Будучи единственным спутником Земли, Луна вращается вокруг нашей планеты более трех с половиной миллиардов лет.
Луна играла важную роль в мифологических и астрологических традициях каждой человеческой культуры. Ряд культур считали ее божеством, в то время как другие верили, что ее движения могут помочь им предсказывать предзнаменования. Но только в наше время истинная природа и происхождение Луны, не говоря уже о влиянии, которое она оказывает на планету Земля, стали понятны.
При среднем радиусе 1737 км и массе 7,3477 x 10²² кг размер Луны в пропорции к Земле составляет 0,273 :1 и пропорции в массе 0,0123 :1. Ее размер относительно Земли делает ее довольно большой для спутника — уступая только размеру Харона относительно Плутона. При средней плотности 3,3464 г/см³ она в 0,606 раза плотнее Земли, что делает ее второй по плотности луной в нашей Солнечной системе. Наконец, у нее поверхностная гравитация, эквивалентная 1,622 м/с2, что составляет 0,1654 раза или 17% от земного стандарта.
Орбита Луны имеет небольшой эксцентриситет 0,0549 и вращается вокруг нашей планеты на расстоянии от 356 400 до 370 400 км в перигее и от 404 000 до 406 700 км в апогее. Это дает ей среднее расстояние (большую полуось) 384 399 км или 0,00257 а. е. Луна имеет орбитальный период 27,321582 дня (27 дн. 7 ч. 43,1 мин.) и приливно захвачена нашей планетой, что означает, что одна и та же сторона всегда направлена к Земле.
Подобно Земле, Луна имеет дифференцированную структуру, которая включает внутреннее ядро, внешнее ядро, мантию и кору. Его ядро представляет собой твердую сферу, богатую железом, диаметром 240 км (150 миль), и окружено внешним ядром, которое в основном состоит из жидкого железа и имеет радиус примерно 300 км (190 миль).
Вокруг ядра находится частично расплавленный пограничный слой с радиусом около 500 км (310 миль). Считается, что эта структура образовалась в результате фракционной кристаллизации глобального магматического океана вскоре после образования Луны 4,5 миллиарда лет назад. Кристаллизация этого магматического океана могла бы создать мантию, богатую магнием и железом, ближе к вершине, с такими минералами, как оливин, клинопироксен и ортопироксен, опустившимися ниже.
Мантия также состоит из магматической породы, богатой магнием и железом, и геохимическое картирование показало, что мантия более богата железом, чем собственная мантия Земли. Окружающая кора оценивается в 50 км (31 миля) в толщину в среднем и также состоит из магматических пород.
Луна является вторым по плотности спутником в Солнечной системе после Ио. Однако внутреннее ядро Луны невелико, около 20% от ее общего радиуса. Его состав не очень хорошо изучен, но, вероятно, это металлический сплав железа с небольшим количеством серы и никеля, а анализы переменного во времени вращения Луны показывают, что он, по крайней мере, частично расплавлен.
Наличие воды также было подтверждено на Луне, большая часть которой находится на полюсах в постоянно затененных кратерах, а также, возможно, в резервуарах, расположенных под лунной поверхностью. Широко принятая теория заключается в том, что большая часть воды была создана в результате взаимодействия солнечного ветра Луны — когда протоны сталкивались с кислородом в лунной пыли, создавая H2O — в то время как остальная часть была отложена ударами комет.
Геология Луны сильно отличается от земной. Поскольку на Луне нет значительной атмосферы, она не испытывает погодных условий — следовательно, нет и ветровой эрозии. Аналогично, поскольку на ней нет жидкой воды, также нет и эрозии, вызванной текущей водой на ее поверхности. Из-за своего небольшого размера и меньшей гравитации Луна остывала быстрее после формирования и не испытывает активности тектонических плит.
Вместо этого сложная геоморфология лунной поверхности вызвана комбинацией процессов, в частности ударными кратерами и вулканами. Вместе эти силы создали лунный ландшафт, который характеризуется ударными кратерами, их выбросами, вулканами, потоками лавы, возвышенностями, впадинами, морщинистыми хребтами.
