Новая гравитационная карта Луны была создана в рамках космической миссии под названием "Программа изучения гравитационного поля и внутреннего строения Луны и реконструкции ее тепловой истории" или GRAIL (The Gravity Recovery and Interior Laboratory). Она позволяет ученым узнать о внутреннем строении Луны и ее физико-химическом составе в беспрецедентных деталях, а также обеспечит лучшее понимание того, как формировались и развивались Земля и другие твердые планеты в Солнечной системе. Данные получены с двух космических аппаратов. Эти зонды, работающие в связке, движутся один за другим, по одной и той же орбите в 55 км над поверхностью Луны. Они постоянно и с микронной точностью измеряют расстояние между собой, фиксируя все изменения, связанные с гравитационными аномалиями. То есть если расстояние между двумя аппаратами изменится, хоть незначительно, а они пролетают над областями с большей или меньшей гравитацией, то это вызвано наличием каких-либо видимых морфологических объектов. Это могут быть, например, как горы и кратеры, так и массивные объекты, скрытые под поверхностью Луны.

Карта гравитационного поля показывает обилие сенсационных материалов и большое количество деталей - тектонических структур, вулканических ландшафтов, кольцевых кратеров и центральных пиков, а также многочисленных простых, чашеобразных кратеров. Данные, полученные в результате работы, также говорят о том, что гравитационное поле Луны значительно отличается от всех планет земного типа в нашей Солнечной системе.

"Благодаря этой карте мы знаем Луну лучше, чем любое другое небесное тело, - сказала главный исследователь проекта GRAIL Мария Зубер из Массачусетского технологического института в Кембридже. - Когда мы видим заметное изменение гравитационного поля, мы можем сравнивать эти данные с элементами рельефа на поверхности Луны, например, с кратерами, бороздами или горами".

По мнению Зубер, гравитационное поле Луны хранит память о воздействии метеоритных бомбардировок, которые характерны для всех планет земного типа, и обнаруживает доказательства внутренних разломов, уходящих вглубь коры и, возможно, до самой мантии.

Зонды-близнецы, остроумно названные американскими школьниками "Прилив" и "Отлив", показали, что объемная плотность лунных горных пород существенно ниже, чем было принято считать. Это хорошо согласуется с удивившими когда-то всех специалистов данными, полученными во время лунных миссий Apollo в начале 1970-х годов. Геологические образцы, тогда привезенные астронавтами, позволили в свое время выдвинуть гипотезу о том, что лунные породы - сильно пористые.

Среднее расстояние между центрами Земли и Луны - 384 467 км (0,002 57 а. е., ~ 30 диаметров Земли).

Видимая звёздная величина полной Луны на земном небе −12,71m. Освещённость, создаваемая полной Луной возле поверхности Земли при ясной погоде, составляет 0,25 - 1 лк.

Луна является единственным астрономическим объектом вне Земли, на котором побывал человек.

Название

Слово луна восходит к праслав. *luna < пра-и.е. *louksnā́ «светлая» (ж. р. прилагательного *louksnós), к этой же индоевропейской форме восходит и лат. lūna «луна». Греки называли спутник Земли Селеной (др.-греч. Σελήνη), древние египтяне - Ях (Иях).

Луна как небесное тело

Орбита

С древних времён люди пытались описать и объяснить движение Луны. Со временем появлялись всё более точные теории.

Основой современных расчётов является теория Брауна. Созданная на рубеже XIX-XX веков, она описывала движение Луны с точностью измерительных приборов того времени. При этом в расчёте использовалось более 1400 членов (коэффициентов и аргументов при тригонометрических функциях).

Современная наука может рассчитывать движение Луны и проверять эти расчёты с ещё большей точностью. Методами лазерной локации расстояние до Луны измеряется с ошибкой в несколько сантиметров. Такую точность имеют не только измерения, но и теоретические предсказания положения Луны; для таких расчётов используются выражения с десятками тысяч членов и не существует предела их количества, если потребуется ещё более высокая точность.

