Масса и радиус луны. Сидерический месяц и Синодический

Из всех параметров небесных тел масса – самый сложный для вычислений. Поэтому, в отличие от диаметра, масса Луны была рассчитана относительно недавно.

Среди спутников стоит на шестом месте по массе. Её масса составляет 7,34х1022 кг, что в 80 раз меньше земной. Можно рассчитать среднюю плотность Луны — 3,35 г/см3,что в 3-4 раза больше, чем у других спутников (кроме – спутника ), а также ускорение свободного падения – 1,62 м/с2, и силу тяжести, которая равна 1/6 земной, то есть предмет, перемещённый с на её спутник, стал бы весить в шесть раз меньше. Из-за слабого притяжения у Луны нет атмосферы.

Гравитационное влияние

Луна – аномально крупный и массивный спутник, поэтому она оказывает ощутимое гравитационное воздействие на планету. Основным проявлением такого воздействия являются приливы и отливы.
Вдоль оси Луна – Земля возникают «приливные» силы. Чем участок Земли ближе к Луне, тем сильнее он к ней притягивается. Разная степень притяжения в разных точках вызывает деформацию земного шара, в результате возникают морские приливы и отливы.
Как результат, гравитация Луны влияет на земную кору, атмосферу и гидросферу Земли и даже на её геомагнитное поле.
Земля с Луной образуют единую систему масс, центр которой расположен на расстоянии 4750 км от центра Земли.

Как измерили

Луна, после Солнца является вторым объектом по яркости. По величине она является пятым объектом Солнечной системы. Между центрами Луны и Земли среднее расстояние составляет 384467 км. Масса Луны соответствует значению 7,33*1022кг.

С древних времен люди предпринимали попытки описать и объяснить ее движение. Основу всех современных расчетов составляет теория Брауна, которая была создана на рубеже XIX - XX веков. Для определения точного движения этого необходима была не только масса Луны. В расчет принимались многочисленные коэффициенты тригонометрических функций. Современной науке под силу проводить более точные расчеты.

Лазерная локация позволяет измерять размеры небесных объектов с ошибкой всего в несколько сантиметров. С ее помощью было установлено, что масса Луны значительно меньше, чем масса нашей планеты (в 81 раз), а радиус ее меньше в 37 раз. Долгое время с точностью определить эту величину не представлялось возможным, но запуск космических спутников позволил открыть новые перспективы. Известен интересный факт, что во времена Ньютона масса Луны определялась по величине вызываемого ею прилива.

Мы по-разному можем видеть освещенную поверхность этого спутника. Видимая часть диска, освещенного Солнцем, называется фазой. Всего существует четыре фазы: полностью темная поверхность Луны - новолуние, растущий лунный серп - первая четверть, освещенный полностью диск - полнолуние, освещенная половина со второй стороны - последняя четверть. Они выражаются в сотых и десятых долях единицы. Смена всех лунных фаз - синодический период, который представляет собой обращение Луны от фазы новолуния до последующего новолуния. Его называют еще синодическим месяцем, равным примерно 29,5 дням. За этот период времени Луна сможет пройти по орбите путь и дважды успеть побывать в одной и той же фазе. Сидерический период обращения, длящийся 27,3 дня, является полным оборотом Луны вокруг Земли.

Ошибочно распространено утверждение, что поверхность Луны мы видим с одной стороны и то, что она не вращается. Движения Луны происходят в виде вращения вокруг своей оси и обращения вокруг Земли и Солнца

Полный оборот вокруг собственной оси происходит за 27 земных суток 43 мин. и 7 часов. Обращение по эллиптической орбите вокруг Земли (один полный оборот) происходит за тоже время. На это оказывают влияние приливы в лунной коре, вызывающие приливы на Земле, происходящие под воздействием лунного притяжения.

Находясь на более далеком расстоянии от Луны, чем Земля, Солнце из-за своей огромной массы вдвое сильнее притягивает Луну, чем Земля. Земля искажает траекторию обращения Луны вокруг Солнца. По отношению к Солнцу ее траектория всегда вогнутая.

