Луна с незапамятных времен была постоянным спутником нашей планеты и самым близким к ней небесным телом. Естественно, человеку всегда хотелось там побывать. Но далеко ли туда лететь и какое до нее расстояние?
Расстояние от Земли до Луны теоретически измеряется от центра Луны до центра Земли. Измерить это расстояние обычными методами, используемыми в обычной жизни, невозможно. Поэтому дистанция до земного спутника вычислялась по тригонометрическим формулам.
Аналогично Солнцу, Луна испытывает постоянное движение на земном небе вблизи эклиптики. Тем не менее, это движение значительно отличается от движения Солнца. Так плоскости орбит Солнца и Луны различаются на 5 градусов. Казалось бы, вследствие этого траектория Луны на земном небе должна быть похожа в общих чертах на эклиптику, отличаясь от нее только сдвигом на 5 градусов:
В этом движение Луна напоминает движение Солнца - с запада на восток, в противоположном направлении суточному вращению Земли. Но кроме того Луна движется по земному небу гораздо быстрее Солнца. Это связано с тем, что Земля совершает оборот вокруг Солнца примерно за 365 суток (земной год), а Луна вокруг Земли всего за 29 суток (лунный месяц). Это различие и стало стимулом к разбивке эклиптики на 12 зодиакальных созвездий (за один месяц Солнце смещается по эклиптике на 30 градусов). За время лунного месяца происходит полная смена фаз Луны:
В дополнение к траектории движения Луны добавляется ещё и фактор сильной вытянутости орбиты. Эксцентриситет орбиты Луны составляет 0.05 (для сравнения у Земли этот параметр равен 0.017). Отличие от круговой орбиты Луны приводит к тому, что видимый диаметр Луны постоянно меняется от 29 до 32 угловых минут.
За сутки Луна смещается относительно звезд на 13 градусов, за час примерно на 0.5 градусов. Современные астрономы часто используют покрытия Луны для оценок угловых диаметров звезд вблизи эклиптики.
Важным моментом теории движения Луны является факт того, что орбита Луны в космическом пространстве не является неизменной и стабильной. По причине сравнительно небольшой массы Луны, она подвержена постоянным возмущениям от более массивных объектов Солнечной Системы (прежде всего Солнца и Луны). Кроме того, на орбиту Луны оказывают влияние сплюснутость Солнца и гравитационные поля других планет Солнечной Системы. В результате этого величина эксцентриситета орбиты Луны испытывает колебания между 0.04 и 0.07 с периодом в 9 лет. Следствием этих изменений стало такое явление, как суперлуние. Суперлунием называется астрономическое явление, в ходе которого полная луна в несколько раз больше по угловым размерам, чем обычно. Так во время полнолуния 14 ноября 2016 года Луна находилась на рекордно близком расстоянии с 1948 года. В 1948 году Луна была на 50 км ближе, чем в 2016 году.
Кроме того наблюдаются и колебания наклонения лунной орбиты к эклиптике: примерно на 18 угловых минут каждые 19 лет.
Космическим кораблям придется потратить на полет к земному спутнику немало времени. До Луны нельзя лететь по прямой - планета будет уходить по орбите в сторону от точки назначения, и путь придется корректировать. При второй космической скорости в 11 км/с (40 000 км/ч) полет теоретически займет около 10 часов, но на деле это будет происходить дольше. Все потому, что корабль на старте постепенно наращивает скорость в атмосфере, доводя ее до значения в 11 км/с, чтобы вырваться из поля тяготения Земли. Затем кораблю придется тормозить при подлете к Луне. Кстати, эта скорость- максимум, чего удалось добиться современным космическим кораблям.
Пресловутый полет американцев на Луну в 1969 году, согласно официальным данным, занял 76 часов. Быстрее всех до Луны удалось долететь аппарату НАСА «Новые горизонты» — за 8 часов 35 минут. Правда, он не приземлился на планетоид, а пролетел мимо - у него была другая миссия.
Свет от Земли до нашего спутника доберется очень быстро - за 1,255 секунд. Но полеты на световых скоростях - пока что из области фантастики.
Можно попытаться представить путь до Луны в привычных величинах. Пешком при скорости 5 км/ч дорога до Луны займет порядка девяти лет. Если поехать на машине на скорость в 100 км/ч, то добираться до земного спутника придется 160 дней. Если бы на Луну летали самолеты, то рейс до нее продлился бы где-то 20 дней.