В первом приближении можно считать, что Луна движется по эллиптической орбите с эксцентриситетом 0,0549 и большой полуосью 384 399 км. Реальное движение Луны довольно сложное, при его расчёте необходимо учитывать множество факторов, например, сплюснутость Земли и сильное влияние Солнца, которое притягивает Луну в 2,2 раза сильнее, чем Земля. Более точно движение Луны вокруг Земли можно представить как сочетание нескольких движений:

обращение вокруг Земли по эллиптической орбите с периодом 27,32166 суток, это так называемый сидерический месяц (то есть движение измерено относительно звёзд);

поворот плоскости лунной орбиты: её узлы (точки пересечения орбиты с эклиптикой) смещаются на запад, делая полный оборот за 18,6 лет. Это движение является прецессионным;

поворот большой оси лунной орбиты (линии апсид) с периодом 8,8 лет (происходит в противоположном направлении, чем указанное выше движение узлов, то есть долгота перигея увеличивается);

периодическое изменение наклона лунной орбиты по отношению к эклиптике от 4°59′ до 5°19′;

периодическое изменение размеров лунной орбиты: перигея от 356,41 до 369,96 тыс. км, апогея от 404,18 до 406,74 тыс. км;

постепенное удаление Луны от Земли вследствие приливного ускорения (примерно на 4 см в год), таким образом, её орбита представляет собой медленно раскручивающуюся спираль.

Общее строение

Луна состоит из коры, верхней мантии (астеносферы), средней мантии, нижней мантии и ядра. Атмосфера практически отсутствует. Поверхность Луны покрыта так называемым реголитом - смесью тонкой пыли и скалистых обломков, образующихся в результате столкновений метеоритов с лунной поверхностью. Ударно-взрывные процессы, сопровождающие метеоритную бомбардировку, способствуют взрыхлению и перемешиванию грунта, одновременно спекая и уплотняя частицы грунта. Толщина слоя реголита составляет от долей метра до десятков метров.

Толщина коры Луны меняется в широких пределах от 0 до 105 км. По данным со спутников гравитационной разведки GRAIL, толщина лунной коры больше на том полушарии, которое обращено к Земле.

Условия на поверхности Луны

Атмосфера Луны крайне разрежена. Когда поверхность не освещена Солнцем, содержание газов над ней не превышает 2,0·10 5 частиц/см³ (для Земли этот показатель составляет 2,7·10 19 частиц/см³), а после восхода Солнца увеличивается на два порядка за счёт дегазации грунта. Разрежённость атмосферы приводит к высокому перепаду температур на поверхности Луны (от −160 °C до +120 °C), в зависимости от освещённости; при этом температура пород, залегающих на глубине 1 м, постоянна и равна −35 °C. Ввиду практического отсутствия атмосферы, небо на Луне всегда чёрное, со звёздами, даже когда Солнце находится над горизонтом.

Земной диск висит в небе Луны почти неподвижно. Причины небольших ежемесячных колебаний Земли по высоте над лунным горизонтом и по азимуту (примерно по 7°) такие же, как у либраций. Угловой размер Земли при наблюдении с Луны в 3,7 раз больше, чем лунный при наблюдении с Земли, а закрываемая Землёй площадь небесной сферы в 13,5 раз больше, чем закрываемая Луной. Степень освещённости Земли, видимая с Луны, обратна лунным фазам, видимым на Земле: в полнолуние c Луны видна неосвещённая часть Земли, и наоборот. Освещение отражённым светом Земли примерно в 50 раз сильнее, чем освещение лунным светом на Земле, максимальная видимая звёздная величина Земли на Луне составляет приблизительно −16 m .

Гравитационное поле

Гравитационный потенциал Луны традиционно записывают как сумму трёх слагаемых:

где δW - приливный потенциал, Q - центробежный потенциал, V - потенциал притяжения. Потенциал притяжения обычно раскладывают по зональным, секторальным и тессеральным гармоникам:

где P n m - присоединённый полином Лежандра, G - гравитационная постоянная, M - масса Луны, λ и θ - долгота и широта.

