Познавательные факты
Почему мы видим только одну сторону Луны
Replyon.net
Если наблюдать за Луной месяцами или даже годами, на её поверхности будут оставаться всё те же знакомые тёмные пятна и светлые области.
Луна движется по небу, меняет фазы, становится серпом и снова превращается в полный диск, но её поверхность практически не поворачивается к нам другой стороной.
Из этого легко сделать вывод, что Луна просто не вращается вокруг своей оси. Но это одна из самых распространённых ошибок. На самом деле Луна вращается. Более того, именно благодаря вращению мы постоянно видим одну и ту же её сторону.
Луна совершает один оборот вокруг собственной оси практически за то же время, за которое делает один оборот вокруг Земли, примерно за 27,3 суток. Такое совпадение называется синхронным вращением, а возникло оно вследствие приливного взаимодействия Земли и Луны.
И это не уникальная особенность нашего спутника. Приливный захват настолько распространён, что в подобном состоянии находятся все крупные спутники планет Солнечной системы.
Луна всё-таки вращается вокруг своей оси
Проще всего понять это с помощью мысленного эксперимента. Представим, что Луна действительно перестала вращаться вокруг своей оси. Нарисуем на её поверхности большую стрелку, направленную в сторону Земли.
Луна начинает двигаться по орбите. Через четверть оборота стрелка продолжит смотреть в первоначальном направлении пространства, а Земля окажется уже сбоку от неё. Через половину орбиты к Земле будет обращена противоположная сторона Луны.
А за полный оборот вокруг нашей планеты земной наблюдатель успел бы увидеть всю лунную поверхность. Но в действительности этого не происходит.
Пока Луна движется вокруг Земли, она одновременно медленно поворачивается вокруг собственной оси. Через четверть орбиты она поворачивается примерно на четверть оборота, через половину, на половину, а после прохождения всей орбиты совершает полный оборот вокруг оси.
Поэтому одна и та же сторона всё время остаётся направленной к Земле. NASA приводит очень наглядное сравнение с танцором, который обходит партнёра по кругу, постоянно оставаясь к нему лицом. Чтобы это получилось, танцору неизбежно приходится одновременно поворачиваться вокруг себя.
С Луной происходит практически то же самое.
Сколько времени Луна делает один оборот
Один оборот Луны вокруг Земли относительно далёких звёзд занимает приблизительно 27,3 суток. И один оборот Луны вокруг собственной оси занимает примерно столько же. Именно равенство этих двух периодов и является ключом к разгадке.
NASA приводит значение орбитального периода около 27,322 суток и объясняет, что за каждый оборот вокруг Земли Луна один раз поворачивается вокруг своей оси. Но здесь возникает ещё один вопрос.Если Луна обходит Землю за 27,3 суток, почему от одного полнолуния до следующего проходит примерно 29,5 суток? Потому что за время движения Луны сама Земля успевает заметно продвинуться по своей орбите вокруг Солнца.
Луне приходится пройти немного дальше, чтобы Солнце, Земля и Луна снова заняли такое же взаимное положение. Поэтому существуют два разных периода: примерно 27,3 суток относительно звёзд и около 29,5 суток между одинаковыми лунными фазами.
Почему периоды вращения так точно совпали
На первый взгляд кажется невероятным совпадением. Почему Луна не вращается чуть быстрее или медленнее? Почему один оборот вокруг оси оказался практически равен одному обороту вокруг Земли? Потому что это не случайное совпадение.
За миллиарды лет гравитационное взаимодействие Земли и Луны изменило вращение спутника. Земля притягивает разные части Луны с немного разной силой. Ближняя к Земле сторона находится немного ближе и поэтому испытывает несколько более сильное притяжение, чем дальняя.
Из-за этого возникает приливная деформация.
Сегодня твёрдая Луна тоже немного деформируется под действием земной гравитации, приливные силы создают на её ближней и дальней сторонах выпуклости высотой порядка 51 сантиметра. В молодой, более горячей и менее твёрдой Луне эффект был значительно сильнее.