Луна не имеет атмосферы, небо над ней всегда черное. Из-за того, что звуковые волны не распространяются в вакууме, на этой планете царит полнейшая тишина. Под прямыми лучами в дневное время во много раз превышает воды, а ночами достигает -150 С. Луны составляет единицу. Ее плотность всего в 3,3 р. больше воды. На ее поверхности есть огромные равнины, которые покрыты застывшей лавой, множество кратеров, образованных при Сила гравитации уступает земному притяжению, а вес Луны меньше Земли, поэтому человека может уменьшиться в 6 раз при нахождении на Луне.

По радиоактивным веществам ученые определили примерный возраст Луны, который составляет 4,65 млрд. лет. По последней наиболее правдоподобной гипотезе, предполагается, что образование Луны произошло вследствие гигантского столкновения с молодой Землей огромного небесного тела. Согласно другой теории Земля и Луна были образованы независимо в совершенно различных частях Солнечной системы.

Естественным спутником Земли является Луна — несветящееся тело, которое отражает солнечный свет.

Изучение Луны началось в 1959 г., когда советский аппарат «Луна-2» впервые сел на Луну, а с аппарата «Луна-3» впервые были сделаны из космоса снимки обратной стороны Луны.

В 1966 г. аппарат «Луна-9» совершил посадку на Луну и установил прочную структуру грунта.

Первыми, кто побывал на Луне, стали американцы Нейл Армстронг и Эдвин Олдрин. Это произошло 21 июля 1969 г. Советские ученые для дальнейшего изучения Луны предпочли использовать автоматические аппараты — луноходы.

Общие характеристики Луны

Средняя удаленность от Земли, км
а. е.	363 104 0,0024
а. е.	405 696 0,0027
Среднее расстояние между центрами Земли и Луны, км
Наклон орбиты к плоскости ее орбиты
Средняя орбитальная скорость	1,022
Средний радиус Луны, км
Масса, кг
Экваториальный радиус, км
Полярный радиус, км
Средняя плотность, г/см 3
Наклон к экватору, град.

Масса Луны составляет 1/81 массы Земли. Положение Луны на орбите соответствует той или иной фазе (рис. 1).

Рис. 1. Фазы Луны

Фазы Луны — различные положения относительно Солнца — новолуние, первая четверть, полнолуние и последняя четверть. В полнолуние виден освещенный диск Луны, так как Солнце и Луна находятся на противоположных сторонах от Земли. В новолуние Луна находится на стороне Солнца, поэтому сторона Луны, обращенная к Земле, не освещается.

К Земле Луна обращена всегда одной стороной.

Линию, которая отделяет освещенную часть Луны от неосвещенной, называют терминатором.

В первой четверти Луна видна на угловом расстоянии 90" от Солнца, и солнечные лучи освещают лишь правую половину обращенной к нам Луны. В остальных фазах Луна видна нам в виде серпа. Поэтому, чтобы отличить растущую Луну от старой, надо помнить: старая Луна напоминает букву «С», а если Луна растущая, то можно мысленно перед Луной провести вертикальную линию и получится буква «Р».

Из-за близости Луны к Земле и ее большой массы они образуют систему «Земля-Луна». Луна и Земля вращаются вокруг своих осей в одну сторону. Плоскость орбиты Луны наклонена к плоскости орбиты Земли под углом 5°9".

Места пересечения орбит Земли и Луны называют узлами лунной орбиты.

Сидерический (от лат. сидерис — звезда) месяц — это период вращения Земли вокруг своей оси и одинакового положения Луны на небесной сфере по отношению к звездам. Он составляет 27,3 земных суток.

Синодическим (от греч. синод — соединение) месяцем называют период полной смены лунных фаз, т. е. период возвращения Луны в первоначальное положение относительно Луны и Солнца (например, от новолуния до новолуния). Он составляет в среднем 29,5 земных суток. Синодический месяц на двое суток длиннее сидерического, так как Земля и Луна вращаются вокруг своих осей в одну сторону.

Сила тяжести на Луне в 6 раз меньше силы тяжести на Земле.

