луны совершенно темный для наблюдателя на Земле, астронавт на Луне видитцеликом освещенную «полную Землю». И наоборот, когда на Земле мы видимполнолуние, с Луны можно наблюдать «новоземелье». В первой и третьей четвертях,когда люди на Земле видят освещенной половину лунного диска, астронавты на Лунетоже увидят освещенную половину диска Земли.

ДВИЖЕНИЕ

Основное влияние надвижение Луны оказывает Земля, хотя и значительно более удаленное Солнце нанего тоже влияет. Поэтому объяснение движения Луны становится одной изсложнейших проблем небесной механики. Первая приемлемая теория была предложенаИсааком Ньютоном в его «Началах» (1687), где были опубликованы закон всемирноготяготения и законы движения. Ньютон не только учел все известные в то времявозмущения лунной орбиты, но и предсказал некоторые эффекты.

Характеристикиорбиты. Время,необходимое Луне для полного обращения по орбите вокруг Земли на 360°,составляет 27 сут 7 ч 43,2 мин. Но все это время Земля сама движется вокругСолнца в том же направлении, поэтому взаимное положение трех тел повторяется нечерез орбитальный период Луны, а спустя примерно 53 ч после него. Поэтомуполнолуние происходит через каждые 29 сут 12 ч 44,1 мин; этот период называютлунным месяцем. Каждый солнечный год содержит 12,37 лунных месяцев, так что 7из 19 лет имеют 13 полнолуний. Этот 19-летний период называется «метоновымциклом», поскольку в 5 в. до н.э. афинский астроном Метон предложил этот периодв качестве основы для реформы календаря, правда, не состоявшейся.

Расстояние до Луныпостоянно меняется; это знал еще Гиппарх во 2 в. до н.э. Он определил среднеерасстояние до Луны, получив значение, довольно близкое к современному – 30диаметров Земли. Расстояние до Луны можно определять различными методами,например, методом триангуляции из двух удаленных точек на Земле или же спомощью современной техники: по времени прохождения радарного или лазерногосигнала до Луны и обратно. Среднее расстояние в перигее (ближайшей к Землеточке орбиты Луны) составляет 362 тыс. км, а среднее расстояние в апогее (самойдалекой точке орбиты) равно 405 тыс. км. Эти расстояния измеряются от центраЗемли до центра Луны. Точка апогея и вместе с ней вся орбита обращается вокругЗемли за 8 лет и 310 сут.

Наклон.Плоскостьорбиты Луны наклонена к плоскости орбиты Земли вокруг Солнца – эклиптике –примерно на 5°; поэтому Луна никогда неудаляется от эклиптики более чем на 5°, всегда находясь среди илиоколо зодиакальных созвездий. Точки, в которых лунная орбита пересекаетэклиптику, называют узлами. Солнечное затмение может произойти только вноволуние и только в те моменты, когда Луна находится вблизи узла. Этослучается по меньшей мере дважды в году. В остальных случаях Луна проходит нанебе над или под Солнцем. Лунные затмения происходят только в полнолуние; приэтом, как и в случае солнечных затмений, Луна должна находиться вблизи узла.Если бы плоскость лунной орбиты не была наклонена к плоскости земной орбиты,т.е. если бы Земля и Луна двигались в одной плоскости, то при каждом новолуниипроисходило бы солнечное затмение, а при каждом полнолунии – лунное затмение.Линия узлов (прямая, проходящая через оба узла) вращается вокруг Земли впротивоположном движению Луны направлении – с востока на запад с периодом 18лет 224 сут. Этот период тесно связан с циклом «сароса», составляющего 18 лет11,3 сут и определяющего промежуток времени между одинаковыми затмениями.Система Земля – Луна. Разумеется, не совсемверно говорить о движении Луны вокруг Земли. Точнее, оба эти тела обращаютсявокруг их общего центра массы, лежащего ниже поверхности Земли. Анализколебаний Земли показал, что масса Луны в 81 раз меньше массы Земли.

Гравитационноепритяжение Луны вызывает приливы и отливы на Земле. Приливные движения врезультате трения замедляют вращение Земли, увеличивая продолжительность земныхсуток на 0,001 с за столетие. Поскольку момент импульса системы Земля – Лунасохраняется, замедление вращения Земли приводит к медленному удалению Луны отЗемли. Однако в нынешнюю эпоху расстояние между Землей и Луной уменьшается на2,5 см в год из-за сложного взаимодействия Солнца и планет с Землей. Лунавсегда обращена к Земле одной стороной. Детальный анализ ее гравитационногополя показал, что Луна деформирована в направлении Земли, но искажение ее формыслишком велико для современного приливного эффекта. Это искажение считают«замороженным приливом», оставшимся с тех пор, когда Луна была ближе к Земле ииспытывала с ее стороны более сильное приливное влияние, чем сейчас. Но этавыпуклость может представлять собой и неоднородность внутреннего строения Луны.Сохранение как древней приливной выпуклости, так и асимметричного распределениямассы требует наличия твердой оболочки, поскольку под действием собственноготяготения жидкое тело принимает шарообразную форму. Некоторые специалистысчитают, что вообще вся Луна внутри твердая. Для этого она должна бытьдостаточно холодной. Результаты сейсмических экспериментов указывают, чтовнутренние области Луны действительно разогреты слабо.

