VII. Основные сведения о Луне

Определения и обозначения

Луна — естественный спутник Земли, то есть небесное тело, обращающееся вокруг планеты под действием тяготения. Она образует с Землёй связанную систему, а её размеры и масса значительно меньше земных. Рассматривать Луну важно не только как ближайшее небесное тело, но и как пример спутника, чьё движение можно наблюдать без сложных приборов.

Фазы Луны — изменения той части лунного диска, которая освещена Солнцем и видна с Земли. Основные фазы — новолуние, первая четверть, полнолуние и последняя четверть. Название фазы помогает описать взаимное положение Луны, Земли и Солнца и предсказать, как будет выглядеть диск.

Сидерический месяц — период обращения Луны вокруг Земли относительно далёких звёзд; он составляет около 27,3 суток. За этот срок Луна возвращается примерно к прежнему положению среди звёзд. Такое определение удобно для описания орбитального движения независимо от смены фаз.

Синодический месяц — промежуток между двумя одинаковыми фазами, например от одного новолуния до следующего; он длится около 29,5 суток. Он показывает, сколько времени проходит между повторениями знакомого вида Луны. Значения сидерического и синодического месяцев различаются, потому что одновременно с Луной вокруг Солнца движется Земля.

Как это устроено

Размеры, масса, расстояние и сила тяжести позволяют сравнить Луну с Землёй и оценить условия на её поверхности. Среднее расстояние до Луны составляет около 384 000 км, диаметр — около 3474 км, а масса — примерно 7,35·10²² кг. Ускорение свободного падения у поверхности равно около 1,62 м/с², то есть предметы здесь притягиваются слабее, чем на Земле. У Луны почти нет атмосферы, поэтому она плохо удерживает тепло: освещённая поверхность сильно нагревается, а ночью резко остывает.

Луна всегда испытывает земное притяжение, но не падает прямо на поверхность планеты: её движение по орбите не даёт ей приблизиться к Земле. Одновременно спутник вращается вокруг собственной оси. Когда периоды этого вращения и обращения совпадают, за один оборот вокруг Земли Луна совершает ровно один поворот, и к наблюдателю обращается почти та же сторона. Так возникает синхронное вращение; обратная сторона при этом не является постоянно тёмной.

Солнце освещает половину Луны, но с Земли видна лишь часть этой освещённой половины. Когда Луна находится между Землёй и Солнцем, освещённая сторона обращена от нас и наступает новолуние. При движении по орбите видимая доля освещённой поверхности растёт, достигает половины при первой четверти и максимума при полнолунии, а затем уменьшается до последней четверти. Фазы не являются затмениями: при обычной смене фаз тень Земли на Луну не падает.

Сидерический месяц измеряют по возвращению Луны к прежнему положению среди далёких звёзд, а синодический — по возвращению одинаковой фазы. Пока Луна совершает оборот относительно звёзд за 27,3 суток, Земля вместе с ней перемещается по своей орбите вокруг Солнца. Поэтому для повторения прежнего расположения относительно Солнца Луне нужно пройти немного дальше. Из-за этого между одинаковыми фазами проходит больше времени — около 29,5 суток.

Затмение возможно, когда Солнце, Земля и Луна почти выстраиваются на одной линии. При новолунии Луна может закрыть Солнце для наблюдателя на Земле — тогда происходит солнечное затмение; при полнолунии Земля может заслонить солнечный свет, падающий на Луну, — это лунное затмение. Однако орбита Луны наклонена к плоскости орбиты Земли примерно на 5°, поэтому чаще всего спутник проходит выше или ниже нужной линии. Затмения случаются, только если новолуние или полнолуние происходит близко к узлу — точке пересечения двух плоскостей.

Основные характеристики Луны и её движения

Таблица помогает сопоставить физические свойства Луны с периодами её движения. Близкие значения сидерического месяца и периода вращения объясняют, почему к Земле обращена почти одна сторона спутника. Температурные значения приблизительны: они зависят от освещённости и места на поверхности.

Разбор задач

Задача 1. Определить фазу Луны, если весь видимый диск освещён, и указать взаимное расположение Солнца, Земли и Луны. Сначала нужно связать видимый вид диска с тем, какая доля освещённой полусферы обращена к наблюдателю. Затем по фазе определить примерное расположение трёх тел.