Рельеф спутника Земли хорошо изучен. Видимые темные участки на поверхности Луны названы «морями» — это обширные безводные низменные равнины (самая крупная — «Оксан Бурь»), а светлые участки — «материками» — это гористые, возвышенные участки. Основные же планетарные структуры лунной поверхности — кольцевые кратеры диаметром до 20-30 км и многокольцевые цирки диаметром от 200 до 1000 км.

Происхождение у кольцевых структур различное: метеоритное, вулканическое и ударно-взрывное. Кроме этого, на поверхности Луны имеются трещины, сдвиги, купола и системы разломов.

Исследования космических аппаратов «Луна-16», «Луна-20», «Луна-24» показали, что поверхностные обломочные породы Луны сходны с земными магматическими породами — базальтами.

Значение Луны в жизни Земли

Хотя масса Луны в 27 млн раз меньше массы Солнца, она в 374 раза ближе к Земле и оказывает на нес сильное влияние, вызывая поднятия воды (приливы) в одних местах и отливы в других. Это происходит каждые 12 ч 25 мин, так как Луна делает полный оборот вокруг Земли за 24 ч 50 мин.

Из-за гравитационного воздействия Луны и Солнца на Землю возникают приливы и отливы (рис. 2).

Рис. 2. Схема возникновения приливов и отливов на Земле

Наиболее отчетливы и важны по своим следствиям прилив- но-отливные явления в волной оболочке. Они представляют собой периодические подъемы и опускания уровня океанов и морей, вызываемые силами притяжения Луны и Солнца (в 2,2 раза меньше лунной).

В атмосфере приливно-отливные явления проявляются в полусуточных изменениях атмосферного давления, а в земной коре — в деформации твердого вещества Земли.

На Земле наблюдаются 2 прилива в ближайшей и удаленной от Луны точке и 2 отлива в точках, находящихся на угловом расстоянии 90° от линии Луна — Земля. Выделяют сигизийные приливы, которые возникают в новолуние и полнолуние и квадратурные — в первой и последней четверти.

В открытом океане приливно-отливные явления невелики. Колебания уровня воды достигает 0,5-1 м. Во внутренних морях (Черное, Балтийское и др.) они почти не ощущаются. Однако в зависимости от географической широты и очертаний береговой линии материков (особенно в узких заливах) вода во время приливов может подниматься до 18 м (залив Фанди в Атлантическом океане у берегов Северной Америки), 13 м на западном побережье Охотского моря. При этом образуются приливно-отливные течения.

Основное значение приливных волн заключается в том, что, перемешаясь с востока на запад вслед за видимым движением Луны, они тормозят осевое вращение Земли и удлиняют сутки, изменяют фигуру Земли с помощью уменьшения полярного сжатия, вызывают пульсацию оболочек Земли, вертикальные смещения земной поверхности, полусуточные изменения атмосферного давления, изменяют условия органической жизни в прибрежных частях Мирового океана и, наконец, влияют на хозяйственную деятельность приморских стран. В целый ряд портов морские суда могут заходить только во время прилива.

Через определенный промежуток времени на Земле повторяются солнечные и лунные затмения. Увидеть их можно, когда Солнце, Земля и Луна находятся на одной линии.

Затмение — астрономическая ситуация, при которой одно небесное тело заслоняет свет от другого небесного тела.

Солнечное затмение происходит, когда Луна попадает между наблюдателем и Солнцем и загораживает его. Поскольку Луна перед затмением обращена к нам неосвещенной стороной, перед затмением всегда бывает новолуние, т. е. Луна не видна. Создается впечатление, что Солнце закрывается черным диском; наблюдающий с Земли видит это явление как солнечное затмение (рис. 3).

Рис. 3. Солнечное затмение (относительные размеры тел и расстояния между ними условны)

Лунное затмение наступает, когда Луна, находясь на одной прямой с Солнцем и Землей, попадает в конусообразную тень, отбрасываемую Землей. Диаметр пятна тени Земли равен минимальному расстоянию Луны от Земли — 363 000 км, что составляет около 2,5 диаметра Луны, поэтому Луна может быть затенена целиком (см. рис. 3).