Луна стала первым небесным телом, до которого удалось рассчитать расстояние от Земли. Считается, что первыми это сделали астрономы в Древней Греции.
Измерить расстояние до Луны пытались с незапамятных времен - первым это попытался сделать Аристарх Самосский. Он оценил угол между Луной и Солнцем в 87 градусов, поэтому вышло, что Луна ближе Солнца в 20 раз (косинус угла равного 87 градуса равен 1/20). Ошибка измерений угла привела к 20-кратной ошибке, сегодня известно, что это отношение на самом деле равно 1 к 400 (угол равен примерно 89.8 градусов). Большая ошибка была вызвана трудностью оценок точного углового расстояния между Солнцем и Луной с помощью примитивных астрономических инструментов Древнего мира. Регулярные солнечные затмения к этому времени уже позволили древнегреческим астрономам сделать вывод о том, что угловые диаметры Луны и Солнца примерно одинаковы. В связи с этим Аристарх сделал вывод, что Луна меньше Солнца в 20 раз (на самом деле примерно в 400 раз).
Для вычисления размеров Солнца и Луны относительно Земли Аристарх использовал другой метод. Речь идет о наблюдениях лунных затмений. К этому времени древние астрономы уже догадались о причинах этих явлений: Луна затмевается тенью Земли.
На схеме выше хорошо видно, что разность расстояний с Земли до Солнца и до Луны пропорциональна разнице между радиусами Земли и Солнца и радиусами Земли и её тени на расстояние Луны. Во времена Аристарха уже удалось оценить, что радиус Луны равен примерно 15 угловым минутам, а радиус земной тени составляет 40 угловых минут. То есть размер Луны получался примерно в 3 раза меньше размера Земли. Отсюда зная угловой радиус Луны можно было легко оценить, что Луна находится от Земли примерно в 40 диаметрах Земли. Древние греки могли лишь приблизительно оценить размеры Земли. Так Эратосфен Киренский (276 - 195 годы до нашей эры) на основе различий в максимальной высоте Солнца над горизонтом в Асуане и Александрии во время летнего солнцестояния определил, что радиус Земли близок к 6287 км (современное значение 6371 км). Если подставить это значение в оценку Аристарха насчет расстояния до Луны, то оно будет соответствовать примерно 502 тысяч км (современное значение среднего расстояния от Земли до Луны составляет 384 тысяч км).
Чуть позже математик и астроном II века до н. э. Гиппарх Никейский подсчитал, что расстояние до земного спутника в 60 раз больше, чем радиус нашей планеты. Его расчеты основывались на наблюдениях за движением Луны и его периодических затмениях.
Так как в момент затмения Солнце и Луна будут иметь одинаковые угловые размеры, то по правилам подобия треугольников можно найти отношение расстояний до Солнца и до Луны. Эта разница составляет 400 раз. Применяя еще раз эти правила, только уже по отношению к диаметрам Луны и Земли, Гиппарх вычислил, что диаметр Земли больше диаметра Луны в 2,5 раза. Т.е R л = R з /2,5.
Под углом в 1′ можно наблюдать предмет, размеры которого в 3 483 раза меньше, чем расстояние до него - эта информация во времена Гиппарха была всем известна. То есть, при наблюдаемом радиусе Луны в 15′ она будет ближе к наблюдателю в 15 раз. Т.е. отношение расстояния до Луны к ее радиусу будет равно 3483/15= 232 или S л = 232R л.
Соответственно, дистанция до Луны - это 232* R з /2,5= 60 радиусов Земли. Это получается 6 371*60=382 260 км. Самое интересное, что измерения, выполненные при помощи современных инструментов, подтвердили правоту античного ученого.
Сейчас измерение дистанции до Луны проводится при помощи лазерных приборов, позволяющих измерить его с точностью до нескольких сантиметров. При этом измерения происходят за очень короткое время - не более 2 секунд, за которое Луна удаляется по орбите примерно на 50 метров от точки отправки лазерного импульса.
Только с изобретением телескопа астрономы смогли получить более-менее точные значения параметров орбиты Луны и соответствия её размеров с размером Земли.
Более точный метод измерения расстояния до Луны появился в связи с развитием радиолокации. Первая радиолокация Луны была проведены в 1946 году в США и Великобритании. Радиолокация позволяла измерить расстояние до Луны с точностью в несколько километров.