1. Если освещён весь видимый диск, наблюдается полнолуние.
2. При полнолунии Земля находится примерно между Солнцем и Луной, поэтому обращённая к Земле сторона Луны освещена.
3. Это расположение не означает обязательного затмения: для него Луна должна оказаться ещё и вблизи узла своей орбиты.

Ответ: полнолуние; Земля находится примерно между Солнцем и Луной, но тела не обязательно лежат точно на одной линии.

Задача 2. Найти среднюю орбитальную скорость Луны, если радиус её орбиты принять равным 3,84·10⁵ км, а период обращения — 27,3 суток. Для оценки считаем орбиту круговой. Скорость найдём как длину одного оборота, делённую на время этого оборота.

1. Длина орбиты L = 2πR = 2π·3,84·10⁵ км ≈ 2,41·10⁶ км.
2. Переведём период в секунды: T = 27,3·24·3600 с ≈ 2,36·10⁶ с.
3. Подставим значения в формулу v = 2πR/T: v ≈ 2,41·10⁶ км / 2,36·10⁶ с ≈ 1,02 км/с.

Ответ: средняя орбитальная скорость Луны составляет примерно 1,0 км/с. Это оценка, поскольку в расчёте орбита принята круговой, а её форма в действительности не является идеальной окружностью.

Задача 3. Объяснить, почему между двумя полнолуниями проходит около 29,5 суток, хотя Луна обходит Землю за 27,3 суток. Нужно различить, относительно чего отсчитывают каждый период. Затем учесть, что система Земля—Луна не остаётся на прежнем месте относительно Солнца.

1. За 27,3 суток Луна совершает оборот относительно далёких звёзд — это сидерический месяц.
2. За то же время Земля вместе с Луной перемещается вокруг Солнца, поэтому направление на Солнце относительно Земли меняется.
3. Чтобы снова увидеть полнолуние, Луне необходимо восстановить прежнее положение не только относительно звёзд, но и относительно Солнца и Земли. На это уходит примерно 29,5 суток — синодический месяц.

Ответ: синодический месяц длиннее сидерического из-за движения Земли по орбите вокруг Солнца.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что фазы возникают из-за тени Земли, падающей на Луну. Такое объяснение кажется правдоподобным, потому что видимая освещённая часть диска меняется, но тень Земли появляется только при лунном затмении. Проверь себя: фазы регулярно повторяются, а затмения происходят не при каждом полнолунии.

Ошибка — отождествлять синодический и сидерический месяцы. Первый отсчитывают между одинаковыми фазами, а второй — относительно далёких звёзд, поэтому их продолжительность различается. Для проверки спроси себя, какое именно положение Луны должно повториться: фаза или место среди звёзд.

Ошибка — считать обратную сторону Луны постоянно неосвещённой. Она обращается от Земли, но получает солнечный свет так же, как и видимая сторона, когда на неё падают лучи. Проверь объяснение, представив Луну на орбите: освещённая Солнцем половина движется вместе с ней, а не закреплена за земным наблюдателем.

Ошибка — ожидать затмение при каждом новолунии или полнолунии. В эти фазы нужное взаимное расположение тел возможно, однако наклон орбиты часто уводит Луну выше или ниже линии Солнце—Земля. Перед выводом о затмении проверь, проходит ли Луна около узла своей орбиты.

Связь с другими темами

Для понимания движения Луны нужны понятия небесной сферы, орбиты, периода и видимого движения небесных тел, а также законы Кеплера. Расчёт орбитальной скорости связывает тему с геометрией окружности и переводом единиц времени, а объяснение движения опирается на силы тяготения. Эти знания применяются при изучении затмений, приливов и отливов, космических полётов, планет и способов измерять расстояния в астрономии.

Что запомнить

• Луна — естественный спутник Земли.
• Луна вращается вокруг оси за тот же период, за который обращается вокруг Земли, поэтому к Земле обращена почти одна и та же её сторона.
• Смена фаз определяется долей освещённой солнечным светом части лунного диска, видимой с Земли.
• Сидерический месяц длится около 27,3 суток, а синодический — около 29,5 суток.
• Новолуние и полнолуние сами по себе не означают затмение.
• Затмения возможны, когда Солнце, Земля и Луна выстраиваются почти на одной линии.