И именно эта деформация сыграла важнейшую роль в изменении её вращения.
Как Земля затормозила вращение Луны
В далёком прошлом Луна вращалась иначе. Считается, что вскоре после образования она была значительно горячее, находилась ближе к Земле и вращалась быстрее, чем сегодня. Гравитация Земли вытягивала Луну вдоль направления на нашу планету.
Но поскольку Луна вращалась, возникшая деформация не успевала идеально следовать за направлением на Землю. Внутреннее трение и деформация рассеивали механическую энергию в виде тепла. Это постепенно тормозило вращение.
Процесс продолжался до тех пор, пока скорость вращения Луны не пришла к устойчивому состоянию, один оборот вокруг оси за один оборот вокруг Земли.Теперь одна и та же вытянутая сторона в среднем направлена к нашей планете, и механизм дальнейшего сильного приливного торможения вращения практически прекратился. Именно такое состояние описывается как синхронный приливный захват.
Таким образом, Земля не удерживает Луну неподвижно каким-то постоянным «гравитационным крючком». Она постепенно изменила её вращение в течение огромного промежутка времени.
Что такое приливный захват
Это явление называется приливным захватом. Оно возникает не только у Луны. Если два небесных тела достаточно долго взаимодействуют гравитационно, приливные силы способны постепенно изменять их вращение. Особенно часто это происходит со спутниками планет.
Все крупные спутники Солнечной системы приливно захвачены своими планетами. Для достаточно массивных спутников синхронизация могла произойти сравнительно рано в их истории. Поэтому ситуация с нашей Луной не является космической случайностью.
Напротив, с точки зрения небесной механики она довольно закономерна.
Почему Земля тогда не повернулась к Луне одной стороной
Гравитационное взаимодействие работает в обе стороны. Луна создаёт приливы на Земле, а Земля создаёт приливные деформации на Луне. И вращение нашей планеты тоже постепенно замедляется.
Часть энергии вращения Земли рассеивается вследствие приливного взаимодействия, а часть углового момента системы передаётся орбитальному движению Луны. В результате спутник постепенно удаляется от Земли.
Современная скорость удаления примерно около 3,8 сантиметра в год.Теоретически приливная эволюция могла бы привести к состоянию, когда и Земля постоянно была бы обращена к Луне одной стороной. Подобная ситуация уже существует в системе Плутон — Харон, оба тела приливно захвачены друг относительно друга.
Для Земли и Луны этот процесс потребовал бы чрезвычайно большого времени, порядка 50 миллиардов лет для достижения взаимного приливного захвата при условии, что система могла бы существовать неизменной так долго.
На практике Солнце изменится гораздо раньше, поэтому такой финал системы Земля — Луна реализоваться не успеет.
Значит, мы действительно видим ровно 50% Луны?
Вот здесь появляется ещё один интересный нюанс. Несмотря на выражение «мы видим одну сторону Луны», за достаточно длительное время с Земли можно рассмотреть немного больше половины её поверхности. Причина либрация.
Если наблюдать Луну много ночей подряд и точно совместить фотографии, будет заметно, что она словно слегка покачивается, то немного поворачивается вправо и влево, то показывает чуть больше северного или южного края. Это не означает, что синхронное вращение нарушилось.
Главная причина продольной либрации заключается в том, что орбита Луны не является идеальной окружностью. Скорость движения по эллиптической орбите меняется, тогда как вращение вокруг оси происходит значительно равномернее.
Из-за небольшого рассогласования мы периодически заглядываем чуть дальше за восточный или западный край.
Есть и либрация по широте, связанная с наклоном оси вращения Луны относительно её орбиты. В результате с Земли со временем доступно для наблюдения не ровно 50%, а примерно 59% поверхности Луны.Оставшаяся область никогда непосредственно с Земли не видна.