Приливы и отливы

Гравитационное влияние Луны вызывает на Земле некоторые интересные эффекты. Наиболее известный из них - морские приливы и отливы. На противоположных сторонах Земли образуются (в первом приближении) две выпуклости - со стороны, обращённой к Луне, и с противоположной ей. В мировом океане этот эффект выражен намного сильнее, чем в твёрдой коре (выпуклость воды больше). Амплитуда приливов (разность уровней прилива и отлива) на открытых пространствах океана невелика и составляет 30-40 см. Однако вблизи берегов вследствие набега приливной волны на твёрдое дно приливная волна увеличивает высоту точно так же, как обычные ветровые волны прибоя. Учитывая направление обращения Луны вокруг Земли, можно составить картину следования приливной волны по океану. Сильным приливам больше подвержены восточные побережья материков. Максимальная амплитуда приливной волны на Земле наблюдается в заливе Фанди в Канаде и составляет 18 метров.

Хотя для земного шара величина силы тяготения Солнца почти в 200 раз больше, чем силы тяготения Луны, прили́вные силы, порождаемые Луной, почти вдвое больше порождаемых Солнцем. Это происходит из-за того, что приливные силы зависят не только от величины гравитационного поля, а ещё и от степени его неоднородности. При увеличении расстояния от источника поля неоднородность уменьшается быстрее, чем величина самого поля. Поскольку Солнце почти в 400 раз дальше от Земли, чем Луна, то приливные силы, вызываемые солнечным притяжением, оказываются слабее.

Магнитное поле

Считается, что источником магнитного поля планет является тектоническая активность. Например, у Земли поле создаётся движением расплавленного металла в ядре, у - последствиями прошлой активности.

«Луна-1» в 1959 году установила отсутствие однородного магнитного поля на Луне. Результаты исследований учёных Массачусетского технологического института подтверждают гипотезу, что у неё было жидкое ядро. Это укладывается в рамки самой популярной гипотезы происхождения Луны - столкновение Земли примерно 4,5 миллиарда лет назад с космическим телом размером с Марс «выбило» из Земли огромный кусок расплавленной материи, который позже превратился в Луну. Экспериментально удалось доказать, что на раннем этапе существования у Луны было аналогичное земному магнитное поле.

Наблюдение Луны с Земли

Связь фаз Луны с её положением относительно Солнца и Земли. Зелёным цветом выделен угол, на который Луна повернётся с момента окончания сидерического месяца до момента окончания синодического месяца.

В южном полушарии Луна - перевернутая, как на этом австралийском снимке.

Угловой диаметр Луны очень близок к солнечному и составляет около половины градуса. Луна с Земли выглядит бело-желтой, хотя отражает только 7 % падающего на неё солнечного света (примерно как древесный уголь). Так как Луна не светится сама, а лишь отражает солнечный свет, с Земли видна только освещённая Солнцем часть лунной поверхности (в фазах Луны, близких к новолунию, то есть в начале первой четверти и в конце последней четверти, при очень узком серпе можно наблюдать «пепельный свет Луны» - слабое освещение её лучами Солнца, отражёнными от Земли). Луна обращается по орбите вокруг Земли, и тем самым угол между Землёй, Луной и Солнцем изменяется; мы наблюдаем это явление как цикл лунных фаз. Период времени между последовательными новолуниями в среднем составляет 29,5 дней (709 часов) и называется синодический месяц. То, что длительность синодического месяца больше, чем сидерического, объясняется движением Земли вокруг Солнца: когда Луна относительно звёзд совершает полный оборот вокруг Земли, Земля к этому времени проходит уже 1/13 часть своей орбиты, и чтобы Луна снова оказалась между Землёй и Солнцем, ей нужно дополнительно около двух суток.

Лунные либрации

Хотя Луна и вращается вокруг своей оси, она всегда обращена к Земле одной и той же стороной, то есть обращение Луны вокруг Земли и вращение вокруг собственной оси синхронизировано. Эта синхронизация вызвана трением приливов, которые производила Земля в оболочке Луны. Согласно законам механики, Луна ориентирована в поле тяготения Земли так, что на Землю направлена большая полуось лунного эллипсоида.