Ещё более точным методом измерения расстояния до Луны стала лазерная локация. Для его реализации в 1960х годах на Луне было установлено несколько уголковых отражателей. Интересно отметить, что первые эксперименты по лазерной локации были проведены ещё до установки уголковых отражателей на поверхности Луны. В 1962-1963 годах в Крымской обсерватории СССР были проведены несколько экспериментов по лазерной локации отдельных лунных кратеров с использованием телескопов диаметром от 0.3 до 2.6 метров. Эти эксперименты смогли определять расстояние до поверхности Луны с точностью в несколько сотен метров. В 1969-1972 годы астронавты программы “Аполлон” доставили на поверхность нашего спутника три уголковых отражателя. Среди них наиболее совершенным был отражатель миссии “Апполон-15”, так как он состоял 300 призм, тогда как два других (миссии “Апполон-11” и “Апполон-14”) только из ста призм каждый.
Кроме того в 1970 и 1973 годах СССР доставил на поверхность Луны ещё два французских уголковых отражателя на борту самоходных аппаратов “Луноход-1” и “Луноход-2”, каждый из которых состоял из 14 призм. Использование первого из этих отражателей обладает незаурядной историей. За первые 6 месяцев работы лунохода с отражателем удалось провести около 20 сеансов лазерной локации. Однако затем из-за неудачного положения лунохода вплоть до 2010 года не удавалось использовать отражатель. Лишь снимки нового аппарата LRO помогли уточнить положение лунохода с отражателем, и тем самым возобновить сеансы работы с ним.
В СССР наибольшее количество сеансов лазерной локации было проведено на 2.6-метровом телескопе Крымской обсерватории. Между 1976 и 1983 годами на этом телескопе было проведено 1400 измерений с погрешностью в 25 сантиметров, затем наблюдения были прекращены в связи со свертыванием советской лунной программы.
Всего же с 1970 по 2010 годы в мире было проведено примерно 17 тысяч высокоточных сеансов лазерной локации. Большинство из них было связано с уголковым отражателем “Аполонна-15” (как говорилось выше, он является наиболее совершенным - с рекордным количеством призм):
Из 40 обсерваторий, способных выполнять лазерную локацию Луны лишь несколько могут выполнять высокоточные измерения:
Большинство сверхточных измерений выполнено на 2-метровом телескопе в техасской обсерватории имени Мак Дональда:
В то же время наиболее точные измерения выполняет инструмент APOLLO, который был установлен на 3.5-метровом телескопе обсерватории Апач Пойнт в 2006 году. Точность его измерений достигает одного миллиметра:
Эволюция системы Луна и Земля
Главной целью всё более точных измерений расстояния до Луны являются попытки более глубокого понимания эволюции орбиты Луны в далеком прошлом и в отдаленном будущем. К настоящему времени астрономы пришли к выводу, что в прошлом Луна находилась в несколько раз ближе к Земле, а так же обладала значительно более коротким периодом вращения (то есть не была приливно захваченной). Этот факт подтверждает импактную версию образования Луны из выброшенного вещества Земли, которая преобладает в наше время. Кроме того, приливное воздействие Луны приводит к тому, что скорость вращения Земли вокруг своей оси постепенно замедляется. Скорость этого процесса составляет увеличение земных суток каждый год на 23 микросекунды. За один год Луна отдаляется от Земли в среднем на 38 миллиметров. Оценивается, что в случае если система Земля-Луна переживет превращение Солнца в красный гигант, то через 50 миллиардов лет земные сутки сравняются с лунным месяцем. В результате Луна и Земля будут всегда повернуты к друг другу только одной стороной, как сейчас наблюдается в системе Плутон-Харон. К этому времени Луна отдалится до, примерно, 600 тысяч километров, а лунный месяц увеличится до 47 суток. Кроме того, предполагается, что испарение земных океанов через 2.3 миллиардов лет приведет к ускорению процесса удаления Луны (земные приливы значительно тормозят процесс).
Кроме того, расчеты показывают, что в дальнейшем Луна снова начнет сближаться с Землей по причине приливного взаимодействия с друг другом. При приближении к Земле на 12 тысяч км Луна будет разорвана приливными силами, обломки Луны образуют кольцо наподобие известных колец вокруг планет-гигантов Солнечной Системы. Другие известные спутники Солнечной Системы повторят эту судьбу гораздо раньше. Так Фобосу отводят 20-40 миллионов лет, а Тритону около 2 миллиардов лет.
