Текст книги "Солнечная система (Астрономия и астрофизика)"

Итак, при отсутствии резонанса в системе из n планет имеется n независимых периодов, в случае резонанса число последних n₀ меньше n.

Маленькое пояснение. Сформулированное определение резонанса прекрасно с математической точки зрения, но не годится в естественных науках. Ведь речь идет о рациональности или иррациональности числа η=Т₁/Т₂. Только в модельных задачах периоды известны точно и определение имеет смысл. В реальности Т₁, Т₂ измеряются с некоторой погрешностью. Как бы мала она ни была, различить рациональный и иррациональный случай невозможно в принципе. На практике важно, можно ли представить число η в виде отношения двух небольших целых чисел р₁:p₂ плюс малая поправка, или нельзя. Если можно, то по прошествии небольшого времени Т система практически вернется в прежнее положение. Например, пусть η=2/3+10^—4π. По истечении времени Т=ЗТ₁ первый процесс вернется в прежнее положение, а фаза второго сместится всего на тысячную долю окружности, т.е. на треть градуса. Резонанс налицо. Если нельзя, то система вернется в близкое положение очень нескоро. Пусть, например, η=1597/987 (подходящая дробь для «золотого» числа (1+√5)/2). Система вернется в прежнее положение только через огромное время 987Т₁=1597Т₂. Резонанса нет.

Оказывается, наша Солнечная система устроена так, что массивные тела (восемь больших планет от Меркурия до Нептуна) не резонируют друг с другом. Если перевести колебания планет (а по каждой из координатных осей они колеблются!) в звуковые, то мы услышим не «музыку сфер», а что-то вроде какофонии в оркестре к концу антракта, когда каждый музыкант независимо от других настраивает свой инструмент. Напротив, среди малых тел много резонирующих с большими и друг с другом. Таковы десятки спутников, тысячи малых планет и даже Плутон (напомню, что его масса в шесть раз меньше лунной). Пока он делает два оборота вокруг Солнца, Нептун успевает обежать его ровно три раза.

Примем теперь во внимание взаимное притяжение небесных тел. Масса самой большой планеты, Юпитера, в тысячу с небольшим раз меньше Солнечной. Примерно во столько же раз ускорение каждой планеты, вызванное притяжением других планет, меньше ускорения к Солнцу. Дифференциальное уравнение движения можно записать в форме

w=F₀+µF₁      (10)

Здесь индексом 0 отмечено основное ускорение, индексом 1 – вызванное притяжением планет друг к другу возмущающее ускорение; малый параметр µ~0,001. Уравнений типа (10) надо написать несколько, по числу планет. Движение при µ=0 нам известно. При истинном малом значении µ траектория чуть-чуть отклоняется от невозмущенной. Допустимо считать, что орбита по-прежнему является эллипсом, но его элементы (большая полуось, эксцентриситет и т.д.) медленно меняются со временем со скоростью порядка µ. Этот прием мы уже рассматривали на примере ИСЗ.

Фундаментальный вопрос: накапливаются ли возмущения со временем или колеблются около некоторого среднего значения? В первом случае мы говорим о вековых возмущениях; за время T₀/µ орбиты менялись бы до неузнаваемости. Здесь Т₀ – характерный период, 10 лет для Солнечной системы, примерно год Юпитера. Критическое время T₀/µ равно всего десяти тысячам лет, совсем немного в истории Земли. К нашему счастью, при отсутствии резонансов возмущения большой полуоси, эксцентриситета и наклона не накапливаются, эти важнейшие для жизни на Земле элементы лишь колеблются в узких пределах.