Явление либрации, открытое Галилео Галилеем в 1635 году, позволяет наблюдать около 59 % лунной поверхности. Дело в том, что вокруг Земли Луна обращается с переменной угловой скоростью вследствие эксцентриситета лунной орбиты (вблизи перигея движется быстрее, вблизи апогея медленнее), в то время как вращение спутника вокруг собственной оси равномерно. Это позволяет увидеть с Земли западный и восточный края обратной стороны Луны (оптическая либрация по долготе). Кроме того, в связи с наклоном оси вращения Луны к плоскости земной орбиты с Земли можно увидеть северный и южный края обратной стороны Луны (оптическая либрация по широте). Существует ещё физическая либрация, обусловленная колебанием спутника вокруг положения равновесия в связи со смещённым центром тяжести, а также в связи с действием приливных сил со стороны Земли. Эта физическая либрация имеет величину 0,02° по долготе с периодом 1 год и 0,04° по широте с периодом 6 лет.

Из-за рефракции в атмосфере Земли при наблюдении Луны низко над горизонтом наблюдается приплюснутость её диска.

Время (1,255 секунды), за которое свет, пущенный с Земли, достигает Луны. Рисунок выполнен в масштабе.

Из-за неровностей рельефа на поверхности Луны во время полного солнечного затмения можно наблюдать чётки Бейли. Когда же, наоборот, Луна попадает в тень Земли, можно наблюдать другой оптический эффект: она краснеет, будучи подсвеченной рассеянным в атмосфере Земли светом.

Селенология

Радиальная гравитационная аномалия на поверхности Луны.

Благодаря её размеру и составу Луну иногда относят к планетам земной группы наряду с Меркурием, Венерой, Землёй и Марсом. Изучая геологическое строение Луны, можно многое узнать о строении и развитии Земли.

Толщина коры Луны в среднем составляет 68 км, изменяясь от 0 км под лунным морем Кризисов до 107 км в северной части кратера Королёва на обратной стороне. Под корой находится мантия и, возможно, малое ядро из сернистого железа (радиусом приблизительно 340 км и массой, составляющей 2 % массы Луны). Любопытно, что центр масс Луны располагается примерно в 2 км от геометрического центра по направлению к Земле. По результатам миссии «Кагуя» было установлено, что в Море Москвы толщина коры наименьшая для всей Луны - почти 0 метров под слоем базальтовой лавы толщиной 600 метров.

Измерения скорости спутников «Лунар Орбитер» позволили создать гравитационную карту Луны. С её помощью были обнаружены уникальные лунные объекты, названные масконами (от англ. mass concentration) - это массы вещества повышенной плотности.

Луна не имеет магнитного поля, хотя некоторые из горных пород на её поверхности проявляют остаточный магнетизм, что указывает на возможность существования магнитного поля Луны на ранних стадиях развития.

Не имеющая ни атмосферы, ни магнитного поля, поверхность Луны подвержена непосредственному воздействию солнечного ветра. В течение 4 млрд лет водородные ионы из солнечного ветра внедрялись в реголит Луны. Таким образом, образцы реголита, доставленные миссиями «Аполлон», оказались очень ценными для исследования солнечного ветра.

В феврале 2012 года американские астрономы обнаружили на обратной стороне Луны несколько геологических новообразований. Это свидетельствует о том, что лунные тектонические процессы продолжались ещё как минимум 950 миллионов лет после предполагаемой даты геологической «смерти» Луны.

Пещеры

Японским зондом Кагуя обнаружено отверстие в поверхности Луны, расположенное недалеко от вулканического плато Холмы Мариуса, предположительно ведущее в тоннель под поверхностью. Диаметр отверстия составляет около 65 метров, а глубина, предположительно, 80 метров.

Учёные считают, что подобные тоннели сформированы путём затвердевания потоков расплавленной породы, где в центре застыла лава. Данные процессы происходили в период вулканической активности на Луне. Подтверждением данной теории является наличие извилистых борозд на поверхности спутника.

Подобные тоннели могут послужить для колонизации, благодаря защите от солнечной радиации и замкнутости пространства, в котором проще поддерживать условия жизнеобеспечения.

Похожие отверстия имеются и на Марсе.