Каждый год расстояние до земного спутника возрастает в среднем на 4 см. Причины - движение планетоида по спиральной орбите и постепенно падающая мощность гравитационного взаимодействия Земли и Луны.
Между Землей и Луной теоретически можно разместить все планеты Солнечной системы. Если сложить диаметры всех планет, включая Плутон, то получится величина в 382 100 км.
Начнём с того что ещё в 1695 году великий учёный Эдмунд Галлей заметил, что записи, которые были оставлены более ранними учёными, о времени и местах солнечных затмений, не совпадали с расчетными. Галлей используя современную информацию о затмениях, движении Луны и Солнца, ссылаясь на новый универсальный закон тяготения Исаака Ньютона (1687г.), расчитал,
точные места и время где должны были происходить затмения в древности, а после этого сравнил полученные результаты с данными по затмениям, которые действительно наблюдались более чем на 2000 лет раньше. Как выяснилось они не совпали. Галлей не сомневался в верности закона тяготения Ньютона и не поддался искушению заключить, что сила притяжения изменилась с течением времени. Вместо этого он сделал предположение, что должно быть длинна Земного дня немного увеличилась с тех времен.
Если вращение Земли действительно немного замедлилось, то для сохранения общего момента импульса в системе Земля Луна необходимо чтобы Луна получила дополнительный момент импульса. Такая передача момента импульса Луне соответствует ее движению по слабо раскручивающейся спирали с постепенным удалением от Земли и с соответствующим замедлением орбитального движения. Если 2000 лет назад земной день действительно был немного короче, Земля вращалась вокруг своей оси немного быстре, орбита Луны была немного ближе а Луна двигалась по ней чуть быстрее, то теоретические предсказания и исторические наблюдения замений совпадают. Вскоре ученые поняли, что Галлей прав.
Что же может вызывать такое замедление вращения Земли? Это приливы и отливы. Приливы и отливы
Гравитационное воздействие Земли на Луну и наоборот довольно велико. Разные части, скажем, Земли по разному подвергаются притяжению Луны: сторона, повернутая к Луне, — в большей степени, обратная сторона — в меньшей, так как дальше находится от нашего спутника. В результате, разные части Земли стремятся прийти в движение в направлении Луны с разными скоростями. Поверхность, обращенная к Луне, вздувается, центр Земли смещается меньше, а противоположная поверхность вовсе отстает, и с этой стороны тоже образуется вздутие — из-за «отставания». Земная кора деформируется неохотно, на суше приливных сил мы не замечаем. А вот про изменение уровня моря, про приливы и отливы, слышали все. Вода поддается воздействию Луны, образуя приливные горбы на двух противоположных сторонах планеты. Вращаясь, Земля «подставляет» Луне разные свои стороны, и приливной горб перемещается по поверхности. Такие деформации земной коры вызывают внутреннее трение, которое тормозит вращение нашей планеты. Раньше она вращалась гораздо быстрее. Луна еще больше подвергнута влиянию приливных сил, ведь Земля гораздо массивнее и больше. Скорость вращения Луны настолько замедлилась, что она покорно повернулась к нашей планете одной стороной, и приливной горб не бежит более по лунной поверхности.
Воздействие этих двух тел друг на друга приведет в отдаленном будущем к тому, что и Земля, в конце концов, повернется к Луне какой-то одной стороной. Кроме того, приливные силы, вызванные близостью Земли, а также влиянием Солнца, тормозят движение Луны и по орбите вокруг Земли. Замедление сопровождается удалением Луны от центра Земли. В итоге, это может привести к потере Луны…
Во время экспедиций миссии Аполон на Луну в 1969-1972 годах, на поверхности луны были размещены 3 отражателя лазерного излучения. С тех пор ученым стал доступен способ очень точного определения расстояния до нашего спутника. Если послать с земли на лунный отражатель мощный лазерный сигнал и с достаточной точностью измерить время через которое он вернется, то можно определить расстояние до Луны с ошибкой не превышающей одного сантиметра. По данным таких экспериментов, Луна удаляется от Земли на 3.8 сантиметра в год. Вот так.