Надо сказать, что к этому результату математики и астрономы шли три столетия. Очень уж трудно доказать эту теорему, ведь уравнения (10) настолько сложны, что до сих пор не найдено в аналитическом виде их общего решения, пригодного на космогонических временах порядка T₀/µ³. Ньютон полагал, что возмущения накапливаются. В образах того времени Великий Часовщик создал часы не абсолютного совершенства, нуждающиеся в ремонте один раз в несколько десятков тысяч лет. Лаплас и Лагранж продлили устойчивость движения планет до миллионов лет. В свое время это вызвало бурный энтузиазм в образованных кругах, результат Лапласа-Лагранжа назвали теоремой об устойчивости Солнечной системы. Забавно, что теорема эта приятна и теистам (Часовщик создал часы высочайшего совершенства), и атеистам (Часовщик не нужен, по Пушкину – и без него все шло своим порядком). Во второй половине XX в. советские математики А. Н. Колмогоров, В.И. Арнольд и независимо их американский коллега Ю. Мозер продлили время устойчивости до миллиардов лет. Их результаты уточняются и сейчас, но главное уже сделано.

Любопытно, что факт устойчивости по крайней мере земной орбиты давно известен геологам и палеонтологам. С человеческой точки зрения климат Земли сильно менялся с геологическими эпохами. Но во всяком случае океаны никогда не покрывались сплошным льдом и никогда не нагревались выше 40°С. В первом случае океаны бы никогда не растаяли, так как бело-голубая Земля отражала бы почти все падающее на нее излучение Солнца в космос. Некому было бы читать эту книгу, да и написать ее. Во втором случае мы бы наблюдали грандиозные вымирания растительного и животного мира, по сравнению с которыми гибель динозавров показалась бы мелкой неприятностью. Следовательно, Земля получала от Солнца примерно столько же энергии в прошлом, сколько она получает сейчас. Последние 3 млрд. лет Солнце обладает почти постоянной светимостью. Значит, большая полуось и эксцентриситет земной орбиты существенно не менялись.

Стоит обратить внимание на слова примерно и почти. Колебания эксцентриситета амплитудой в 0,03—0,04 имеют место; ими, согласно хорошо аргументированной гипотезе югославского ученого М. Миланковича, объясняются ледниковые периоды в плейстоцене.

Итак, орбиты восьми больших планет около 4 млрд. лет назад приняли современный вид и с тех пор оставались примерно такими же. А Плутон? Мы помним о его резонансе с Нептуном. Оказывается, в резонансном случае эволюция сильно зависит от фазы. Орбиты Плутона и Нептуна близки к пересечению, расстояние между ними менее 2 а.е. При сближении Плутон перешел бы на существенно другую орбиту, а после серии сближений упал бы на Нептун, или Солнце, или был бы выброшен за пределы Солнечной системы. Но фазы «подобраны» так, что в точках сближения орбит планеты никогда не бывают вместе, расстояние между ними всегда больше 18 а.е. Доказано, что такое состояние длится многие миллиарды лет, орбита Плутона устойчива и сохраняет резонансность с Нептуном. Желающие могут связать это с мудростью Часовщика; нежелающие – с естественным отбором. Начиная с 1992 г. открыты уже сотни планеток диаметрами порядка сотен километров, двигающиеся по схожим с плутоновой орбитам. Они устойчивы, поэтому мы их и видим. Множество же тел, попавших на неустойчивые орбиты, исчезло так, как описано чуть выше.

Эволюция спутниковых систем

Часто пишут, что спутниковые системы больших планет – это планетные системы в миниатюре. Это не совсем так не только с точки зрения физики (планета не греет свои спутники), но и механики. Спутники малы, и главные возмущения в их движении вызваны сжатием центральной планеты и притяжением Солнца. К тому же, резонансность встречается там часто. Например, периоды обращения трех галилеевых спутников Юпитера – Ио, Европы и Ганимеда – связаны соотношением

1/T₁—3/T₂+2/T₃=0

Далее, спутники гораздо ближе к своим планетам, чем последние к Солнцу, не только в абсолютных, но и в относительных единицах. Луна считается далеким спутником, но до нее 60 земных радиусов, а от Земли до Солнца – 210 солнечных. А до Ио всего 6 радиусов Юпитера, до Фобоса 3 радиуса Марса. Поэтому важную роль играют приливные явления. Не будь их, спутниковые системы были бы столь же стабильны, как планетные. Подчеркнем, что устойчивость орбит обеспечивается малостью планетных масс по сравнению с солнечной, малостью спутниковых масс по сравнению с планетной, близостью спутников к планете по сравнению с расстоянием до Солнца, а также малостью эксцентриситетов и наклонов.