Сейсмология

Оставленные на Луне экспедициями «Аполлон-12», «Аполлон-14», «Аполлон-15» и «Аполлон-16» четыре сейсмографа показали наличие сейсмической активности. Исходя из последних расчетов учёных, лунное ядро состоит главным образом из раскалённого железа. Из-за отсутствия воды колебания лунной поверхности продолжительны по времени, могут длиться более часа.

Лунотрясения можно разделить на четыре группы:

приливные, случаются дважды в месяц, вызваны воздействием приливных сил Солнца и Земли;
тектонические - нерегулярные, вызваны подвижками в грунте Луны;
метеоритные - из-за падения ;
термальные - их причиной служит резкий нагрев лунной поверхности с восходом Солнца.

Наибольшую опасность для возможных обитаемых станций представляют тектонические лунотрясения. Сейсмографами НАСА за 5 лет исследований было зарегистрировано 28 подобных лунотрясений. Некоторые из них достигают 5,5 баллов по шкале Рихтера и длятся более 10 минут. Для сравнения на Земле подобные землетрясения длятся не более двух минут.

Вода на Луне

Впервые сведения об обнаружении воды на Луне были опубликованы в 1978 году советскими исследователями в журнале «Геохимия». Факт был установлен в результате анализа образцов, доставленных «Луна-24» в 1976 году. Процент найденной в образце воды составил 0,1.

В июле 2008 года группа американских геологов из Института Карнеги и Университета Брауна обнаружила в образцах грунта Луны следы воды, в большом количестве выделявшейся из недр спутника на ранних этапах его существования. Позднее бо́льшая часть этой воды испарилась в космос.

Российские учёные, с помощью созданного ими прибора LEND, установленного на зонде LRO, выявили участки Луны, наиболее богатые водородом. На основании этих данных НАСА выбрало место для проведения бомбардировки Луны зондом LCROSS. После проведения эксперимента, 13 ноября 2009 года НАСА сообщило об обнаружении в кратере Кабеус в районе южного полюса воды в виде льда.

Согласно данным, переданным радаром Mini-SAR, установленном на индийском лунном аппарате Чандраян-1, всего в регионе северного полюса обнаружено не менее 600 млн. тонн воды, большая часть которой находится в виде ледяных глыб, покоящихся на дне лунных кратеров. Всего вода была обнаружена в более чем 40 кратерах, диаметр которых варьирует от 2 до 15 км. Сейчас у учёных уже нет никаких сомнений в том, что найденный лёд - это именно водный лёд.

Химия лунных пород

Карта концентрации тория на поверхности Луны согласно данным Lunar Prospector.

Состав лунного грунта существенно отличается в морских и материковых районах Луны. Лунные породы обеднены железом, водой и летучими компонентами.

Пористость коры лунных возвышенностей делает ее не такой плотной, как считалось

Карта гравитационного поля Луны, составленная по данным миссии GRAIL

Запущенные в сентябре 2011 г., зонды GRAIL А и В (впоследствии получившие собственные имена Ebb и Flow) находятся на приполярной окололунной орбите, на высоте около 55 км над ее поверхностью. В конце августа 2012 г. они закончили выполнение основной части своей миссии, результатом которой и стала новая карта гравитационного поля, и в настоящий момент выполняют дополнительные задачи.

А тем временем точная карта гравитационного поля Луны позволит ученым лучше понять внутреннюю структуру, состав и историю не только нашего спутника, но и Земли, и всей Солнечной системы. Она ясно демонстрирует прежде неизвестные детали лунной поверхности — тектонические структуры, вулканические образования, низины и бесчисленные мелкие кратеры. Во всяком случае, гравитационное поле Луны непохоже ни на одно из полей других небесных тел в Солнечной системе.

Раз за разом синхронно облетая Луну, пара зондов Ebb и Flow размерами примерно со стиральную машину каждый, постоянно обменивались радиосигналами, с огромной точностью следя за расстоянием между собой. Изменение гравитационных сил, действующих на них, тут же меняло это расстояние — так и была составлена уникальная новая карта.

