План исследование луны в древности физические условия на луне. Наш естественный спутник луна Строение луны и физические условия на ней

Луна - единственный естественный спутник Земли. Это тело шарообразной формы диаметром 3475 км. Масса Луны всего в 81 раз меньше массы Земли. Средняя плотность Луны равна 0,6 плотности Земли, а ускорение свободного падения в 6 раз меньше земного, т. е. на лунной поверхности предметы весят в 6 раз меньше, чем на Земле. Солнечные сутки на Луне продолжаются синодический месяц (29,5 земных суток). На Луне нет воды в жидком виде и практически нет атмосферы. За лунный день, который длится около 15 земных суток, поверхность успевает нагреться до +130 °С, а ночью охладиться до -170 °С. При высоких температурах скорость газовых молекул превышает вторую космическую скорость для поверхности Луны, равную 2,38 км/с, поэтому газы, выделяющиеся из недр спутника Земли или образующиеся при падении метеорных тел, быстро покидают Луну. Без газовой атмосферы Луна подвержена воздействию всех видов электромагнитного излучения Солнца, а также ударам метеорных тел разного размера.

Невооруженным глазом на лунной поверхности различимы светлые и темные участки. На темные, относительно ровные области поверхности, названные «морями», приходится 16,9 % всей поверхности Луны. Более светлые гористые участки, так называемые «материки», занимают оставшуюся поверхность и характеризуются наличием горных хребтов, кольцевых гор, кратеров. Первую подробную лунную карту составил в 1647 г. польский астроном Ян Гевелий. С того времени до наших дней сохранились названия морей - Море Спокойствия, Море Кризисов и др. Названия горных хребтов, тянущихся обычно вдоль окраин морей, созвучны земным - Апеннины, Кавказ, Карпаты и др. Апеннины имеют максимальную высоту около 6 км, а Карпаты - лишь 2 км.

Самыми многочисленными образованиями на лунной поверхности являются кратеры. Их размеры колеблются от микроскопических до более 100 км в диаметре. Кратер состоит из кольцевого вала и внутренней равнины. У большинства «молодых» кратеров на дне возвышаются центральные горки. В полнолуние у «молодых» кратеров, имеющих метеоритное происхождение, можно видеть лучевые системы - светлые полосы, радиально отходящие от кратера и тянущиеся на сотни километров.

Удар крупного метеорита или небольшого астероида о поверхность Луны сопровождается взрывом. При этом происходит выброс лунного вещества под разными углами. Значительная его часть попадает в космос, однако некоторая доля падает обратно на ее поверхность. Из струй измельченного вещества формируются лучевые системы. Для наблюдателя лучи кажутся более светлыми потому, что они лучше отражают свет, чем плотное вещество того же состава.

Крупные и средние кратеры названы в честь выдающихся ученых: Птолемей, Архимед, Платон, Коперник, Тихов, Шмидт и др.

Космические исследования существенно углубили наши знания о Луне. В 1959 г. советским аппаратом «Луна-3» была впервые сфотографирована обратная, невидимая сторона Луны. В 1965 г. появилась первая полная карта Луны, составленная под научным руководством Ю.Н. Липского.

Американские астронавты Нил Армстронг и Эдвин Олдрин стали первыми людьми, ступившими на поверхность Луны 20 июля 1969 г. Астронавты, находясь на Луне, могли видеть на небе нашу Землю. Американские космические корабли серии «Аполлон» в течение последующих трех лет шесть раз доставляли в разные места Луны экспедиции (12 астронавтов занимались исследованиями в местах посадок, им удалось собрать более 360 кг лунных образцов). Лунные породы доставляли и советские автоматические станции «Луна».

Поверхностный слой естественного спутника Земли состоит из мелкообломочного материала - реголита и имеет толщину около 10 м. В состав лунного реголита входят также стеклянные сферические микрочастицы. Дробление лунных пород происходит в основном из-за микрометеоритной бомбардировки и резких перепадов температуры. Реголит обладает малой плотностью (верхний слой 1200 кг/м 3) и очень низкой теплопроводностью (в 20 раз меньше воздуха), поэтому уже на глубине около 1 м колебания температуры практически не ощутимы.