Разительный пример важности последнего обстоятельства приведен советским специалистом по механике космического полета М.Л. Лидовым. «Запустим» Луну на такую орбиту, которую она имеет сейчас, за одним исключением: пусть наклон ее орбиты к плоскости эклиптики будет близок к 90°. Оказывается, орбита будет необратимо вытягиваться при малом изменении размера, в конце концов Луна упадет на Землю. И не за привычные в астрономии миллионы и миллиарды лет, а всего за пять лет!

Вернем Луну на существующую орбиту и обратимся к приливам. На Земле лунный прилив вызывает колебания поверхности амплитудой в полметра. Земля вращается вокруг своей оси в 30 раз быстрее, чем Луна вокруг Земли (сравниваются угловые скорости или, что эквивалентно, периоды: сутки и месяц). Следовательно, приливная волна катится с востока на запад, против вращения Земли и своим трением замедляет его. По закону сохранения вращательного момента в системе Земля-Луна вращательный момент орбитального движения Луны увеличивается. В результате Земля вращается все медленнее; Луна отодвигается и тоже замедляет свой бег по орбите и свою угловую скорость обращения в силу третьего закона Кеплера. Приблизительно через 15 млрд. лет сутки сравняются с месяцем, их продолжительность станет равной 55 нынешним суткам. Земля и Луна, как танцоры в вальсе, будут смотреть друг на друга одной стороной.

Будем теперь двигаться в прошлое. Чем дальше вглубь веков, тем быстрее вращается Земля и Луна, тем короче сутки и месяц. А всегда ли сутки на Луне были равны месяцу, т.е. Луна показывала Земле лишь свое «лицо»? Конечно, нет! Вначале Луна вращалась быстро. Но на Луне земной прилив в 20 раз выше, чем на Земле лунный. Это отношение неизменно, тогда как амплитуда приливов была много больше в прошлом, когда тела были ближе. Ясно, что Луна быстро замедлила свое вращение и пришла в устойчивое состояние, а Земле это еще предстоит. Не только Луна, а многие спутники в Солнечной системе смотрят на свои планеты одной стороной, но только одна пара Плутон-Харон уже пришла в конечное «вальсирующее» состояние. Эта пара вообще уже закончивших свою приливную эволюцию и достигла стационарного состояния.

Итак, в результате приливной эволюции многие спутники сейчас смотрят на свою планету одной стороной и при этом многие отодвигаются от нее; в этом большинство спутников подобны Луне. Но некоторые спутники под действием приливов приближаются к своей планете. Во-первых, это спутники с обратным движением: Тритон у Нептуна, Феба у Сатурна и еще некоторые далекие спутники Юпитера и Урана. Во-вторых, это очень близкие спутники с прямым движением, опережающие вращение планеты: Метида и Адрастея у Юпитера, 10 внутренних спутников Урана, 5 внутренних спутников Нептуна. Самый известный пример этого представляет собой пара Марс-Фобос. Последний движется ближе и быстрее пока не выведенных на орбиту стационарных искусственных спутников Марса. Приливной горб на Марсе отстает. Фобос раскручивает Марс и с уменьшением собственного орбитального вращательного момента приближается к планете, двигаясь все быстрее. Приблизительно через 30 млн. лет Фобос упадет на Марс, если мы не вмешаемся раньше.