Вызывает сомнения древний возраст Луны и в связи с другим параметром ее орбиты — наклоном. В настоящее время он изменяется от 18 до 28 градусов. А каков был первоначальный наклоном лунной орбиты в случае удаления Луны от Земли в течение 4,6 миллиардов лет? Для упрощения задачи будем считать, что Луна одновременно вращается вокруг двух взаимно перпендикулярных осей — оси вращения Земли (экваториальное вращение) и оси совпадающей с экваториальным диаметром Земли (полярное вращение). Приливное трение по-разному воздействует на изменение этих орбит — радиус полярного вращения, в отличие от радиуса экваториального вращения не увеличивается, а уменьшается (примерно в 30 раз медленнее). Это значит, что за то время пока радиус экваториального вращения увеличился на 300 с лишним тысяч км, полярный радиус уменьшился почти на 10 тысяч км и первоначально был порядка 130 — 190 тысяч км. Если бы Луна образовалась 4,6 млрд. лет тому назад, то она, изначально, должна была находиться на очень высокой полярной орбите вокруг Земли.
Вывод искусственного спутника Земли на полярную орбиту требует намного больших затрат энергии, чем аналогичный вывод на экваториальную орбиту (именно поэтому космодромы стараются строить поближе к экватору), т.к. высокая экваториальная скорость несколько уменьшает скорость на которую необходимо разогнать запускаемый объект.
В случае же, предполагаемом официальной версией образования Луны, экваториальная скорость Земли была в 6 раз выше, чем сейчас (момент импульса у Луны в десятки раз больше чем у Земли, что дает продолжительность земных суток в момент образования Луны около 4 часов). Это позволило авторам гипотезы значительно снизить массу ударника, а, соответственно, и его размеры до марсоподобного уровня. Если же 4,6 миллиарда лет тому назад орбита Луны была полярной, то преимущества высокой экваториальной скорости Земли улетучиваются, и опять возникает необходимость значительного увеличения массы ударника. Чтобы не делать этого, авторы гипотезы значительно увеличивают первоначальный наклон оси вращения Земли, в результате чего выброс вещества происходит в экваториальной плоскости, а Луна оказывается на высокой полярной орбите. Правда, при этом остается непонятным, что впоследствии заставило Землю столь кардинально поменять угол наклона оси своего вращения.
Впрочем, на этом проблемы с полярной орбитой Луны не заканчиваются. Такая орбита предполагает и собственное вращение Луны сразу же после ее образования вокруг совершенно другой оси, чем та вокруг которой она вращается теперь! Луна должна была вращаться практически перпендикулярно современной оси ее вращения. Какие силы заставили ее прекратить вращение вокруг этой оси? Даже если считать, что в дальнейшем она изменила наклон оси вращения за счет приливного трения, то, все равно, должен был остаться значительный наклон оси вращения Луны по отношению к современной орбите Луны, которого нет, иначе бы мы имели возможность наблюдать Луну со всех сторон.
Мы привыкли к тому, что Луна — спутник Земли. Однако будет ли так всегда? По мнению генерального директора Центрального научно-исследовательского института машиностроения Геннадия Райкунова, наше ночное светило может рано или поздно покинуть земную орбиту и стать самостоятельной планетой. В таком случае Земля превратится в безжизненную пустыню…
Райкунов уверяет, что Луна вполне может повторить судьбу Меркурия, который, как предполагается, когда-то был спутником Венеры, но затем "улетел" от нее. После этого условия на Венере стали непригодными для жизни, несмотря на то что это планета земного типа.
"Луна тоже каждый год отходит от Земли, и когда-то, по всей видимости, если не случится обратных процессов, она должна Землю покинуть, — такое заявление сделал директор ЦНИИмаш на проходящем авиасалоне в Бурже. — Не получится ли так, что Земля пойдет по пути Венеры, когда образуются условия, не пригодные для существующих форм жизни — агрессивная атмосфера, огромное давление, парниковый эффект и т.д.?"
По словам ученого, сейчас проводятся космические исследования, которые помогут выяснить, изменятся ли условия жизни на нашей планете, если она утратит свой естественный спутник, и каким образом можно предотвратить худший вариант развития событий.
Геннадия Райкунова уже давно волнует судьба Луны. Ранее он назвал спутник "седьмым континентом" и заявил, что необходимо создать на нем постоянно функционирующую базу, сотрудники которой будут заниматься исследованиями и использованием ресурсов этого небесного тела.