Самым отличительным аспектом Луны является контраст между ее яркими и темными зонами. Более светлые поверхности известны как «лунные возвышенности», в то время как более темные равнины называются морями (происходит от латинского mare, что означает «море»). Возвышенности состоят из магматической породы, которая в основном состоит из полевого шпата, но также содержит следовые количества магния, железа, пироксена, ильменита, магнетита и оливина.
Области морей, напротив, образованы из базальтовых (т. е. вулканических) пород. Области морей часто совпадают с «низменностями», но важно отметить, что низменности (например, в бассейне Южный полюс-Эйткен) не всегда покрыты морями. Высокогорья старше видимых морей и, следовательно, более сильно кратерированы.
Другие особенности включают ручьи, которые представляют собой длинные узкие углубления, напоминающие каналы. Они обычно попадают в одну из трех категорий: извилистые ручьи, которые следуют извилистым путям; дугообразные ручьи, которые имеют плавную кривую; и линейные ручьи, которые следуют прямым путям. Эти особенности часто являются результатом образования локализованных лавовых трубок, которые с тех пор остыли и обрушились, и их можно проследить до их источника (старые вулканические жерла или лунные купола).
Лунные купола являются еще одной особенностью, связанной с вулканической активностью. Когда относительно вязкая, возможно, богатая кремнием лава извергается из местных жерл, она образует щитовые вулканы, которые называются лунными куполами. Эти широкие, округлые, круглые особенности имеют пологие склоны, обычно имеют диаметр 8-12 км и поднимаются на высоту нескольких сотен метров в своей средней точке. Подобно Меркурию, Луна имеет разреженную атмосферу (известную как экзосфера), что приводит к резким колебаниям температуры. В среднем она колеблется от -153°C до 107°C, хотя были зарегистрированы температуры до -249°C. Измерения миссии LADEE НАСА определили, что экзосфера в основном состоит из гелия, неона и аргона.
Гелий и неон являются результатом солнечного ветра, в то время как аргон появляется в результате естественного радиоактивного распада калия в недрах Луны. Также есть свидетельства существования замерзшей воды в постоянно затененных кратерах и, возможно, под самой почвой. Вода могла быть занесена солнечным ветром или отложена кометами.
Было предложено несколько теорий образования Луны. Они включают в себя разделение Луны от земной коры посредством центробежной силы, Луну как предварительно сформированный объект, захваченный гравитацией Земли, и Землю и Луну, совместно формировавшихся в первичном аккреционном диске. Предполагаемый возраст Луны также колеблется от ее образования 4,40-4,45 миллиарда лет назад до 4,527 ± 0,010 миллиарда лет назад, примерно через 30-50 миллионов лет после образования Солнечной системы.
Сегодня преобладающая гипотеза заключается в том, что система Земля-Луна образовалась в результате столкновения между недавно образованной прото-Землей и объектом размером с Марс (названным Тейей) примерно 4,5 миллиарда лет назад. Это столкновение должно было выбросить материал из обоих объектов на орбиту, где он в конечном итоге аккрецировался, образовав Луну.
Это стало наиболее принятой гипотезой по нескольким причинам. Во-первых, такие столкновения были обычным явлением в ранней Солнечной системе, и компьютерное моделирование, моделирующее столкновение, согласуется с измерениями углового момента системы Земля-Луна, а также с небольшим размером лунного ядра.
Кроме того, исследования различных метеоритов показывают, что другие внутренние тела Солнечной системы (такие как Марс и Веста) имеют совершенно другой состав изотопов кислорода и вольфрама, чем Земля. Напротив, исследования лунных пород, привезенных миссиями Аполлон, показывают, что Земля и Луна имеют почти идентичный изотопный состав. Это наиболее убедительное доказательство того, что Земля и Луна имеют общее происхождение.