В заключение параграфа – немного об изменении взглядов ученых на природу. Тысячи лет они задавались вопросом, откуда взялось движение и кто поддерживает вечный бег планет. После Ньютона стало ясно, что движение неуничтожимо, и второй вопрос отпал, но над первым мучились еще лет двести. Сейчас отпал и он (по крайней мере, если не касаться причин Большого взрыва и работать с уже существующей материей в знакомых нам формах). Наоборот, астрономы пытаются ответить на противоположные вопросы типа почему спутники, Меркурий, Венера, Солнце вращаются вокруг своих осей так медленно. Ответ о спутниках мы знаем. Скорее всего, аналогичная причина, солнечный прилив, замедлил вращение внутренних планет. Медленность вращения Солнца связана с передачей его вращательного момента орбитальному моменту планет. Механизм же передачи до конца еще не ясен.

Релятивистская небесная механика

Когда Ньютон опубликовал свой закон всемирного тяготения, современники тут же задали ему вопрос, а откуда взялось само тяготение? По моему мнению, это верх бестактности. Ньютон сделал бесконечно много. Объяснил тонкие особенности движения Луны, планет, их спутников, комет; окончательно стер грань между земным и небесным, описав единым образом движение брошенного камня и Луны; показал, как запустить ИСЗ и слетать на Луну: надо разогнать аппарат до вычисленных им первой и второй космической скорости. К счастью для сэра Исаака, ограниченные его современники не приставали к нему с вопросами, как достичь таких скоростей. Ньютон объяснил близость формы небесных тел к шарообразной и их сжатие (а сжатие Земли он предсказал); объяснил падение давления и плотности воздуха с высотой и отсутствие атмосферы на Луне; объяснил явление приливов в океане и предсказал прилив в твердой Земле и воздухе.

Я говорю лишь о связанных с гравитацией явлениях. А сколько он сделал в математике, механике, оптике, приборостроении, экономике! И после этого удивляться, почему Ньютон не открыл еще причины гравитации и не подарил им заодно эликсир бессмертия? Не может же один человек сделать все, попробуйте и сами!

Через 230 лет история повторилась: А. Эйнштейн открыл причину тяготения, создав общую теорию относительности. Материя искривляет пространство-время, а мы воспринимаем это как гравитацию. Первое, о чем спросили Эйнштейна, – откуда взялось искривление. Лет через 50 (или раньше) искривление сведут к явлению X. Разумеется, ученого сразу спросят, откуда взялось явление X.

Из общефилософских законов следует, что как всякая созданная человеком модель, ОТО отражает действительность лишь приближенно. Однако в XX в. ни одного отклонения от ОТО (в области, где несущественны квантовые эффекты) в опыте не обнаружено, несмотря на практически ежедневное тестирование ОТО. Это значит, что ошибки теории меньше погрешностей приборов. Сегодня ОТО можно считать абсолютно точной. Хотя, конечно, наступит день, когда мы узнаем пределы применимости ОТО и построим более совершенную теорию гравитации.

Формулы ОТО сложнее ньютоновских, но само явление описывается гораздо проще и нагляднее. Масса вызывает искривление пространства-времени, распространяющееся с конечной скоростью, со скоростью света. Этим устраняется присущее ньютоновоской теории немыслимое свойство мгновенного распространения тяготения. В слабых гравитационных полях при медленных движениях формулы теории относительности переходят в формулы ньютоновской механики.

Какие скорости можно считать малыми? Оказывается, даже космические. Относительная погрешность законов Ньютона – величина порядка µ=υ²/с², где υ – скорость частицы, с – скорость света. Скорость Земли относительно Солнца υ≈30км/с, поэтому µ≈10^—8. Скорость спутников еще меньше. Для самой быстрой планеты Меркурия υ≈50 км/с и µ≈3×10^—8.