«Она показывает, что Луна в большей степени, чем какое-либо другое небесное тело, скрывает свое гравитационное поле «в рукаве», — говорит возглавляющая работу миссии Мария Зубер (Maria Zуber). — Увидев заметный скачок в гравитационном поле, мы можем тут же связать его с особенностями топографии — кратерами, пиками, каньонами». По словам профессора Зубер, гравитационное поле можно назвать матрицей, сохраняющей историю бомбардировки Луны метеоритами, которая показывает наличие глубинных разломов, достигающих внутренних слоев коры и, возможно, мантии спутника.

Зонды показали существование длинных, в сотни километров, гравитационных аномалий, тут и там выходящих на поверхность. Скорее всего, они свидетельствуют о наличии под поверхностью длинных и вытянутых, узких «валов» давно застывшей плотной магмы. Если нам удастся понять механизм их появления, мы многое узнаем о прошлом Луны. Впрочем, кое-что можно узнать уже сейчас.

Судя по новой информации, средняя плотность коры на лунных возвышенностях заметно меньше того, что предполагалось до сих пор. Эти данные были получены после анализа образцов, доставленных астронавтами миссий Apollo еще в 1970-х — видимо, образцы были собраны на не самых характерных участках поверхности Луны. Уточненная цифра плотности позволяет переоценить и толщину коры спутника, сократив ее на 10−20 км, до 34−43 км. Кроме того, состав коры оказывается очень близок к земному, что служит еще одним доводом в пользу происхождения Луны в результате

Глобальные изменения силы тяжести (область проявления более 10 4 км) мо­

гут быть вызваны смещениями эксцентричного земного ядра относительно ман­

тии , перемещениями масс в мантии (конвекция в мантии) и литосфере (дви­

жение тектонических плит), а также повышением уровня Мирового океана. Реги­

ональные изменения (10 2 - 10 4 км) происходят одновременно с послеледнико­

выми процессами изостатической компенсации, тектоническими процессами (го­

рообразование) и накоплением осадочных пород. Глобальные и региональные из­

менения носят вековой или очень длительный характер на интервалах 10 3 - 10 8

лет; вместе с тем нельзя исключить долгопериодические компоненты. Локальные

изменения (10° - 10 2 км) связаны в основном с сейсмотектоническими процесса­

ми, а также с явлениями до и после землетрясений, с вулканическими процесса­

ми, с движениями в зонах разломов земной коры и грабенов. Землетрясения и

вулканическая активность влекут резкие мгновенные и короткопериодические из­

менения силы тяжести, для асейсмических движений характерны временные ин­

тервалы 10° - 10 2 лет. Изменения уровня грунтовых вод и другие гидрологиче­

ские цроцессы, как и вариации атмосферного давления, приводят к нерегулярным

периодическим изменениям силы тяжести в течение 10- 2 - 10° лет. И наконец,

отметим смещения масс и связанные с ними изменения силы тяжести в результа­

те человеческой деятельности (откачка воды, нефти, газа, горные разработки, со­

здание крупных инженерных сооружений) в течение 10° - 10 2 лет.

3.5. Гравитационные поля Луны и планет

Крупномасштабные структуры внешних гравитационных полей Луны и ближай­ ших к Земле планет были изучены на основе анализа орбит далеких космических

аппаратов, а также спутников Луны и планет. Для внешних планет Солнечной

системы эти данные были дополнены наземными астрономическими наблюдени­

ями (оптическими и радиотехническими методами). Измерения силы тяжести бы­

ли выполнены и на самой поверхности Луны. Современное состояние исследова­

ний гравитационных полей Луны и планет описано в работе , гравитацион­ ные поля Луны и планет земной группы рассмотрены в , а также в работе . Обширная монография о гравитационном поле Луны написана Сагитовым и др. . В рамках будущих исследовательских программ обсуждается примене­

ние орбитальных гравитационных градиентометров (разд. 8.3.3).

3.5.1. Гравитационное поле Луны

получим для модели Луны, состоящей из сферических слоев (средний радиус

1737,53 км), среднюю величину силы тяжести на поверхности:

Таблица 3.6. Нормированные гармони­ ческие коэффициенты (округленные зна­

чении) поля силы тяжести Луны }