Лунные ритмы — это повторяющиеся изменения интенсивности и характера биологических процессов. Существуют лунно-месячные (29,4 сут) и лунно-суточные (24,8 ч) ритмы. Многие животные, растения размножаются в определенную фазу лунного цикла. Лунные ритмы свойственны многим морским животным и растениям прибрежной зоны. Так, у людей замечено изменение самочувствия в зависимости от фаз лунного цикла.

Как ни странно, вес далекого Солнца оказывается несравненно проще определить, чем вес гораздо более близкой к нам Луны. (Само собой разумеется, что слово «вес» по отношению к этим светилам мы употребляем в том же условном смысле, как и для Земли: речь идет об определении массы.)

Масса Солнца найдена путем следующего рассуждения. Опыт показал, что 1 г притягивает 1 г на расстоянии I см с силой, равной 1/15 000 000 мг. Взаимное притяжение f двух тел с массами М и т на расстоянии D выразится согласно закону всемирного тяготения так:

Если М – масса Солнца (в граммах), т – масса Земли, D – расстояние между ними, равное 150 000 000 км, то взаимное их притяжение в миллиграммах равно (1/15 000 000)х(15 000 000 000 000 2)мг С другой стороны, эта сила притяжения есть та центростремительная сила, которая удерживает нашу планету на ее орбите и которая по правилам механики равна (тоже в миллиграммах) mV 2 /D, где т – масса Земли (в граммах), V – ее круговая скорость, равная 30 км/с = 3 000 000 см/с, a D – расстояние от Земли до Солнца. Следовательно,

Из этого уравнения определяется неизвестное М (выраженное, как сказано, в граммах):

М=2х10 33 г = 2х10 27 т.

Разделив эту массу на массу земного шара, т. е. вычислив

получаем 1/3 миллиона.

Другой способ определения массы Солнца основан на использовании третьего закона Кеплера. Из закона всемирного тяготения третий закон выводится в следующей форме:

– масса Солнца, Т – звездный период обращения планеты, а – среднее расстояние планеты от Солнца им– масса планеты. Применяя этот закон к Земле и Луне, получим

Подставляя известные из наблюдений

и пренебрегая в первом приближении в числителе массой Земли, малой по сравнению с массой Солнца, а в знаменателе массой Луны, малой по сравнению с массой Земли, получим

Зная массу Земли, получим массу Солнца.

Итак, Солнце тяжелее Земли в треть миллиона раз. Нетрудно вычислить и среднюю плотность солнечного шара: для этого нужно лишь его массу разделить на объем. Оказывается, что плотность Солнца примерно в четыре раза меньше плотности Земли.

Что же касается массы Луны, то, как выразился один астроном, «хотя она к нам ближе всех других небесных тел, взвесить ее труднее, чем Нептун, самую далекую (тогда) планету». У Луны нет спутника, который помог бы вычислить ее массу, как вычислили мы сейчас массу Солнца. Ученым пришлось прибегнуть к другим, более сложным методам, из которых упомянем только один. Он состоит в том, что сравнивают высоту прилива, производимого Солнцем, и прилива, порождаемого Луной.

Высота прилива зависит от массы и расстояния порождающего его тела, а так как масса и расстояние Солнца известны, расстояние Луны – тоже, то из сравнения высоты приливов и определяется масса Луны. Мы еще вернемся к этому расчету, когда будем говорить о приливах. Здесь сообщим лишь окончательный результат: масса Луны составляет 1/81 массы Земли (рис. 89).

Зная диаметр Луны, вычислим ее объем; он оказывается в 49 раз меньшим объема Земли. Поэтому средняя плотность нашего спутника составляет 49/81 =0,6 плотности Земли.

Луна - это природный спутник планеты Земля, который считается единственным ближайшим к ней небесным телом. Ученые полагают, что расстояние между Землей и ее спутником составляет порядка 384 тыс. км.

Что нужно знать о спутнике Земли?

Для того чтобы иметь общее представление об этом небесном теле, необходимо рассмотреть ряд его особенностей: это объем спутника, его диаметр, площадь поверхности и масса Луны.