А какое поле можно считать слабым? Достаточно определить, до какой скорости может разогнаться свободно падающая частица. Таким образом, интенсивность гравитационного поля можно оценить второй космической скоростью υ_II. Для Земли у ее поверхности υ_II≈11км/с и µ≈10^—9, что свидетельствует о крайней слабости притяжения Земли. (Конечно, лишь для применения ОТО. Свалившийся даже со второго этажа человек вряд ли посчитает земное притяжение слабым). Притяжение Солнца, естественно, значительнее. Но и у орбиты Меркурия параболическая скорость для отрыва от Солнца υ_II≈70км/с, µ≈6×10^—8. Даже у края Солнца υ_II≈600км/с, µ≈4×10^—6.

Итак, в Солнечной системе релятивистские эффекты чрезвычайно малы. Их учитывают при построении максимально точных теорий движения планет, спутников, космических аппаратов. Так, погрешность ньютоновской теории движения планет земной группы за 10 лет составляет около 1000 км, а релятивистской – около 5 км. Но в качественное описание движения никаких поправок вводить не надо.

Иная ситуация в окрестности компактных массивных объектов. Типичная нейтронная звезда, например, имеет массу, как у Солнца, и размер, как у Фобоса. У ее поверхности υ_II≈130 Мм/с, поэтому µ~0,2. Даже луч света сильно искривляется, проходя рядом с нейтронной звездой. В системе двух близких друг к другу нейтронных звезд последние обращаются вокруг общего центра масс с субсветовыми скоростями. Это приводит к излучению гравитационных волн и потере энергии. В конце концов звезды сталкиваются, происходит взрыв чудовищной мощности, превышающей светимость галактик на много порядков.

Что же до черной дыры, то там вообще творятся чудеса. Пролетающий мимо нее метеорит (не будем говорить о звездолете, чтобы не переживать за космонавтов) обогнул бы ее по гиперболе, будь справедливы законы Ньютона. Но по законам ОТО метеорит при достаточно близком прохождении сделает несколько витков вокруг черной дыры прежде чем снова уйти на бесконечность. Если же он проникнет под так называемый горизонт, то уже никогда не вернется обратно.

Тут надо внести уточнение. По нашим часам (часам внешнего наблюдателя) он никогда не достигнет горизонта. Будет вечно туда падать со все уменьшающейся скоростью. По своим же часам он упадет туда очень быстро! Конечно, на метеорите часов нет, и надо бы говорить о собственном времени, но таковы странные традиции теории относительности.

Заключение

Мы рассказали, как возникла небесная механика, как она стала современной наукой, какие задачи решала, где используется сейчас. Рассказ был далеко не полным. Мы опустили такие триумфы небесной механики, как предсказание возвращения кометы Галлея и открытие Нептуна. Не сказали о службе движения тысяч малых тел, мировой центр которой находится в Петербурге; о поиске возможных неоткрытых планет или даже тусклых карликовых звезд – гипотетических спутников Солнца; об исследованиях двойных и кратных звезд и планетных систем других солнц. Все это связано не только с небесной механикой и частично описано в других разделах книги. В заключение укажем некоторые нерешенные задачи астрономии, в которых небесной механике принадлежит важная роль.

• Определение изменения гравитационного поля, формы и вращения Земли со временем в связи с действием приливов, послеледниковым поднятием, дрейфом континентов, перераспределением ледниковых масс, антропогенной деятельностью.

• Определение масс и орбит внесолнечных планет по различным наблюдениям.

• Определение происхождения планет.

• Определение долгосрочной эволюции ансамбля всех составляющих Солнечной системы.

Добавлю, что решенные в принципе задачи надо постоянно решать заново. Ведь решение типовой задачи дает нам алгоритм, который надо по-разному применять в конкретных ситуациях. Пример – расчет траектории полета к Юпитеру или любому другому телу Солнечной системы. Тела двигаются, их расположение никогда не повторится, так что и орбиты перелета всегда новые.

Литература

Абалакин В.К. Основы эфемеридной астрономии. – М.: Наука, 1979.

Астрономический календарь: Постоянная часть. – М.: Наука, 1981.