Гравитационныеизмерения, проведенные на окололунной орбите американским аппаратом «Лунарорбитер», частично подтвердили неоднородность внутреннего строения Луны: внекоторых крупных морях были обнаружены области концентрации плотного вещества,названные масконами (от слов «масса» и «концентрация»). Они возникли там, гдебольшие массы плотных пород окружены сравнительно легкими породами.

ДЕТАЛИПОВЕРХНОСТИ

Хотя Луна всегдаповернута к Земле одной стороной, у нас есть возможность увидеть немного большеполовины ее поверхности. Когда Луна находится в наивысшей точке своей наклоннойорбиты, можно наблюдать обычно скрытую область вблизи ее южного полюса, аобласть вокруг северного полюса становится видимой, когда Луна достигает низшейточки орбиты. Кроме этого можно наблюдать дополнительные области на восточном изападном лимбе (крае) Луны, поскольку она вращается вокруг своей оси спостоянной скоростью, а скорость ее движения вокруг Земли изменяется отмаксимальной в перигее до минимальной в апогее. В результате наблюдаютсяпокачивания – либрации – Луны, которые позволяют увидеть 59% ее поверхности.Области, которые совершенно невозможно увидеть с Земли, фотографируют с помощьюкосмических аппаратов.

Старейшая полнаякарта видимого полушария Луны приведена в Селенографии, или описании Луны(1647) Я.Гевелия. В 1651 Дж.Риччоли предложил присваивать деталям луннойповерхности имена выдающихся астрономов и философов. Современная селенография –наука о физических характеристиках Луны – началась с детальной и подробноописанной карты Луны (1837) В.Бера и И.Мёдлера.

ФотографированиеЛуны началось в 1837 и достигло наивысшего развития в Систематическомфотографическом атласе Луны (Дж. Койпер и др., 1960). В нем показаныобласти Луны, освещенные солнечным светом, по крайней мере, под четырьмяразличными углами. Наилучшее разрешение на фотографиях, полученных споверхности Земли, составляет 0,24 км. Пять аппаратов «Лунар орбитер», успешнозапущенных в 1966 и 1967, получили с окололунной орбиты великолепную и почтиполную фотографическую карту Луны. Поэтому сейчас даже детали обратной стороныЛуны известны с разрешением, в десять раз лучшим, чем детали ее видимой стороныв 1960. Подробные карты Луны были изготовлены в НАСА и могут быть получены вУправлении документами правительства США.

Новые детали луннойповерхности получают свои названия. Например, автоматический аппарат«Рейнджер-7» упал на безымянную площадку в 1964; теперь эта площадка называетсяМорем Познанным. Большие кратеры, сфотографированные на обратной стороне Луныаппаратом «Луна-3», названы именами Циолковского, Ломоносова и Жолио-Кюри.Прежде чем новое имя будет официально присвоено, оно должно быть одобреноМеждународным астрономическим союзом.

На Луне можновыделить три основных типа образований: 1) моря – обширные, темные и довольноплоские участки поверхности, покрытые базальтовой лавой; 2) материки – яркиеприподнятые области, заполненные множеством больших и маленьких круглыхкратеров, часто перекрывающихся; 3) горные цепи, такие, как Апеннины, инебольшие горные системы, подобные той, что окружают кратер Коперник.

Моря.Крупнейшееиз дюжины морей на видимой стороне Луны – Море Дождей диаметром ок. 1200 км.Кольцо из отдельных пиков на его дне и окружающая цепь гор с радиальными лучамиговорят о том, что Море Дождей возникло вследствие удара о Луну огромногометеорита или ядра кометы. Его дно не идеально ровное, а пересеченоволнообразной рябью, которую можно заметить при малом угле падения солнечныхлучей. Эта рябь с сопутствующей ей разницей в цвете указывает, что лаваразливалась здесь не единожды, а возможно, в результате несколькихпоследовательных ударов.

