1. Земля и Луна

Определения и обозначения

Земля — планета Солнечной системы почти шарообразной формы. Её диаметр около 12 742 км, масса — примерно 5,97 · 10²⁴ кг; она вращается вокруг оси и обращается вокруг Солнца. Эти данные нужны, чтобы оценивать земное притяжение и движение планеты.

Луна — естественный спутник Земли, то есть небесное тело, связанное с планетой гравитацией. Её диаметр около 3474 км, масса примерно 7,35 · 10²² кг, а поверхность покрыта кратерами и практически лишена атмосферы. Знание свойств Луны помогает объяснить её движение и влияние на Землю.

Лунные фазы — изменения вида освещённой части лунного диска, наблюдаемой с Земли. Луна не светится сама, поэтому её вид зависит от того, какая часть обращённой к нам поверхности освещена Солнцем. Понятие фаз позволяет различать новолуние, четверти и полнолуние.

Затмение — явление, при котором одно небесное тело закрывает другое или попадает в его тень. Солнечное затмение связано с тенью Луны на Земле, а лунное — с тенью Земли на Луне. Это определение помогает не путать затмение с обычной сменой фаз.

Как это устроено

Земля и Луна обращаются вокруг общего центра масс, потому что сила тяготения действует на оба тела, а не только на Луну. Земля намного массивнее Луны, поэтому общий центр масс находится внутри Земли, но не в её центре. Каждое тело движется по своей орбите вокруг этой точки, сохраняя взаимную связь.

Одна и та же сторона Луны обращена к Земле из-за синхронного вращения. За один оборот вокруг Земли Луна успевает ровно один раз повернуться вокруг своей оси, поэтому направление на Землю сохраняется. Если бы Луна не вращалась, с Земли постепенно были бы видны все её стороны.

Фазы определяются положением трёх тел относительно друг друга. При новолунии Луна находится примерно между Солнцем и Землёй, и её освещённая сторона обращена от нас; затем видимая освещённая часть увеличивается до первой четверти и полнолуния. После полнолуния она уменьшается через последнюю четверть и снова приходит к новолунию.

Затмение возможно только тогда, когда Солнце, Земля и Луна почти выстраиваются на одной линии. При солнечном затмении Луна помещает на Землю свою тень, а при лунном Луна проходит через тень Земли. Каждый месяц точного выстраивания обычно нет, потому что плоскость лунной орбиты наклонена к плоскости земной орбиты.

Приливы возникают из-за того, что разные участки Земли притягиваются Луной неодинаково: ближняя сторона испытывает более сильное притяжение, чем дальняя. Водная оболочка вытягивается в направлении Луны и в противоположную сторону, поэтому в течение суток наблюдаются подъёмы и спады уровня воды. Солнце тоже вызывает приливы, но близость Луны делает её воздействие особенно заметным.

Сравнение Земли и Луны и основные явления системы Земля—Луна

В таблице сначала сравниваются физические свойства двух тел, а затем показано, как они связаны с наблюдаемыми явлениями. При чтении полезно сопоставлять не только отдельные значения, но и причины: масса влияет на притяжение, а периоды движения — на фазы и видимость сторон.

Числовые значения в таблице помогают сравнить масштабы, а описания движения — восстановить причины явлений. Например, равенство периодов вращения Луны и её обращения объясняет не массу и размер, а наблюдаемую с Земли сторону спутника.

Разбор задач

Фазы Луны

Условие. Объяснить, почему с Земли наблюдаются разные фазы Луны, хотя сама Луна не излучает собственного света. Нужно связать наблюдаемую картину с освещением и движением спутника.

1. Солнце освещает половину поверхности Луны, но освещённая половина не всегда полностью совпадает с полушарием, видимым с Земли.
2. При обращении Луны вокруг Земли меняется угол между направлениями на Солнце и Землю, поэтому меняется доля освещённой части, доступная наблюдателю.
3. Когда Луна находится примерно напротив Солнца относительно Земли, виден почти весь освещённый диск — это полнолуние; при положении между Солнцем и Землёй наблюдается новолуние.

Ответ: фазы возникают из-за отражения лунной поверхностью солнечного света и изменения положения Луны относительно Земли и Солнца.

Солнечное затмение

Условие. Солнце, Луна и Земля расположены в порядке Солнце—Луна—Земля. Определить вид затмения и область, где его можно наблюдать.

1. Луна находится между источником света и Землёй, поэтому за Луной в направлении Земли распространяется её тень.
2. Наблюдатель в области полной тени увидит полное закрытие солнечного диска, а в полутени — только частное затмение.
3. Тень Луны имеет ограниченные размеры, поэтому затмение одновременно наблюдается не со всей Земли, а лишь в узкой области её поверхности.

Ответ: происходит солнечное затмение; полную фазу видят в области полной тени Луны, частную — в более широкой области её полутени.

Приливы и вклад светил

Условие. Объяснить возникновение приливов и сравнить вклад Луны и Солнца. Требуется учесть неодинаковое притяжение разных участков Земли.

1. Ближняя к Луне сторона Земли притягивается сильнее дальней, потому что расстояние до Луны различается.
2. Эта разность сил деформирует океаническую воду, создавая приливные выпуклости на стороне, обращённой к Луне, и на противоположной стороне.
3. Солнце также вызывает приливы, поскольку его притяжение неодинаково для разных участков Земли, но Луна действует заметнее из-за значительно меньшего расстояния.

Ответ: приливы и отливы вызваны разностью гравитационных сил; вклад Луны обычно сильнее солнечного, а при их совместном действии приливы могут усиливаться.

Типичные ошибки

Фазы считают результатом земной тени. Так происходит потому, что и фазы, и лунное затмение связаны с освещённостью Луны. Проверьте себя: если это обычная фаза, тень Земли не должна закрывать лунный диск.

Утверждают, что Луна не вращается вокруг оси. Одна сторона видна постоянно именно потому, что вращение синхронизировано с обращением вокруг Земли. Проверьте мысль, сравнив два периода: оба примерно равны 27,3 суток.

Ожидают затмение каждый месяц. Ошибка возникает при забытом наклоне лунной орбиты, из-за которого Луна обычно проходит выше или ниже нужной линии. Проверьте, было ли точное выстраивание трёх тел около узла орбиты.

Путают солнечное и лунное затмение. При солнечном Луна закрывает Солнце для земного наблюдателя, а при лунном тень Земли падает на Луну. Для проверки назовите тело, которое находится между двумя другими.

Связь с другими темами

Для понимания движения Земли и Луны нужны закон всемирного тяготения, движение по окружности, а также понятия орбиты, периода и силы тяжести. Они позволяют объяснить, почему тела движутся по орбитам и как сравнивать их движения.

Тема связана с изучением Солнечной системы, космических скоростей, приливных явлений и астрономических наблюдений. Понятия освещённости, тени и подобия треугольников помогают оценивать размеры областей солнечных и лунных затмений.

Что запомнить

• Земля и Луна связаны взаимным гравитационным притяжением.
• Луна обращается вокруг Земли и одновременно вращается вокруг своей оси.
• Синхронность вращения и обращения Луны объясняет постоянную видимость почти одной её стороны.
• Фазы Луны определяются взаимным положением Солнца, Земли и Луны.
• Солнечное затмение происходит, когда Луна закрывает Солнце для наблюдателя на Земле.
• Лунное затмение происходит при попадании Луны в тень Земли.
• Приливы и отливы вызваны неодинаковым гравитационным воздействием Луны и Солнца на Землю.