Белецкий В.В. Очерки о движении космических тел. – М.: Наука, 1977.

Бронштэн В.А. Как движется Луна. – М.: Наука, 1990.

Брумберг В.А. Релятивистская небесная механика. – М.: Наука, 1972.

Воронцов-Вельяминов Б.А. Сборник задач и практических упражнений по астрономии. – М.: Наука, 1977.

Гребенников Е.А., Рябов Ю.А. Поиски и открытия планет. – М.: Наука, 1984.

Гришинский Н.Я., Гришинский А.Н. В мире сил тяготения. – М.: Недра, 1985.

Дарвин Дж. Г. Приливы и родственные им явления в Солнечной системе. – М.: Наука, 1965.

Демин В.Г. Судьба Солнечной системы: Популярные очерки о небесной механике. – М.: Наука, 1975.

Дубошин Г.Н. Небесная механика: Основные задачи и методы. – М.: Наука, 1975.

Ипатов С.И. Миграция небесных тел в Солнечной системе. – М.: Эдиториал УРСС, 2000.

Ньето М.М. Закон Тициуса-Боде. – М.: Мир, 1976.

Идельсон Н.И. Этюды по истории небесной механики. – М.: Наука, 1975.

Левантовский В.И. Механика космического полета в элементарном изложении. – М.: Наука, 1980.

Миланкович М. Математическая климатология и астрономическая теория колебаний климата. – ГОНТИ, 1939.

Монтенбрук О., Пфлегер Т. Астрономия на персональном компьютере. СПб: Питер, 2002.

Питьев И.П., Титов В.Б., Холшевников К.В. Фигуры равновесия небесных тел. – СПб.: С.-Петербургский гос.университет, 2002.

Роузвер Н.Т. Перигелий Меркурия: От Леверье до Эйнштейна. – М.: Мир, 1985.

Рябов Ю.А. Движение небесных тел. – М.: Наука, 1988.

Сагитов М.У. Постоянная тяготения и масса Земли. – М.: Наука, 1969.

Справочное руководство по небесной механике и астродинамике / Под. ред. Г.Н. Дубошина. – М.: Наука, 1976.

Субботин М.Ф. Введение в теоретическую астрономию. – М.: Наука, 1968.

Сурдин В.Г. Астрономические олимпиады. Задачи с решениями. – М.: МГУ, 1995.

Фертрегт М. Основы космонавтики. – М.: Просвещение, 1969.

Штернфельд А.А. Введение в космонавтику. – М.: Наука, 1974.

Эльясберг П.Е. Введение в теорию полета искусственных спутников Земли. – М.: Наука, 1965.

Глава III

ЛУНА

И сладостен и жутко безотраден

Алмазный бред морщин твоих и впадин,

Твоих морей блестящая слюда.

Как страстный вопль в бесстрастности эфира,

Ты – крик тоски, застывший глыбой льда,

Ты – мертвый лик отвергнутого мира.

Максимилиан Волошин

Характеристики Луны

Большая полуось орбиты

384 440 км.

Сидерический месяц (период обращения и вращения)

27,32166 сут.

Синодический месяц (средний)

29,53059 сут. (от 29,25 до 29,83 сут.).

Наклонение орбиты к эклиптике (среднее)

5°08'43" (от 4°59' до 5°19' с Р=173

^d

).

Эксцентриситет орбиты (средний)

0,0549.

Средняя орбитальная скорость

1,023км/с.

Наклон экватора к эклиптике

1°32'47"±24".

Наклон орбиты к земному экватору

от 18°18' до 28°36'.

Либрации (максимальные)

7°54' (по долготе) 6°50' (по широте).

Масса

7,353×10

²²

кг=(1/81,3)М

_Ф

.

Экваториальный радиус

1738км=0,27R

_Ф

.

Полярный радиус

1735км.

Средняя плотность

3,34г/см

^3.

Ускорение свободного падения

1,62м/с

²

=(1/6)g.