Сейчас Луна движется вокруг Земли по орбите, близкой к эллиптической, против часовой стрелки (если смотреть со стороны Северного полюса) со средней скоростью 1,02 километра в секунду. На самом деле движение нашего естественного спутника представляет собой довольно сложный процесс, на который влияют различные возмущения, обусловленные притяжением Солнца, планет и сплюснутой формой Земли. Насколько же вероятен сценарий развития событий, предложенный Райкуновым?
Научный сотрудник Государственного астрономического института имени Штернберга МГУ (ГАИШ) Сергей Попов подтвердил, что Луна действительно удаляется от Земли, но очень медленно — скорость удаления составляет около 38 миллиметров в год. "За несколько миллиардов лет период обращения Луны просто вырастет в полтора раза, и все, — заявил Попов. — Луна не может совсем уйти. Ей негде взять энергию для того, чтобы сбежать".
Как утверждает Сурдин, под влиянием солнечных приливов (движения водных масс, вызванного притяжением не Луны, а Солнца. — Ред. ) скорость вращения нашей планеты постепенно уменьшается, а скорость удаления спутника будет постепенно снижаться. Примерно через пять миллиардов лет радиус лунной орбиты достигнет максимального значения — 463 тысячи километров, а продолжительность земных суток увеличится до 870 часов.
"Утверждение "Луна может покинуть орбиту Земли и превратиться в планету" неверно, — прокомментировал Владимир Сурдин слова своего коллеги Райкунова. — Солнечные приливы будут продолжать тормозить Землю. Но теперь уже Луна будет опережать вращение Земли, и приливное трение начнет тормозить ее движение. В результате Луна станет приближаться к Земле, правда очень медленно, так как сила солнечных приливов невелика".
Но, даже если представить себе, что Луна больше не является спутником Земли, это еще не превратит нашу планету в подобие безжизненной Венеры, считают ученые. Так, заведующий лабораторией сравнительной планетологии Института геохимии и аналитической химии имени Вернадского РАН Александр Базилевский прокомментировал: "На условиях на поверхности Земли уход Луны мало скажется. Не будет приливов и отливов (они в основном, лунные), и ночи будут безлунными. Переживем".
Не совсем согласны коллеги Райкунова и с его утверждением относительно того, что Меркурий был когда-то спутником Венеры. "Расчеты показали, что это возможно, что, однако, не доказывают, что так оно и было", — заявил Базилевский. К тому же, считает он, развитие Земли и Венеры не может идти одинаковыми путями, так как в венерианской атмосфере наблюдается повышенное содержание тяжелого изотопа водорода — дейтерия.
"Это может быть связано с тем, что на Венере когда-то было сравнительно много воды. При разложении воды в верхних слоях атмосферы на водород и кислород легкий изотоп водорода убегал в космос быстрее тяжелого, и получилась наблюдаемая аномалия, — говорит ученый. — Но не факт, что на поверхности Венеры была жидкая вода, а не пар в атмосфере, то есть не факт, что не было там так же жарко, как сейчас".
Сейчас Луна удаляется от Земли. Но когда день и месяц сравняются, начнёт приближаться. Упадёт Луна на Землю или нет?
Какое будущее у системы Земля-Луна? Если экстраполировать современные данные о скорости удаления Луны, то можно сделать такой вывод. Продолжительность суток и месяца будет всё время увеличиваться. При этом сутки будут расти быстрее, чем месяц, и в отдалённом будущем они сравняются. В результате Луна будет всегда видна только с одной стороны Земли.
Система, в которой планета и спутник всё время «смотрят» друг на друга одной и той же стороной, уже есть в Солнечной системе. Это Плутон и Харон. Это самое устойчивое состояние в системе ДВУХ тел. Но Земля находится значительно ближе к Солнцу. Приливные силы со стороны Солнца также тормозят вращение Земли: амплитуда солнечных приливов всего в два с небольшим раза меньше лунных. Поэтому после того, как Земля и Луна будут вращаться синхронно, Солнце будет продолжать тормозить вращение Земли. Земля начнёт вращаться вокруг своей оси МЕДЛЕННЕЕ, чем Луна по орбите. И это означает, что Луна будет находиться НИЖЕ синхронной орбиты. Следовательно, она начнёт падать на Землю.
Закончится ли всё это грандиозной катастрофой в истории Земли?