Обратная сторона Луны — не тёмная
Ещё одно чрезвычайно распространённое выражение «тёмная сторона Луны». С астрономической точки зрения оно вводит в заблуждение. Обратная сторона Луны вовсе не находится в вечной темноте.
Солнце освещает её точно так же, как видимую сторону. У Луны постоянно имеется освещённая Солнцем половина и ночная половина, но по мере вращения спутника эти области перемещаются по поверхности. Во время полнолуния Солнцем практически полностью освещена обращённая к Земле сторона.
Во время новолуния происходит противоположное, обращённая к Земле сторона в основном тёмная, зато обратная сторона освещена Солнцем. Поэтому правильнее говорить, видимая сторона Луны и обратная сторона Луны, а не светлая и тёмная.
Сколько длится день на Луне
Здесь легко запутаться из-за разных значений периода. Если под лунными сутками понимать промежуток от одного солнечного полудня до следующего, они продолжаются примерно 29,5 земных суток.
Поэтому конкретная точка на поверхности Луны проводит примерно две земные недели при солнечном свете, а затем примерно две недели в темноте, около 327,5 часа солнечного освещения и 327,5 часа темноты для точки на поверхности, что примерно по 13,6 земных суток на каждую половину цикла.
И всё это ещё раз показывает, почему понятие «вечной тёмной стороны» неверно. Солнце восходит и заходит и на обратной стороне Луны.
Почему две стороны Луны так сильно отличаются
На видимой стороне легко заметить огромные тёмные пятна. Это лунные моря, древние ударные бассейны, впоследствии заполненные застывшей базальтовой лавой. Именно их расположение создаёт знакомый рисунок «лица» Луны.
На обратной стороне таких обширных тёмных равнин значительно меньше. Там гораздо сильнее доминирует светлая, древняя и густо покрытая кратерами поверхность. Современные изображения особенно хорошо демонстрируют этот контраст.
Причины столь сильной асимметрии Луны сложны и продолжают исследоваться. Они связаны с различиями в строении коры, тепловой эволюцией спутника и историей гигантских столкновений. Но сам факт выглядит удивительно: половина ближайшего к нам небесного тела, которую человечество не видело до 1959 года, оказалась заметно непохожей на знакомую сторону.
Можно ли увидеть Землю с обратной стороны Луны
Практически нет. Если находиться примерно в центральной области видимой стороны Луны, Земля будет постоянно находиться в одной и той же части неба, лишь немного перемещаясь вследствие либраций. А если перейти на центральную часть обратной стороны, Земля окажется за Луной.
С обращённой к Земле стороны наша планета постоянно присутствовала бы в небе, а с противоположной стороны её не было бы видно вообще. Это создаёт серьёзную техническую проблему для аппаратов на обратной стороне, сама Луна перекрывает прямую радиосвязь с Землёй.
Поэтому для таких миссий могут использоваться спутники-ретрансляторы, способные поддерживать связь между Землёй и аппаратами, скрытыми за Луной.
Получается любопытный эффект приливного захвата, одна сторона Луны уже миллиарды лет практически постоянно «смотрит» на Землю, а с большей части другой стороны наша планета вообще никогда не поднимается над горизонтом.
Что было бы, если бы Луна перестала вращаться
Этот мысленный эксперимент окончательно объясняет всё явление. Допустим, мы каким-то образом остановили только вращение Луны вокруг собственной оси, но оставили её движение вокруг Земли. Вначале всё выглядело бы привычно.
Но по мере движения спутника знакомые моря и кратеры начали бы уходить к краю диска. С другой стороны постепенно появлялись бы участки, которые сейчас относятся к обратной стороне. Через половину орбиты перед нами оказалась бы сторона, которую сегодня с Земли увидеть невозможно.
А после полного оборота весь цикл повторился бы. Иными словами, если бы Луна не вращалась вокруг своей оси, мы видели бы все её стороны. Постоянство знакомого лунного «лица» является не доказательством отсутствия вращения, а, наоборот, следствием его очень точно синхронизированной скорости.
Ссылки по теме:
