14. Луна и её влияние на Землю

Определения и обозначения

Луна — естественный спутник Земли, обращающийся вокруг неё по эллиптической орбите. Её диаметр составляет около 3476 км, а среднее расстояние от Земли — примерно 384 400 км. Луна вращается вокруг оси почти за то же время, за которое обходит Землю, поэтому обычно обращена к нам одной стороной. Эти характеристики помогают понять, почему Луна видна на небе и как её движение связано с наблюдаемыми явлениями.

Фаза Луны — видимая с Земли часть лунного диска, освещённая Солнцем. Сам диск не меняет форму: меняется угол, под которым мы видим освещённое полушарие. В новолуние освещённая сторона обращена преимущественно от нас, а в полнолуние — к нам. Понятие фазы позволяет описывать последовательные изменения вида Луны.

Сидерический месяц — время, за которое Луна совершает полный оборот вокруг Земли относительно далёких звёзд; он длится примерно 27,3 суток. Это период движения по орбите, измеренный по возвращению Луны к прежнему положению на фоне звёзд. Он нужен, чтобы описывать орбитальное движение спутника независимо от освещения Солнцем.

Синодический месяц — промежуток между двумя одинаковыми фазами Луны, например между полнолуниями; он составляет около 29,5 суток. Для его отсчёта важно, чтобы Луна снова заняла прежнее положение относительно Земли и Солнца. Этот период используют, когда говорят о повторении фаз и составляют лунные календари.

Как это устроено

Луна кажется светящейся, потому что её поверхность отражает солнечные лучи; собственного заметного видимого света она не излучает. Солнце в каждый момент освещает примерно половину лунного шара. Луна движется вокруг Земли, поэтому направление на освещённую половину меняется относительно наблюдателя. Мы видим то малую часть освещённой стороны, то почти всю её, хотя форма самой Луны остаётся почти неизменной.

Сидерический месяц короче синодического: за 27,3 суток Луна возвращается к прежнему положению относительно звёзд, но не к прежнему положению относительно Солнца. За это время Земля успевает продвинуться по своей орбите. Луне требуется дополнительное время, чтобы снова оказаться на линии, соответствующей той же фазе. Поэтому полный цикл фаз длится около 29,5 суток.

Затмение возникает, когда Солнце, Земля и Луна оказываются почти на одной прямой и одно тело попадает в тень другого. При солнечном затмении Луна находится между Солнцем и Землёй, а её тень достигает земной поверхности. При лунном затмении Земля расположена между Солнцем и Луной, и Луна проходит через земную тень. Затмения не случаются каждый месяц, потому что плоскость лунной орбиты наклонена к плоскости земной орбиты примерно на 5°: чаще всего тела проходят выше или ниже нужной линии.

Приливы возникают из-за гравитационного притяжения Луны и Солнца, которое неодинаково для разных частей Земли. Луна сильнее притягивает ближнюю к ней сторону Земли, чем её центр, а дальнюю — слабее; в результате возникают два приливных подъёма воды. Вращение Земли переносит разные участки океана через эти области, поэтому во многих местах наблюдаются чередования приливов и отливов. Их высота и время зависят также от положения Солнца, формы берегов и глубины океана.

Приливное взаимодействие передаёт часть вращательной энергии Земли движению Луны. Из-за этого вращение Земли постепенно замедляется, а Луна медленно удаляется от нашей планеты. Эффект очень мал за короткое время, но на больших промежутках становится заметным. Значит, приливы меняют не только уровень океана, но и движение небесных тел.

Основные явления, связанные с Луной

Таблица помогает сопоставить причину каждого явления с необходимым расположением небесных тел. Для затмений особенно важны взаимное положение тел и прохождение Луны рядом с узлами орбиты — местами пересечения её орбиты с плоскостью эклиптики. Приливы, в отличие от затмений, повторяются регулярно, но их проявления зависят от местных условий побережья.

Разбор задач

Задача 1. Луна находится примерно между Землёй и Солнцем, а обращённая к Земле сторона почти не освещена. Требуется определить фазу. Сначала устанавливаем, с какой стороны Луны находится Солнце относительно наблюдателя на Земле. Затем определяем, какая доля освещённой половины видна с Земли.

1. Солнце освещает половину Луны, обращённую к нему.
2. Когда Луна находится между Землёй и Солнцем, освещённая сторона направлена в основном от земного наблюдателя.
3. Значит, видимая сторона почти тёмная, и начинается цикл от новолуния.