Скорость ускользания (2-я космическая)

2,38км/с.

Момент инерции (в единицах MR

²

)

0,394.

Сферическое альбедо (по Бонду)

0,067.

Геометрическое альбедо (визуальное)

0,12.

Визуальная звездная величина (в полнолуние)

–12,7

^m

.

Температура поверхности экстремальная

+123°С и —233°С

Плотность атмосферы ночью (днем)

2×10

⁵

молекул/см

³

(~10

⁴

молекул/см

³

)

Температура поверхности средняя

+107°С днем, —153°С ночью

Луна – единственный природный спутник Земли, ближайшее к нашей планете космическое тело. Луна – самый яркий объект ночного неба, почти достигающий в полнолуние блеска —13^m и создающий на Земле освещенность около 0,25 люкса, достаточную для работы видеокамер.

Луна – единственное космическое тело, быстро и наглядно изменяющая свой внешний вид (фазы) и положение относительно звезд, поэтому многие народы издавна использовали лунный или солнечно-лунный календарь для счета времени.

С Луной связано множество мифов и преданий. Например, древние китайцы верили, что на ней живет нефритовый заяц, толкущий в ступе снадобье бессмертия. Ей посвящали стихи поэты, а Бетховен под действием ее чар написал знаменитую «Лунную сонату». Спутники остальных планет Солнечной системы не видны невооруженным глазом с Земли; быть может, поэтому так долго гелиоцентрическая система мира Птолемея властвовала над умами людей…

В результате 400 лет изучения Луны в телескоп и 50 лет автоматических и пилотируемых экспедиций составлены подробнейшие карты лунной поверхности, изучен состав лунного грунта, температурный режим поверхности, получены сейсмические данные о ее недрах. Огромный объем научных данных о Луне вызывает чувство восхищения перед интеллектуальными возможностями человечества и гордость за совершенство созданной им техники. А что можно узнать о Луне, если вести наблюдения невооруженным глазом или с помощью скромного телескопа?

Любительские наблюдения Луны. Фазы Луны

При наблюдениях Луны невооруженным глазом, прежде всего, заметна смена лунных фаз. Луна движется по небу относительно звезд быстрее других естественных светил, со скоростью 13° в сутки. Для сравнения, Солнце за сутки перемещается лишь на 1°. Когда положения Луны и Солнца на небе сближаются, к Земле повернута темная, неосвещенная Солнцем сторона Луны, и нам она практически не видна; это новолуние. По мере того, как Луна отходит от положения новолуния, солнечные лучи освещают все большую часть ее видимой стороны.

Спустя несколько дней после новолуния вечером на западе виден яркий лунный серп; но, приглядевшись, можно заметить и слабое свечение темной части лунного диска, так называемый пепельный свет Луны. Это солнечный свет, отраженный дневным полушарием Земли, слабо освещает темную сторону Луны. День ото дня растет толщина лунного серпа. Через неделю после новолуния наступает фаза первой четверти, когда Солнцем освещена половина диска Луны. В эти дни Луна видна с вечера до полуночи. Еще через неделю лунный диск полностью освещен, наступило полнолуние. В этой фазе Луна видна всю ночь, а Земля занимает положение в пространстве между Солнцем и Луной. Затем в течение двух недель освещенная часть лунного диска уменьшается: в фазе последней четверти освещена восточная половина лунного диска; у Луны наступает период утренней видимости. После новолуния все фазы Луны повторяются в том же порядке.

Полный цикл смены лунных фаз называют синодическим месяцем; его продолжительность (29,53 сут.) немного больше периода обращения Луны вокруг Земли (сидерический месяц, 27,32 сут.), поскольку сама система Земля-Луна обращается вокруг Солнца. Период вращения Луны вокруг оси равен периоду ее обращения вокруг Земли, поэтому Луна всегда повернута к Земле одной стороной. Но земной наблюдатель в течение месяца может увидеть почти 60% площади лунного шара из-за явления либрации – кажущегося покачивания Луны, вызванного ее движением по эллиптической орбите, а также суточным движением самого наблюдателя.