Луна совершает полный оборот вокруг Земли относительно неподвижных звезд примерно каждые 27,3 дня (ее сидерический период). Однако, поскольку Земля движется по своей орбите вокруг Солнца в то же время, Луне требуется немного больше времени, чтобы показать ту же фазу Земле, что составляет около 29,5 дней (ее синодический период). Присутствие Луны на орбите влияет на условия здесь, на Земле, несколькими способами.
Самыми непосредственными и очевидными являются способы, которыми ее гравитация притягивает Землю, т. е. ее приливные эффекты. Результатом этого является повышенный уровень моря, который обычно называют океанскими приливами. Поскольку Земля вращается примерно в 27 раз быстрее, чем Луна вращается вокруг нее, выпуклости увлекаются за собой поверхностью Земли быстрее, чем движется Луна, вращаясь вокруг Земли один раз в день, вращаясь вокруг своей оси.
Океанские приливы усиливаются другими эффектами, такими как фрикционное сцепление воды с вращением Земли через океанское дно, инерция движения воды, океанические бассейны, которые становятся мельче вблизи суши, и колебания между различными океаническими бассейнами. Гравитационное притяжение Солнца к океанам Земли почти вдвое меньше, чем у Луны, и их гравитационное взаимодействие ответственно за сизигийные и квадратурные приливы.
Гравитационная связь между Луной и ближайшим к Луне выступом действует как крутящий момент на вращение Земли, отнимая угловой момент и вращательную кинетическую энергию от вращения Земли. В свою очередь, угловой момент добавляется к орбите Луны, ускоряя ее, что поднимает Луну на более высокую орбиту с более длительным периодом.
В результате этого расстояние между Землей и Луной увеличивается, а вращение Земли замедляется. Измерения в ходе экспериментов по локации Луны с лазерными отражателями (которые остались во время миссий Аполлона) показали, что расстояние от Луны до Земли увеличивается на 38 мм (1,5 дюйма) в год.
Это ускорение и замедление вращения Земли и Луны в конечном итоге приведет к взаимному приливному запиранию между Землей и Луной, подобному тому, что испытывают Плутон и Харон. Однако такой сценарий, вероятно, займет миллиарды лет, и ожидается, что Солнце станет красным гигантом и поглотит Землю задолго до этого.
Лунная поверхность также испытывает приливы амплитудой около 10 см (4 дюйма) в течение 27 дней с двумя компонентами: фиксированным из-за Земли (потому что они находятся в синхронном вращении) и переменным компонентом от Солнца. Кумулятивное напряжение, вызванное этими приливными силами, вызывает лунотрясения. Несмотря на то, что они менее распространены и слабее землетрясений, лунотрясения могут длиться дольше (один час), поскольку нет воды, которая гасила бы вибрации.
Другой способ, которым Луна влияет на жизнь на Земле, — это затмения. Они происходят только тогда, когда Солнце, Луна и Земля находятся на прямой линии и принимают одну из двух форм — лунное затмение и солнечное затмение. Лунное затмение происходит, когда полная Луна проходит за тенью Земли (умброй) относительно Солнца, что заставляет ее темнеть и приобретать красноватый оттенок (также известное как «Кровавая Луна» или «Сангвиническая Луна»).
Солнечное затмение происходит во время новолуния, когда Луна находится между Солнцем и Землей. Поскольку они имеют одинаковый видимый размер на небе, Луна может либо частично закрывать Солнце (кольцевое затмение), либо полностью закрывать его (полное затмение). В случае полного затмения Луна полностью закрывает диск Солнца, и солнечная корона становится видимой невооруженным глазом.
Поскольку орбита Луны вокруг Земли наклонена примерно на 5° к орбите Земли вокруг Солнца, затмения происходят не в каждое полнолуние и новолуние. Чтобы произошло затмение, Луна должна находиться вблизи пересечения двух орбитальных плоскостей. Периодичность и повторяемость затмений Солнца Луной и Луны Землей описывается «циклом Сароса», который представляет собой период приблизительно в 18 лет.
