§ 12. Система «Земля — Луна»

Определения и обозначения

Система «Земля — Луна» — взаимосвязанная система небесных тел, движущихся под действием сил тяготения. Земля и Луна не изолированы друг от друга: каждое тело притягивает другое. Это понятие помогает описывать их движение не как отдельные траектории, а как общую задачу взаимодействия.

Фазы Луны — видимые с Земли изменения освещённой части лунного диска в течение месяца. Солнце освещает примерно половину Луны, однако с Земли мы видим то большую, то меньшую часть этой половины. Фазы нужны, чтобы описывать наблюдаемую форму Луны и связывать её с положением небесных тел.

Синодический месяц — промежуток времени между двумя одинаковыми фазами Луны. Например, это время от одного новолуния до следующего, составляющее примерно 29,5 суток. Понятие важно для объяснения лунного календаря и отличия повторения фаз от одного оборота Луны относительно далёких звёзд.

Затмение — явление, при котором одно небесное тело закрывает другое или попадает в его тень. При солнечном затмении Луна закрывает Солнце для наблюдателей на части Земли, а при лунном сама Луна оказывается в земной тени. Различение этих случаев позволяет по расположению тел сразу определить вид затмения.

Как это устроено

Луна обращается вокруг Земли, потому что земное притяжение изменяет направление её движения и удерживает её на орбите. При этом Земля тоже испытывает притяжение Луны и слегка движется ей навстречу. Поэтому оба тела фактически обращаются вокруг общего центра масс, который для системы Земля — Луна расположен внутри Земли, но не совпадает с её центром.

Луна почти всегда обращена к Земле одной и той же стороной из-за синхронного вращения. За один оборот вокруг Земли она делает ровно один оборот вокруг собственной оси. Если бы Луна не вращалась, с Земли со временем были бы видны разные участки её поверхности; равенство периодов и обеспечивает постоянную ориентацию одной стороны к нам.

Фаза зависит от того, как расположены Солнце, Земля и Луна, потому что освещённая Солнцем половина Луны остаётся обращённой к Солнцу. Когда Луна находится примерно между Землёй и Солнцем, освещённая сторона обращена от нас и наблюдается новолуние. Когда Земля оказывается между Солнцем и Луной, виден почти весь освещённый диск — это полнолуние; между этими положениями освещённая часть постепенно растёт или убывает.

Затмения возможны, когда Солнце, Земля и Луна выстраиваются почти на одной линии, но такое совпадение не происходит при каждом новолунии или полнолунии. Лунная орбита наклонена примерно на 5° к плоскости орбиты Земли вокруг Солнца. Поэтому чаще Луна проходит немного выше или ниже нужного направления, а затмение случается, когда она оказывается около пересечения двух плоскостей.

Приливы и отливы возникают главным образом из-за неодинакового притяжения Луны к разным частям Земли. На стороне, обращённой к Луне, вода сильнее притягивается к ней, а на противоположной стороне также образуется приливная область из-за различия ускорений Земли и воды. По мере вращения Земли разные участки поверхности проходят через области подъёма и спада уровня воды; Солнце тоже влияет на приливы, усиливая или ослабляя их.

Сравнительная характеристика Земли и Луны

Сравнивайте не только абсолютные размеры, но и то, как свойства связаны друг с другом: меньшая масса Луны соответствует меньшей силе тяжести у её поверхности. Периоды в таблице округлены, а значение для Луны дано относительно звёзд, не между одинаковыми фазами. Поэтому его не следует путать с синодическим месяцем, который составляет примерно 29,5 суток.

Разбор задач

Задача 1. Определить фазу Луны, если она находится между Солнцем и Землёй. Нужно выяснить не только порядок тел, но и какая сторона Луны освещена и видна наблюдателю. Смотрим со стороны Земли: обращённая к нам сторона почти не освещена.

1. Расположим тела на одной линии: Солнце — Луна — Земля. Солнечные лучи падают на обращённую к Солнцу половину Луны. Земной наблюдатель видит противоположную, почти неосвещённую половину.
2. Сопоставим это с определением фаз: когда видимая освещённая часть минимальна, наблюдается новолуние. Если Луна проходит точно по линии Солнце — Земля, она может закрыть Солнце, но одного положения между телами для затмения недостаточно. Нужна также близость к плоскости земной орбиты.