Хороший сценарий для фильма ужасов: Луна приближается всё ближе, и остановить её невозможно. Ведь если спутник оказывается ниже синхронной орбиты, то начинается его необратимое падение. Или нет?
Спутник, находящийся ниже синхронной орбиты, «упадёт» на планету, а, находящийся выше – «улетит» от неё. Правда, здесь есть существенное уточнение. Это произойдет только при условии, что скорость вращения планеты будет оставаться постоянной. Для маленьких спутников это так. А для больших? При какой массе спутника его уже можно считать большим?
Ответ прост: если орбитальный момент импульса спутника сравним по величине с собственным моментом импульса планеты. В этом случае удаление или приближение спутника будет существенно изменять скорость вращения планеты.
Простой расчёт показывает, что в системе Земля-Луна бОльшая часть общего момента импульса приходится именно на Луну, а не на Землю. Действительно, момент импульса Земли равен:
Здесь I = 0,33 – безразмерный момент инерции Земли, M – её масса, R – экваториальный радиус, V – линейная скорость на экваторе.
Орбитальный момент Луны равен:
Здесь m – масса Луны, r – средний радиус её орбиты, v – орбитальная скорость.
Масса Луны в 80 раз меньше Земли, её орбитальный радиус в 60 раз больше радиуса Земли, а орбитальная скорость (1 км/сек) больше экваториальной скорости вращения Земли (500 м/сек) в 2 раза. Следовательно, орбитальный момент Луны примерно в четыре раза превосходит момент вращения Земли. Поэтому Луна, ни при каких условиях, упасть на Землю не сможет, даже если в отдалённом будущем она окажется на синхронной орбите.
В качестве примера предположим, что Луна находится на современной орбите, а Земля вообще не вращается вокруг своей оси. В этом случае кинетическая энергия будет передаваться от Луны к Земле. Земля постепенно начнёт вращаться, а Луна будет приближаться к ней: падать на Землю. Но не упадёт.
Насколько Луна приблизится к Земле?
Орбитальный момент импульса пропорционален радиусу орбиты и скорости. Орбитальная скорость обратно пропорциональна корню квадратному из радиуса. Поэтому орбитальный момент пропорционален корню квадратному из радиуса. Если радиус орбиты уменьшится на два процента, то момент уменьшится на один процент. И этот процент в силу сохранения передастся Земле. Учитывая, что современный период вращения Земли в одни сутки соответствует 25 процентам лунного орбитального момента, то одному проценту будет соответствовать период в 25 суток. Этот период будет короче лунного месяца, который в силу третьего закона Кеплера уменьшится только на три процента и составит примерно 28 дней. То есть Земля будет вращаться БЫСТРЕЕ, чем Луна. Следовательно, Луна НЕ сможет приблизиться к Земле даже на 2 процента, а приблизится чуть меньше.
Будущее системы Земля-Луна в общих чертах такое.
Сначала Луна будет продолжать удаляться от Земли, получая от неё момент импульса. Но момента импульса у Земли осталось не так много – 25% от орбитального момента импульса Луны. Поэтому максимум, что может получить Луна – это увеличить свой момент импульса на 25%. Радиус её орбиты при этом возрастёт в 1,5 раза (1,25 в квадрате). А лунный месяц увеличится примерно 2 раза (по Третьему закону Кеплера нужно 1,5 возвести в степень 3/2) и составит 60 дней. Соответственно, земные сутки также возрастут до 60 дней. Это МАКСИМАЛЬНОЕ расстояние, на которое Луна может удалиться от Земли.
Сколько времени понадобится Луне, чтобы отойти от Земли на это расстояние (половина радиуса её современной орбиты)?
Расстояние до луны 380 тыс. км, скорость удаления 3,8 см/год. Нетрудно подсчитать, что половину радиуса Луна пройдёт за пять миллиардов лет, если будет удаляться с постоянной скоростью. Но скорость удаления будет постепенно уменьшаться. Так что придётся накинуть ещё несколько миллиардов лет.
Что будем потом?
Солнце продолжит тормозить вращение Земли (солнечные приливы).