По химическому составу лунные породы очень близки базальтовым породам Земли. Породы лунных морей отличаются высоким содержанием оксидов железа и титана, материковые - высоким содержанием оксидов алюминия.

В последнее время космические станции обнаружили запасы водяного льда в полярных областях Луны. Поскольку угол наклона лунного экватора к эклиптике всего 1,5°, то дно даже неглубоких кратеров в полярных областях никогда не освещается солнечными лучами. При постоянной температуре -200 °С дно полярных кратеров покрывает смесь реголита со льдом. Источником возникновения и накопления лунных полярных льдов могут быть упавшие в эти области кометы, которые представляют собой ледяные тела.

Внутреннее строение Луны изучено по записям сотрясений от ударов метеоритов, которые фиксировались доставленными на Луну сейсмографами. Под слоем реголита располагается кора, толщина которой на видимой (обращенной к Земле) стороне составляет 60 км, а на обратной - 100 км. Под корой находится мантия, толщина которой около 1000 км. Зона глубже 1600 км напоминает земную мантию, имеет толщину 430 км и температуру около 1800 К. Последние исследования подтвердили, что в центре Луны существует металлическое ядро радиусом около 300 км, масса которого составляет около 3% от общей массы Луны.

Существует несколько гипотез образования Луны. По одной из самых популярных Луна образовалась вместе с Землей из одной планетезимали. Было предположение, что Земля могла разделиться на две части и что впадина Тихого океана - это «яма», оставшаяся после того, как Луна «вырвалась» из Земли.

Некоторые ученые полагают, что Луна образовалась путем объединения крошечных камешков, обращавшихся вокруг Земли 4,5 млрд лет назад. Накопление частиц под действием сил гравитации, действующих вблизи Земли, стало «уменьшенным» вариантом такого же процесса, который происходил в первичной солнечной туманности и привел к рождению планет.

Рассматривается и такой механизм образования Луны. Земля, прошедшая основные стадии дифференциации вещества, столкнулась с крупным небесным телом (размером с Марс). Косой удар разрушил только верхние слои земных недр. На околоземную орбиту было выброшено вещество земной коры и мантии, из которого путем слияния сформировался спутник Земли.

Параметры Луны смотрите в таблице.

Н а Луне невооруженным глазом можно видеть темные пятна. В бинокль, а еще лучше в телескоп очертания их выступают более отчетливо. Это обширные равнины на лунной поверхности. Первые наблюдатели, рассматривавшие Луну в телескоп, приняли их за водоемы и назвали морями. Но на Луне нет ни воды, ни льда. Если когда-нибудь они там и были, то давно уже испарились и улетучились в пространство. Объясняется это тем, что сила тяжести на Луне в 6 раз меньше, чем на Земле. Луна не могла долгое время удерживать около себя сколько-нибудь значительное количество паров воды и газов.

В том, что на Луне нет заметной атмосферы, можно убедиться, наблюдая, как внезапно, без всякого потускнения, исчезает звезда, когда ее закрывает, двигаясь по небу, Луна. Тени гор на Луне резко очерчены.

Так как на Луне нет атмосферы , то не может быть на ней и ветра. Там постоянно безоблачное черное небо, на котором и при ярком Солнце блистают звезды. Голубую окраску небу на Земле дает воздух. Рассеивая солнечные лучи, он мешает нам видеть звезды днем, так как делает фон всего небосвода ярче, чем звезды.

Благодаря отсутствию атмосферы палящие лучи Солнца в течение лунного дня могут поднимать температуру поверхности Луны до плюс 120?; зато после захода Солнца температура быстро понижается и доходит ночью до минус 160?.

Так как на Луне нет ни воды, ни воздуха, ее поверхность не размывается и не выветривается. Различные неровности на лунной поверхности - ее горы и впадины - лучше всего видны около первой и последней четверти, когда косо падающие солнечные лучи создают там удлиненные тени. По этим теням ученые измерили высоту лунных гор: некоторые из них достигают 7000 м.

Много дают для изучения поверхности Луны фотоснимки, полученные с большим увеличением. На них можно увидеть широкую темноватую равнину, которую назвали Морем дождей, а по краям ее - цепи гор и отдельные кольцевые горы. Другая часть поверхности Луны сплошь покрыта кольцевыми горами и кратерами самых разнообразных размеров. Диаметр наибольших из них достигает 200 км.