Фотографии сокололунной орбиты обнаружили более впечатляющий бассейн, чем Море Дождей. ЭтоМоре Восточное, которое с Земли частично видно на левом лимбе Луны, но лишь«Лунар орбитер» показал его настоящий вид. Центральная темная равнина этогоморя довольно мала, но она служит центром большого числа круговых и радиальныхгорных цепей. Центральный бассейн окружен двумя почти идеально концентрическимицепями гор диаметром 600 и 1000 км, а за внешнюю горную цепь еще более чем на1000 км выброшены породы в виде сложных радиальных образований.

Почти круглый контурМоря Ясности тоже указывает на столкновение, но меньшего масштаба. Другие моря,видимо, также заполнились лавой в результате одного или несколькихстолкновений, более поздние из которых уничтожили кратер, возникший послепервого столкновения.

Другие крупныекратерированные области, не разрушенные мощным столкновением, могли статьморями после мощного излияния лавы. Примерами такого рода служат Океан Бурь иМоре Спокойствия, имеющие неправильные контуры и содержащие частичнозатопленные древние кратеры. Небольшие, но необъяснимые различия в цветаххарактерны для разных морей. Например, центральная область дна Моря Ясностиимеет красноватый оттенок, типичный для старых, более глубоких слоев, а внешняячасть этого моря и соседнее Море Спокойствия имеют голубоватый оттенок.

Странное отсутствиетемных морей на обратной стороне Луны говорит о том, что они формируются не такуж часто. Вероятно, вся система морей образовалась в результате лишь несколькихстолкновений. Например, заполнение Океана Бурь и Моря Облаков могло произойти отодного удара в районе Моря Дождей. Возможно, эта сторона Луны сначала былаотвернута от Земли. Когда в результате ударов образовавшиеся кратерызаполнились тяжелой лавой и породили масконы, возникшая асимметрия враспределении массы позволила притяжению Земли повернуть Луну и навсегдазакрепить ее полушарие с морями в направлении нашей планеты.

Природаповерхности Луны. Важнейшимрезультатом программы «Аполлон» стало открытие у Луны мощной коры. На местепосадки «Аполлона-14» в районе кратера Фра Мауро кора имеет толщину около 65км. Луна покрыта рыхлым обломочным материалом – реголитом, слой которого имееттолщину от 3 до 15 м. Поэтому твердая порода почти нигде не обнажена, заисключением немногих молодых крупных кратеров. Реголит в основном состоит из мелкихчастиц различного размера, обычно около 25 мкм. Это смесь кусочков камня,сферул (микроскопических сфер) и фрагментов стекла. Вещество очень пористое исжимаемое, но достаточно прочное, чтобы выдержать вес астронавта.

Образцы горныхпород, доставленные «Аполлонами-11, -12 и -15», оказались в основномбазальтовой лавой. Этот морской базальт богат железом и, реже, титаном. Хотякислород несомненно является одним из основных элементов пород лунных морей,лунные породы существенно беднее кислородом своих земных аналогов. Особоследует подчеркнуть полное отсутствие воды, даже в кристаллической решеткеминералов. Доставленные «Аполлоном-11» базальты имеют следующий состав:

Компонент

Содержание, %

Двуокись кремния (SiO2)

Двуокись титана (TiO2)

Окись алюминия (Al2O3)

Доставленные«Аполлоном-14» образцы представляют другой тип коры – брекчию, богатуюрадиоактивными элементами. Брекчия – это агломерат каменных обломков, сцементированныхмелкими частицами реголита. Третий тип образцов лунной коры – богатые алюминиеманортозиты. Эта порода светлее темных базальтов. По химическому составу онаблизка к породам, исследованным «Сервейором-7» в горной области у кратера Тихо.Эта порода менее плотная, чем базальт, так что сложенные ею горы как бы плаваютна поверхности более плотной лавы.

Все три типа породыпредставлены в крупных образцах, собранных астронавтами «Аполлонов»; ноуверенность, что они являются основными типами породы, слагающей кору, основанана анализе и классификации тысяч мелких фрагментов в образцах грунта, собранныхс различных мест на поверхности Луны.

Кратеры– однаиз характерных особенностей Луны. Десятки тысяч кратеров можно увидеть втелескоп среднего размера. Крупнейшие из них похожи на ровные площадки,окруженные стеной. Такие кратеры, как Гримальди, Шиккард и Циолковский (наобратной стороне Луны), имеют диаметр около 250 км и гладкое лавовое дно.Наблюдения «Рейнджеров», «Сервейоров» и «Аполлонов» открыли много мелкихкратеров, вплоть до размера крошечных рытвин. Хотя большинство кратеровокруглые, некоторые из самых крупных по форме похожи на многоугольники. Уземного наблюдателя сильный контраст света и тени вызывает впечатление оченьнеровной поверхности Луны; в действительности же стенки кратеров весьмапологие.