Луна играла важную роль в мифологических и астрологических традициях каждой человеческой культуры. Ряд культур считали ее божеством, в то время как другие верили, что ее движения могут помочь им предсказывать предзнаменования. Но только в наше время истинная природа и происхождение Луны, не говоря уже о влиянии, которое она оказывает на планету Земля, стали понятны.
При среднем радиусе 1737 км и массе 7,3477 x 10²² кг размер Луны в пропорции к Земле составляет 0,273 :1 и пропорции в массе 0,0123 :1. Ее размер относительно Земли делает ее довольно большой для спутника — уступая только размеру Харона относительно Плутона. При средней плотности 3,3464 г/см³ она в 0,606 раза плотнее Земли, что делает ее второй по плотности луной в нашей Солнечной системе. Наконец, у нее поверхностная гравитация, эквивалентная 1,622 м/с2, что составляет 0,1654 раза или 17% от земного стандарта.
Орбита Луны имеет небольшой эксцентриситет 0,0549 и вращается вокруг нашей планеты на расстоянии от 356 400 до 370 400 км в перигее и от 404 000 до 406 700 км в апогее. Это дает ей среднее расстояние (большую полуось) 384 399 км или 0,00257 а. е. Луна имеет орбитальный период 27,321582 дня (27 дн. 7 ч. 43,1 мин.) и приливно захвачена нашей планетой, что означает, что одна и та же сторона всегда направлена к Земле.
Подобно Земле, Луна имеет дифференцированную структуру, которая включает внутреннее ядро, внешнее ядро, мантию и кору. Его ядро представляет собой твердую сферу, богатую железом, диаметром 240 км (150 миль), и окружено внешним ядром, которое в основном состоит из жидкого железа и имеет радиус примерно 300 км (190 миль).
Вокруг ядра находится частично расплавленный пограничный слой с радиусом около 500 км (310 миль). Считается, что эта структура образовалась в результате фракционной кристаллизации глобального магматического океана вскоре после образования Луны 4,5 миллиарда лет назад. Кристаллизация этого магматического океана могла бы создать мантию, богатую магнием и железом, ближе к вершине, с такими минералами, как оливин, клинопироксен и ортопироксен, опустившимися ниже.
Мантия также состоит из магматической породы, богатой магнием и железом, и геохимическое картирование показало, что мантия более богата железом, чем собственная мантия Земли. Окружающая кора оценивается в 50 км (31 миля) в толщину в среднем и также состоит из магматических пород.
Луна является вторым по плотности спутником в Солнечной системе после Ио. Однако внутреннее ядро Луны невелико, около 20% от ее общего радиуса. Его состав не очень хорошо изучен, но, вероятно, это металлический сплав железа с небольшим количеством серы и никеля, а анализы переменного во времени вращения Луны показывают, что он, по крайней мере, частично расплавлен.
Наличие воды также было подтверждено на Луне, большая часть которой находится на полюсах в постоянно затененных кратерах, а также, возможно, в резервуарах, расположенных под лунной поверхностью. Широко принятая теория заключается в том, что большая часть воды была создана в результате взаимодействия солнечного ветра Луны — когда протоны сталкивались с кислородом в лунной пыли, создавая H2O — в то время как остальная часть была отложена ударами комет.
Геология Луны сильно отличается от земной. Поскольку на Луне нет значительной атмосферы, она не испытывает погодных условий — следовательно, нет и ветровой эрозии. Аналогично, поскольку на ней нет жидкой воды, также нет и эрозии, вызванной текущей водой на ее поверхности. Из-за своего небольшого размера и меньшей гравитации Луна остывала быстрее после формирования и не испытывает активности тектонических плит.
Вместо этого сложная геоморфология лунной поверхности вызвана комбинацией процессов, в частности ударными кратерами и вулканами. Вместе эти силы создали лунный ландшафт, который характеризуется ударными кратерами, их выбросами, вулканами, потоками лавы, возвышенностями, впадинами, морщинистыми хребтами.