Но как могли образоваться большие кратеры или громадные равнины, окаймленные цепями гор? Этот вопрос наука пока еще окончательно не решила. Русский геолог А. П. Павлов полагал, что некогда горячие массы прорывались в отдельных местах из недр Луны на поверхность и образовывали расплавленные озера и моря. Вулканическая магма постепенно застывала, нагромождая у краев затвердевшие скалы. В середине же этих пространств поверхность несколько опускалась, образуя обширные равнины.

Некоторые ученые считают, что кратеры могли образоваться в результате падения на Луну огромных метеоритов.

Кроме обширных равнин, горных хребтов и многочисленных кольцевых гор, покрывающих поверхность, на фотографии Луны можно видеть трещины, складки и особые светлые полосы, лучеобразно расходящиеся от некоторых больших кратеров. Почти всем крупным формам рельефа на Луне даны различные названия : для горных хребтов взяты названия земных (Кавказ, Альпы, Апеннины и т. п.), для кратеров - имена знаменитых ученых (Коперника, Кеплера, Тихо и др.)

Практически лишена атмосферы. Если допустить, что в прошлом у Луны была атмосфера, то легко понять, почему ее нет сейчас. Дело в том, что сравнительно небольшие (по массе) небесные тела (подобные Луне) не могут длительное время удерживать атмосферу. Уже при скорости 2,38 км/c (вторая космическая скорость для Луны) молекулы газа способны покинуть Луну.

Нет на Луне и воды. Испарение воды образовало бы вокруг Луны газовую оболочку, которая быстро бы рессеялась.

На небе Луны видны те же самые , что и на небе Земли. Из-за отсутствия атмосферы яркие звезды и планеты видны на Луне и днем. Поэтому космонавты могут ориентироваться на Луне по звездам и днем и ночью. Ориентировка по звездам приобретает на Луне особое значение, так как там магнитный компас бесполезен. (Луна не имеет магнитного поля, подобного земному.)

И Венеру можно наблюдать с Луны даже в непосредственной близости от Солнца. Эффектное украшение неба Луны – наша . Диск Земли примерно в 3,5 раза больше солнечного диска.

На протяжении лунного дня, длящегося около двух земных недель, поверхность Луны сильно нагревается, а затем охлаждается в ночное время (ночь на Луне тоже длится почти две земные недели). Отсутствие атмосферы на Луне приводит к резким колебаниям температуры в течение лунных суток. В районе “подсолнечной” точки, т.е. там, где днем находится в зените, температура превышает 400 К (+130°С). На противоположной стороне Луны вблизи “антисолнечной” точки поверхность Луны охлаждается почти до 100 К (-170°С). Значит, на протяжении одних лунных суток (29,5 земных суток) температура изменяется на 300 К. Резкие колебания температуры, происходящие на Луне, относятся только к ее поверхности. Уже на глубине в несколько десятков сантиметров температура в течение лунных суток практически не изменяется. Это объясняется плохой теплопроводностью лунного грунта, который не успевает не прогреться днем, ни охладиться ночью.

Вы знаете что Луна сейчас обращена к Земле одной стороной. Так было не всегда. Миллиарды лет назад Луна была ближе к Земле, чем сейчас, а периоды вращения Земли и обращения вокруг нее Луны составляли лишь несколько часов. Природа луны очень интересна. На нынешнем этапе эволюции системы “Земля - Луна” период вращения Луны совпал с периодом ее обращения. Это привело к двум важным следствиям. Во первых, продолжительность солнечных суток на Луне равна синодическому месяцу (день и ночь на Луне длятся почти по две земные недели). Во-вторых, к Земле Луна всегда обращена одним полушарием (мы с Земли видим всегда одну и ту же сторону Луны).

Поверхность Луны

Даже невооруженным глазом на Луне видны обширные темные участки (моря) и светлые (материки). Более подробно их можно рассмотреть в телескопы. Несмотря на то что в лунных морях нет ни капли воды, в науке сохранилась прежняя система наименований, предложенная еще в XVII в. В отличие от морей (сравнительно ровных участков лунной поверхности, покрытых темным веществом), материки представляют собой гористые районы.

На обращенной к Земле стороне Луны материки занимают около 70%, а моря – 30% территории видимого с Земли полушария Луны.