В течение года высота Луны над горизонтом в наших средних широтах заметно меняется: зимой она поднимается значительно выше, чем летом. Вызвано это тем, что Луна перемещается вблизи эклиптики, наклоненной к небесному экватору на 23,4°. Поэтому в фазе полнолуния, когда положения на небе Луны и Солнца противоположны, Луна видна на 23,4° выше экватора зимой и на столько же ниже него – летом.

Наблюдения Луны в небольшой телескоп

При наблюдении с Земли угловой диаметр Луны составляет около 30', что в 20 раз превышает разрешающую способность человеческого глаза. Поэтому даже без помощи оптических приборов легко можно заметить темные и светлые образования на лунном диске. Темные пятна издавна называют морями, хотя, как выяснилось, в них нет ни капли воды. Светлые области лунной поверхности называют материками. Любопытно, что измерения высот на Луне показали, что моря действительно лежат заметно ниже материков, хотя эти названия возникли задолго до рождения лунной топографии. Различие между материками и морями наблюдается также в составе пород: материковые породы лучше отражают солнечный свет, чем морские, поэтому лунные моря выглядят темнее.

Изумительное зрелище представляет лунный пейзаж для наблюдателя, имеющего даже небольшой телескоп. На третий день после новолуния можно заметить часть Моря Кризисов и несколько крупных кратеров Лангрен, Венделин и Петавий. На четвертый день Море Кризисов становится более рельефным, а к югу от него выступает Море Изобилия. На пятый день очень интересно наблюдать как бы сросшиеся вместе кратеры Кирилл, Теофил и Катарина. Кольцевой вал Теофила врезался в соседний Кирилл и частично разрушил его. Очевидно, Теофил образовался позже Кирилла. Возраст лунных кратеров оценивают, изучая степень их сохранности и подсчитывая количество небольших кратеров внутри более крупных. Легко заметить, что на материках кратеров намного больше, чем на поверхности морей. Следовательно, моря образовались позже материков.

На шестой день после новолуния во всем своем величии появляется Море Ясности. Если в это время провести несколько часов у телескопа, то можно заметить, как Солнце начинает освещать вершины гор, лежащих в тени за линией терминатора. Сначала они кажутся светлыми точками, оторванными от освещенной части Луны. Наблюдая, замечаешь, как увеличивается освещенная часть горы по мере того, как солнечные лучи опускаются к ее подножью. На седьмой день, когда Луна в фазе первой четверти, терминатор проходит через Море Паров; в это время трудно не обратить внимание на прекрасное трио кратеров – Птолемей, Альфонс и Арзахель. На восьмой день можно изучать систему светлых лучей кратера Тихо и центральную горку этого кратера. Ученые до сих пор ведут споры о природе системы светлых лучей, но ясно, что кратеры с лучами – наиболее молодые среди лунных кратеров. На девятый день появляется Коперник, один из интереснейших лунных цирков, лежащий южнее выступающего из темноты Моря Дождей. На следующую ночь у терминатора появляется молодой кратер Кеплер и кратер Гассенди с центральной горкой. В последующие ночи наблюдения менее интересны, так как солнечные лучи падают отвесно, тени почти исчезают, контраст лунных деталей падает, а яркость лунной поверхности настолько возрастает, что изображение слепит глаза.

Лунные затмения

Фаза полнолуния представляет интерес совсем иного рода: в этот момент может наступить полное лунное затмение, если Луна на своем пути войдет в тень Земли. Это одно из впечатляющих астрономических явлений, конкурировать с которым могут только полные солнечные затмения, яркие кометы и огнедышащие болиды. Античные и средневековые астрономы по форме земной тени на лунном диске доказывали шарообразность Земли и даже определяли соотношение размеров Земли и Луны.