Но как только вращение Земли замедлится, Луна чуть-чуть приблизится и вращение снова ускорится. Солнце опять его затормозит, а Луна снова приблизится и ускорит и так далее. Земле в каком-то смысле повезло с Луной. В пору своей молодости, когда наша планета вращалась очень быстро, она передала свой импульс Луне и таким образом сохранила его. Ведь под действием лунных приливов момент импульса Земли не теряется, а только перераспределяется в системе Земля-Луна. А под действием более слабых солнечных приливов теряется. Но эти приливы могут забрать момент импульса только у Земли. Но уже давно основная часть момента импульса системы Земля-Луна сосредоточена в орбитальном движении Луны. И солнечные приливы ничего сделать с ним не могут. Земля отдала львиную долю своего вращения Луне, и там эта доля пребывает в целости и сохранности. А спустя многие миллиарды лет Луна будет постепенно возвращать вращение Земле.
Мы знаем строение солнечной системы, где в центре находится наше светило Солнце - источник энергии и жизни на Земле. Солнце огромное, по массе примерно оно равно 333000 массам Земли, в радиусе - 109 радиусам Земли. Все планеты вращаются вокруг Солнца и почти у каждой планеты есть свои спутники. Наша Земля третья планета по счету от Солнца и имеет один естественный спутник - Луну. Образовалась эта пара Земля - Луна примерно 4.5 миллиарда лет назад.
Существует три гипотезы происхождения и возникновения Луны:
1 Гипотеза:
Её выдвинул Дж. Дарвин в конце века. Согласно этой гипотезе Луна и Земля первоначально составляли одну общую расплавленную массу, скорость вращения, увеличивалась по мере её остывания и сжатия, в результате эта масса разбивалась на две части. Малую - Луну, большую - Земля. Эта гипотеза объясняет малую плотность Луны, образованная из внешних слоев первоначальной массы. Но встречается серьезное возражение с точки зрения существующих геохимических различий между породами Земной оболочки и лунными породами.
2 Гипотеза:
Гипотеза захвата, разработанная немецким ученым К. Вейцзеккером, шведским ученым Х. Альфвеном и американским ученым Г. Юри, предполагает, что Луна первоначально была малой планетой, которая при прохождении вблизи Земли в результате воздействия тяготения последней превратилась в спутник Земли.
Вероятность такого события весьма мала, и, кроме того, в этом случае следовало бы ожидать большего различия земных и лунных пород.
3 Гипотеза:
Согласно третьей гипотезе, разрабатывавшейся советскими учеными - О. Ю. Шмидтом и его последователями в середине 20 века, Луна и Земля образовались одновременно путем объединения и уплотнения большого роя мелких частиц. Но Луна в целом имеет меньшую плотность, чем Земля, поэтому вещество протопланетного облака должно было разделиться с концентрацией тяжелых элементов в Земле. В связи с этим возникло предположение, что первой стала формироваться Земля, окруженная мощной атмосферой, обогащенной относительно летучими силикатами; при последующем охлаждении вещество этой атмосфере сконденсировалось в кольцо планетезималей, из которых и образовалась Луна.
Последняя гипотеза на современном уровне знаний (70-е годы 20 века) представляется наиболее предпочтительной.
В настоящее время Луна находится от нас на расстояние 3,844*108 м. Результаты измерений показывают, что Луна удаляется ежегодно в среднем на 4 см, а это приводит к замедление Луны вокруг Земли. Поэтому уже сейчас можно предположить, что со временем Луна станет ближе к Солнцу и первая попадает в жаркие объятия его.
Астроном из США, Ли Анна Уилсон из университета в Айове, изучая судьбу Луны, посчитала, что со временем один оборот вокруг Земли она будет совершать не 27,32 суток, как сейчас, а за большое время. Орбита Луны нарушится, она будет быстрее притягиваться Солнцем, слабее Землёй пока не попадет в точку, где силы гравитации и силы притяжении Солнца будут разрывать её на части. Луна потрескается и развалится на куски, т. е. наш спутник закончит своё существование в виде кольца обломках вращающихся вокруг Земли. Это кольцо будет похоже на кольцо Сатурна.
По предварительным подсчетам ученых, поживет это кольцо не долго и в конце «прольется дождем», т. е. осыпается на нашу Землю - сначала мелкие частицы, а затем и, те, что крупнее.
Если действительно до этого дойдет дело, то и наша Земля пойдет по Солнцу, но возможны и другие альтернативные варианты. Земля, лишившееся своего спутника - Луна, будет лет в одиночестве вращаться около Солнца. И многое зависит от самого светила - Солнца, ведь оно тоже все время будет меняться. Все эти варианты гипотетические, а мы предполагаем, посмотреть на этот факт с другой стороны.