Ответ: новолуние. При точном совпадении направлений возможно солнечное затмение, но само новолуние ещё не означает, что затмение обязательно произойдёт.

Задача 2. Сидерический месяц длится 27,3 суток, а синодический — 29,5 суток. Нужно объяснить разницу и назвать объект, относительно которого измеряют каждый период. Сравнивать следует не только длительность, но и то, к какому ориентиру возвращается Луна. Звёзды и направление на Солнце дают разные точки отсчёта.

1. Сидерический месяц отсчитывают по возвращению Луны к прежнему положению относительно далёких звёзд.
2. За это время Земля перемещается по орбите вокруг Солнца, поэтому направление на Солнце меняется.
3. Луне требуется дополнительное время, чтобы повторилось прежнее взаимное расположение Земли, Луны и Солнца.
4. Получается, что синодический месяц между одинаковыми фазами длиннее сидерического.

Ответ: 27,3 суток — относительно звёзд, 29,5 суток — между одинаковыми фазами, то есть относительно взаимного положения Луны, Земли и Солнца.

Задача 3. Какое затмение возможно при полнолунии, какие тела должны выстроиться и почему затмение бывает полным или частным? Полнолуние означает, что Луна находится примерно по другую сторону Земли от Солнца. Теперь нужно проверить, попадает ли спутник в земную тень и какая часть диска проходит через неё.

1. При полнолунии возможна конфигурация Солнце — Земля — Луна.
2. Если Луна проходит через тень Земли, происходит лунное затмение.
3. Когда весь диск оказывается в тени, затмение полное; если в неё входит только часть диска, затмение частное.
4. Наблюдатель должен находиться на ночной стороне Земли, откуда Луна видна над горизонтом.

Ответ: возможно лунное затмение. Его вид зависит от того, насколько точно Луна проходит через земную тень; при одном лишь полнолунии затмение не гарантировано.

Типичные ошибки

Ошибочно считать, что Луна излучает собственный видимый свет. Она отражает солнечное излучение, поэтому обращённая к Солнцу половина освещена даже тогда, когда с Земли видна лишь небольшая её часть. Путаница возникает из-за яркого вида Луны на ночном небе. Проверь себя: если бы Луна светилась сама, её вид не зависел бы так тесно от направления на Солнце.

Сидерический и синодический месяцы часто принимают за один период. Первый показывает оборот относительно звёзд, а второй — время между одинаковыми фазами; движение Земли вокруг Солнца объясняет разницу. Проверка простая: спроси, какое именно положение должно повториться — относительно звёзд или относительно Солнца и Земли. Если речь о повторении полнолуний, это синодический месяц.

Неверно утверждать, что затмение обязательно происходит при каждом новолунии или полнолунии. Лунная орбита наклонена к плоскости эклиптики, поэтому Луна чаще проходит мимо земной тени или мимо линии, по которой её тень могла бы упасть на Землю. Эту ошибку допускают, если учитывают только фазу. Для проверки нужно дополнительно выяснить, находится ли Луна около узла своей орбиты.

Приливы нельзя объяснять только притяжением Луны как единой силой, одинаковой для всей Земли. Существенна разница притяжения ближней и дальней частей планеты, а также вклад Солнца. Простое объяснение «Луна тянет воду вверх» не показывает, почему приливный подъём возникает и на противоположной стороне. Проверяя себя, учитывай неодинаковое воздействие на разные части Земли и местные особенности океана.

Связь с другими темами

Для понимания движения Луны и приливов пригодятся закон всемирного тяготения, знания об орбитах и представление о том, как освещаются небесные тела. Фазы и месяцы связывают астрономические наблюдения с календарями, а затмения — с историей наблюдений и космическими исследованиями. С географией тема пересекается через приливы, меняющие уровень воды у побережий. В физике Земли приливное взаимодействие важно для изучения вращения планеты и работы приливных электростанций.

Что запомнить

• Луна — естественный спутник Земли и не является самостоятельным источником видимого света.
• Фазы Луны определяются тем, какая часть освещённого Солнцем полушария видна с Земли.
• Сидерический месяц равен примерно 27,3 суток, а синодический — примерно 29,5 суток.
• Солнечное затмение происходит, когда тень Луны падает на Землю.
• Лунное затмение происходит, когда Луна попадает в тень Земли.
• Приливы и отливы вызываются главным образом гравитационным воздействием Луны и Солнца.
• Затмения не происходят при каждой смене фаз из-за наклона лунной орбиты к плоскости эклиптики.