Большинство кратеровобразовалось вследствие ударов по поверхности Луны метеоритов и ядер комет нараннем этапе ее истории. Более крупные первичные кратеры возникли от прямогопопадания космических тел, а множество вторичных кратеров образовалось послепадения обломков, выброшенных первыми взрывами. Вторичные кратерысконцентрированы вокруг первичных и часто расположены парами или имеютвытянутую форму. Ударные кратеры на Земле очень напоминают лунные. Но земныекратеры разрушает эрозия, а на Луне при отсутствии воздуха, ветра и дождей –главных причин эрозии – сохраняются очень старые образования.

Некоторые кратерымогут быть результатом вулканической деятельности. Это удивительно правильныеворонкообразные ямы с ослепительно белыми стенками при полной Луне. То, что онииногда расположены рядами, вероятно, над сейсмическими трещинами или навершинах гор, только усиливает вулканическую гипотезу, предложеннуюамериканским астрономом голландского происхождения Дж.Койпером. Инфракрасныенаблюдения, проведенные во время полных лунных затмений, выявили сотни необычнотеплых пятен; как правило, они совпадают с яркими молодыми кратерами.

Посколькубольшинство кратеров расположено в светлых материковых областях, они должныбыть более старыми, чем моря. Согласно Койперу, первые кратеры образовалисьпосле того, как моря приобрели гладкое лавовое дно. Позднее поверхностьплавилась, но недостаточно для того, чтобы заполнить кратеры лавой, хотявулканические излияния видны. Вблизи полнолуния кратер Тихо и несколькоуединенных кратеров, таких, как Коперник и Кеплер, становятся ослепительнобелыми, и от них радиально расходятся длинные белые полосы, называемые«лучами». У этих кратеров неправильные центральные горки и множество мелкихобломков внутри вала. Поскольку их лучи лежат поверх других лунных образований,лучистые кратеры должны быть самыми молодыми на Луне. «Рейнджер-7» показал, чтолучи представляют собой ряды многочисленных белых вторичных кратеров.

Наблюдения измененийлунной поверхности весьма дискуссионны. Обычно это кажущиеся изменения из-заразличия в угле падения солнечных лучей. Долго астрономы спорили, был ли Линней– яркое пятно в Море Ясности – когда-то кратером, как это указано на старойлунной карте в работе Риччоли. В 1958 советский астроном Н.А.Козырев наблюдалнечто, вероятно, представлявшее выброс газа в кратере Альфонс. После некоторогопериода недоверия астрономы заинтересовались возможностью активнойвулканической деятельности на Луне. Анализ разрозненных наблюдений показывает,что области ожидаемой активности сконцентрированы по краям морей.

Другиеособенности. Горныецепи, столь знакомые нам на Земле, довольно редки на Луне. Основные цепи гор навидимой стороне Луны (Апеннины, Альпы и Кавказ), конечно, были сформированыстолкновением, породившим Море Дождей. Концентрические цепи гор окружают инекоторые другие моря. Некоторые горы вдоль южного края Луны сравнимы по высотес Эверестом. Морщины, образованные сжатием, видны внутри большинства морей.Часто они имеют ступенчатую структуру с параллельными, но слегка смещеннымисегментами. Иногда они похожи на довольно сложную плетенку.

Трещины и крутыеканьоны шириной 1–2 км часто тянутся на сотни километров почти по прямой. Ихглубина составляет от одной до нескольких сотен метров; более тысячи из нихвнесены в каталоги. Эти разрывные трещины в лавовой коре часто параллельныкраям морей. Некоторые из них напоминают меандры русел земных рек.

Морщины и трещины, атакже широкие и узкие долины образуют гигантскую сеть. Радиальные деталирельефа, связанные с Морем Дождей, образуют самую крупную сетчатую систему наЛуне. Некоторые исследователи считают, что сетчатая система отражаетвнутрилунные процессы напряжения и сжатия, но другие думают, что это результатвнешнего воздействия, связанного со столкновениями, породившими моря.

Обнаруженона Луне и множество других особенностей. Наиболее грандиозным разломом являетсяПрямая Стена, протянувшаяся в Море Облаков примерно на 170 км; это крутой откосвысотой около 300 м. Долина Рейта – пример грабена, т.е. зоны разрыва, гдезначительный участок поверхности стал опускаться. На дне морей обнаруженонесколько маленьких потухших вулканов. Еще одна любопытная особенность луннойповерхности – небольшие лавовые купола.

ЛИТЕРАТУРА

РингвудА. Происхождение Луны и Земли. М., 1982

БудыкоМ.И. Климат в прошлом и будущем. М., 1980

МагницкийВ.А. Внутреннее строение и физика Луны. М., 1965