Двигается Луна по эллиптической орбите, и скорость ее движения составляет приблизительно 1,02 км/сек. Если наблюдать за Луной со стороны Северного полюса Земли, то окажется, что она двигается в том же направлении, что и большинство других видимых небесных тел, то есть против часовой стрелки. Сила тяготения на Луне составляет 1,622 м/с².

Многих ученых и астрономов издревле интересовали такие показатели, как удаленность спутника от Земли, его влияние на климат, масса Луны и другие характеристики. Процесс изучения небесных тел, кстати, начался давно.

Изучение Луны в древности

Луна - очень яркое небесное тело, которое просто не могло не привлекать внимание ученых в древние времена. Астрономы еще тысячелетия назад интересовались, чему равна масса Луны, как происходили смены ее фаз.

Ни для кого не секрет, что многие народы даже поклонялись этому небесному телу. Астрономы Древнего Вавилона сумели вычислить смену лунных фаз с большой точностью. Ученые двадцатого века, имеющие в своем оснащении самые современные приборы, поправили это число всего лишь на 0,4 секунды. Но тогда еще не было известно, какова масса Луны и Земли.

Более современные исследования

Луна - самое изученное тело на небосклоне. Ученые разных стран для его исследования запустили около ста спутников. Первым в мире исследовательским аппаратом был запущен советский спутник «Луна-1». Это событие произошло в 1959 году. Тогда исследовательский комплекс смог опуститься на лунную поверхность, взять образцы грунта, передать на Землю фотоснимки, примерно вычислить, какая масса Луны. Помимо этого спутника, Советским Союзом на Лунную поверхность было доставлено также два лунохода. Один из них функционировал почти 10 месяцев, пройдя расстояние в 10 км, а второй - 4 месяца, пройдя 37 км.

Основные показатели Луны

Диаметр Луны - 3474 км. При этом диаметр Земли составляет 12742 км. Иными словами, окружность Луны представляет собой всего лишь 3/11 части от диаметра нашей планеты.

Площадь поверхности спутника Земли составляет 37,9 млн кв. км. В сравнении с показателями планеты, это тоже намного меньше, ведь площадь поверхности Земли составляет 510 млн кв. км. Даже если сравнить лунную поверхность только с земными материками, окажется, что площадь Луны в 4 раза меньше. Объем, который занимает Земля, в 50 раз превосходит лунный.

Немного подробнее о массе Луны

Масса Луны наиболее точным образом была определена с помощью искусственных спутников. Она составляет 7.35*10 22 килограмма. Для сравнения, масса Земли составляет 5.9742 × 10 24 килограмма.

Масса Луны и Земли постоянно немного меняется. Например, Земля подвержена небольшой метеоритной бомбардировке. За сутки на земную поверхность падает около 5-6 тонн метеоритов. Но при этом Земля теряет больше массы за счет испарения в космическое пространство гелия и водорода из атмосферы. Эти потери уже составляют порядка 200-300 тонн в сутки. У Луны, конечно, таких потерь нет. Средняя плотность вещества на Луне составляет порядка 3,34 г на 1 см 3 .

Такая величина, как ускорение силы тяжести, на спутнике Земли в 6 раз больше, чем на самой Земле. Плотность тех горных пород, из которых состоит Луна, приблизительно в 60 раз меньше, чем плотность земных. Поэтому масса Луны в 81 раз меньше, чем масса Земли.

Поскольку Луна имеет очень малое притяжение, вокруг нее практически отсутствует атмосфера - здесь нет газовой оболочки и воды в свободном состоянии. Период обращения Луны вокруг земли называется сидерическим, или звездным. Он составляет 27,32166 суток. Но это число подвержено незначительным изменениям с течением времени.

Лунные фазы

Луна не светится самостоятельно. Человек может видеть лишь те ее части, на которые попадают лучи Солнца, отражающиеся от поверхности Земли. Таким образом могут быть объяснены лунные фазы. Луна, двигаясь по своей орбите, проходит между Солнцем и Землей. В это время она обращена к Земле неосвещенной стороной. Этот период называют новолунием. Через 1-3 суток после этого в западной части небосклона можно увидеть небольшой узкий серп - это видимая часть Луны. Примерно через неделю наступает вторая четверть, когда оказывается освещенной ровно половина спутника Земли.