Самым отличительным аспектом Луны является контраст между ее яркими и темными зонами. Более светлые поверхности известны как «лунные возвышенности», в то время как более темные равнины называются морями (происходит от латинского mare, что означает «море»). Возвышенности состоят из магматической породы, которая в основном состоит из полевого шпата, но также содержит следовые количества магния, железа, пироксена, ильменита, магнетита и оливина.
Области морей, напротив, образованы из базальтовых (т. е. вулканических) пород. Области морей часто совпадают с «низменностями», но важно отметить, что низменности (например, в бассейне Южный полюс-Эйткен) не всегда покрыты морями. Высокогорья старше видимых морей и, следовательно, более сильно кратерированы.
Другие особенности включают ручьи, которые представляют собой длинные узкие углубления, напоминающие каналы. Они обычно попадают в одну из трех категорий: извилистые ручьи, которые следуют извилистым путям; дугообразные ручьи, которые имеют плавную кривую; и линейные ручьи, которые следуют прямым путям. Эти особенности часто являются результатом образования локализованных лавовых трубок, которые с тех пор остыли и обрушились, и их можно проследить до их источника (старые вулканические жерла или лунные купола).
Лунные купола являются еще одной особенностью, связанной с вулканической активностью. Когда относительно вязкая, возможно, богатая кремнием лава извергается из местных жерл, она образует щитовые вулканы, которые называются лунными куполами. Эти широкие, округлые, круглые особенности имеют пологие склоны, обычно имеют диаметр 8-12 км и поднимаются на высоту нескольких сотен метров в своей средней точке. Подобно Меркурию, Луна имеет разреженную атмосферу (известную как экзосфера), что приводит к резким колебаниям температуры. В среднем она колеблется от -153°C до 107°C, хотя были зарегистрированы температуры до -249°C. Измерения миссии LADEE НАСА определили, что экзосфера в основном состоит из гелия, неона и аргона.
Гелий и неон являются результатом солнечного ветра, в то время как аргон появляется в результате естественного радиоактивного распада калия в недрах Луны. Также есть свидетельства существования замерзшей воды в постоянно затененных кратерах и, возможно, под самой почвой. Вода могла быть занесена солнечным ветром или отложена кометами.
Было предложено несколько теорий образования Луны. Они включают в себя разделение Луны от земной коры посредством центробежной силы, Луну как предварительно сформированный объект, захваченный гравитацией Земли, и Землю и Луну, совместно формировавшихся в первичном аккреционном диске. Предполагаемый возраст Луны также колеблется от ее образования 4,40-4,45 миллиарда лет назад до 4,527 ± 0,010 миллиарда лет назад, примерно через 30-50 миллионов лет после образования Солнечной системы.
Сегодня преобладающая гипотеза заключается в том, что система Земля-Луна образовалась в результате столкновения между недавно образованной прото-Землей и объектом размером с Марс (названным Тейей) примерно 4,5 миллиарда лет назад. Это столкновение должно было выбросить материал из обоих объектов на орбиту, где он в конечном итоге аккрецировался, образовав Луну.
Это стало наиболее принятой гипотезой по нескольким причинам. Во-первых, такие столкновения были обычным явлением в ранней Солнечной системе, и компьютерное моделирование, моделирующее столкновение, согласуется с измерениями углового момента системы Земля-Луна, а также с небольшим размером лунного ядра.
Кроме того, исследования различных метеоритов показывают, что другие внутренние тела Солнечной системы (такие как Марс и Веста) имеют совершенно другой состав изотопов кислорода и вольфрама, чем Земля. Напротив, исследования лунных пород, привезенных миссиями Аполлон, показывают, что Земля и Луна имеют почти идентичный изотопный состав. Это наиболее убедительное доказательство того, что Земля и Луна имеют общее происхождение.