Ответ: новолуние; при точном выстраивании тел возможно солнечное затмение.

Задача 2. По известным значениям синодического и звёздного месяцев объяснить, почему синодический месяц длиннее. Звёздный месяц — время одного оборота Луны относительно далёких звёзд, около 27,3 суток. Синодический месяц отсчитывают между одинаковыми фазами, то есть по повторению взаимного положения Луны, Земли и Солнца.

1. Представим, что Луна завершила оборот относительно звёзд. За это время Земля переместилась по орбите вокруг Солнца. Поэтому направление на Солнце изменилось, и прежняя конфигурация для повторения фазы ещё не восстановилась.
2. Луне нужно пройти дополнительную часть орбиты, чтобы снова занять прежнее положение относительно Солнца и Земли. Значит, ожидание одинаковой фазы длится дольше одного звёздного оборота. Разница составляет примерно 2,2 суток.

Ответ: синодический месяц длиннее звёздного: примерно 29,5 суток против 27,3 суток.

Задача 3. Определить вид затмения и область видимости по расположению Солнца, Земли и Луны. Сначала установим, какое тело находится между двумя другими, а затем проследим, куда направлены тень и полутень. Тень — область, куда прямые солнечные лучи не попадают, а в полутень часть лучей всё же проникает.

1. Если порядок тел Солнце — Луна — Земля, Луна заслоняет Солнце и её тень направлена на Землю. В узкой области, куда приходит тень, наблюдается полное солнечное затмение, а в полутени — частное. Видимость ограничена полосой или более широкой областью на земной поверхности.
2. Если порядок тел Солнце — Земля — Луна, Луна проходит за Землёй и может попасть в её тень. Это лунное затмение; его видят наблюдатели на ночной стороне Земли, для которых Луна находится над горизонтом. Если Луна проходит лишь через земную полутень, затмение будет полутеневым.

Ответ: вид затмения определяется телом, попавшим в тень или заслонившим другое тело; солнечное видно в области лунной тени и полутени, лунное — с ночной стороны Земли.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что фазы Луны создаёт тень Земли. Так думают, потому что видимый лунный диск действительно бывает частично затемнён. Но обычные фазы возникают из-за изменения видимой доли освещённого Солнцем полушария, а земная тень появляется только при затмении. Проверьте себя: фазы повторяются каждый месяц, а лунные затмения — нет.

Ошибка: ожидать лунное затмение при каждом полнолунии. В полнолуние Земля находится примерно между Солнцем и Луной, но тела не обязательно лежат на одной линии. Причина — наклон лунной орбиты к плоскости земной орбиты. Для проверки нужно учитывать не только фазу, но и положение Луны относительно пересечения этих плоскостей.

Ошибка: путать солнечное и лунное затмения. Названия могут казаться похожими, поэтому легко перепутать, какое тело отбрасывает тень. При солнечном затмении тень Луны падает на Землю, а при лунном Луна входит в земную тень. Сверьте порядок тел: Солнце — Луна — Земля означает солнечное, Солнце — Земля — Луна — лунное затмение.

Ошибка: считать, что синхронное вращение означает отсутствие вращения Луны вокруг оси. Поскольку видна почти одна сторона, может показаться, что Луна неподвижна относительно собственной оси. На самом деле за один оборот по орбите она совершает один оборот вокруг оси. Это можно проверить мысленно: тело без осевого вращения при движении вокруг Земли показывало бы наблюдателю разные стороны.

Связь с другими темами

Для понимания системы нужны закон всемирного тяготения, представление о движении по орбите и умение различать тень и полутень; также полезно знать основные фазы Луны. Дальше эти знания помогают объяснять приливы, движение искусственных спутников, устройство календарей и причины астрономических явлений. Понимание затмений пригодится при изучении методов наблюдения и способов определять размеры небесных тел.

Что запомнить

• Земля и Луна образуют связанную гравитацией систему.
• Луна обращается вокруг Земли и вращается вокруг своей оси с одинаковыми периодами.
• Фазы Луны определяются взаимным положением Солнца, Земли и Луны.
• Синодический месяц — промежуток между одинаковыми фазами Луны.
• Солнечное затмение происходит, когда тень Луны падает на Землю.
• Лунное затмение происходит, когда Луна входит в тень Земли.
• Приливы и отливы главным образом вызываются притяжением Луны и Солнца.