Луна совершает полный оборот вокруг Земли относительно неподвижных звезд примерно каждые 27,3 дня (ее сидерический период). Однако, поскольку Земля движется по своей орбите вокруг Солнца в то же время, Луне требуется немного больше времени, чтобы показать ту же фазу Земле, что составляет около 29,5 дней (ее синодический период). Присутствие Луны на орбите влияет на условия здесь, на Земле, несколькими способами.
Самыми непосредственными и очевидными являются способы, которыми ее гравитация притягивает Землю, т. е. ее приливные эффекты. Результатом этого является повышенный уровень моря, который обычно называют океанскими приливами. Поскольку Земля вращается примерно в 27 раз быстрее, чем Луна вращается вокруг нее, выпуклости увлекаются за собой поверхностью Земли быстрее, чем движется Луна, вращаясь вокруг Земли один раз в день, вращаясь вокруг своей оси.
Океанские приливы усиливаются другими эффектами, такими как фрикционное сцепление воды с вращением Земли через океанское дно, инерция движения воды, океанические бассейны, которые становятся мельче вблизи суши, и колебания между различными океаническими бассейнами. Гравитационное притяжение Солнца к океанам Земли почти вдвое меньше, чем у Луны, и их гравитационное взаимодействие ответственно за сизигийные и квадратурные приливы.
Гравитационная связь между Луной и ближайшим к Луне выступом действует как крутящий момент на вращение Земли, отнимая угловой момент и вращательную кинетическую энергию от вращения Земли. В свою очередь, угловой момент добавляется к орбите Луны, ускоряя ее, что поднимает Луну на более высокую орбиту с более длительным периодом.
В результате этого расстояние между Землей и Луной увеличивается, а вращение Земли замедляется. Измерения в ходе экспериментов по локации Луны с лазерными отражателями (которые остались во время миссий Аполлона) показали, что расстояние от Луны до Земли увеличивается на 38 мм (1,5 дюйма) в год.
Это ускорение и замедление вращения Земли и Луны в конечном итоге приведет к взаимному приливному запиранию между Землей и Луной, подобному тому, что испытывают Плутон и Харон. Однако такой сценарий, вероятно, займет миллиарды лет, и ожидается, что Солнце станет красным гигантом и поглотит Землю задолго до этого.
Лунная поверхность также испытывает приливы амплитудой около 10 см (4 дюйма) в течение 27 дней с двумя компонентами: фиксированным из-за Земли (потому что они находятся в синхронном вращении) и переменным компонентом от Солнца. Кумулятивное напряжение, вызванное этими приливными силами, вызывает лунотрясения. Несмотря на то, что они менее распространены и слабее землетрясений, лунотрясения могут длиться дольше (один час), поскольку нет воды, которая гасила бы вибрации.
Другой способ, которым Луна влияет на жизнь на Земле, — это затмения. Они происходят только тогда, когда Солнце, Луна и Земля находятся на прямой линии и принимают одну из двух форм — лунное затмение и солнечное затмение. Лунное затмение происходит, когда полная Луна проходит за тенью Земли (умброй) относительно Солнца, что заставляет ее темнеть и приобретать красноватый оттенок (также известное как «Кровавая Луна» или «Сангвиническая Луна»).
Солнечное затмение происходит во время новолуния, когда Луна находится между Солнцем и Землей. Поскольку они имеют одинаковый видимый размер на небе, Луна может либо частично закрывать Солнце (кольцевое затмение), либо полностью закрывать его (полное затмение). В случае полного затмения Луна полностью закрывает диск Солнца, и солнечная корона становится видимой невооруженным глазом.
Поскольку орбита Луны вокруг Земли наклонена примерно на 5° к орбите Земли вокруг Солнца, затмения происходят не в каждое полнолуние и новолуние. Чтобы произошло затмение, Луна должна находиться вблизи пересечения двух орбитальных плоскостей. Периодичность и повторяемость затмений Солнца Луной и Луны Землей описывается «циклом Сароса», который представляет собой период приблизительно в 18 лет.