Характерная особенность лунного рельефа – кольцевые структуры (кратеры). Только на видимой стороне кратеров диаметром более 1 км примерно 300 000. Среди них есть такие, диаметры которых превышают 200 км. Большинство крупных лунных кратеров имеют ровное дно, в центре которого возвышается горка.

Многие лунные моря окаймлены протяженными горными хребтами. Хребты получили название земных горных цепей (Кавказ, Альпы, Пиренеи и др.).

В полнолуние в небольшой телескоп (призменный бинокль) хорошо видны Океан Бурь, Море Дождей, Море Ясности, а также кратеры (Тихо, Коперник, Кеплер), от которых расходятся протяженные лучевые системы. Когда Луна находится в других фазах, то вблизи границы освещенной и неосвещенной частей поверхности Луны (такая граница называется терминатором) кратеры выделяются особенно рельефно.

В отличие от продолжающихся несколько столетий телескопических исследований видимой стороны Луны, исследование обратной ее стороны началось, когда впервые в истории науки обратная сторона Луны была сфотографирована автоматической станцией “Луна - 3” 7 октября 1959 г. Примерно через 6 лет (июль 1965 г.) другая наша автоматическая межпланетная станция (АМС) “Зонд - 3”, выведенная на гелиоцентрическую орбиту, передала новые фотографии. При этом удалось сфотографировать почти все области обратной стороны Луны, которые не попали в поле зрения фототелевизионных устройств “Луны - 3”. Полученные снимки позволили составить карты и атласы обратной стороны Луны, лунные глобусы и полные карты, охватывающие почти всю поверхность Луны.

На невидимом с Земли полушарии Луны преобладают материки. Средний диаметр крупного моря – Моря Москвы – достигает 460 км. Обнаружены мореподобные круглые или овальные образования, занимающие промежуточное место между лунными морями и крупнейшими кратерами. Много на обратной стороне Луны и кратеров (самым крупным присвоены имена выдающихся деятелей науки – Ломоносов, Джордано Бруно, Циолковский, Жолио Кюри и др.). Нередко кратеры образуют длинные цепочки, тянущиеся на сотни километров.

Большинство мелких и средних лунных кратеров образовалось в результате падения метеоритов, которые, достигая поверхности Луны, обладают такой кинетической энергией, что при ударе происходит взрыв. Метеорит разрушается, дробится; лунный грунт разлетается в разные стороны от места взрыва. Так образуются первичные кратеры. Чем их больше на данном участке лунной поверхности, тем больше возраст этого участка. Выброшенные при образовании первичных кратеров большие камни могут, падая на поверхность Луны, создавать вторичные кратеры. Возможно, что из таких вторичных кратеров состоят лучевые системы, которые хорошо видны в полнолуние у некоторых крупных молодых кратеров. Образование крупных кратеров, вероятно, связано и с бурной вулканической деятельностью, характерной для далекого прошлого Луны.

Луна - ближайшее к Земле земное тело, а так же единственный естественный ее спутник. Луна является самым ярким объектом Солнечной системы после Солнца. Луна является пятым по величине естественным спутником Солнечной системы.

Не смотря на то, что Луна является спутником Земли, ее параметры и параметры окружения сильно отличаются от параметром Земли.

Таблица 2 - Основные параметры Земли и Луны.

Глубокий вакуум, длительное воздействие активной космической радиации и излучения Солнца, непрерывное падение метеоритов и малая сила тяжести создают несвойственные Земле условия формирования лунной поверхности.

Физические условия на поверхности Луны

Говоря о строении Луны, мы можем сравнивать ее с Землей. Луна состоит из коры, верхней мантии, средней мантии, нижней мантии и ядра.

Атмосфера Луны крайне разрежена. Когда поверхность не освещена Солнцем, содержание газов над ней не превышает 2,0·105 частиц/смі, 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. 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.

Луна - самое близкое к Земле небесное тело, и потому изучена лучше всего. Ближайшие к нам планеты находятся примерно в 100 раз дальше. Луна меньше Земли по диаметру вчетверо, а по массе в 81 раз. Средняя ее плотность 3,3*10 3 кг/м 3 , т. е. меньше, чем у Земли. Вероятно, у Луны ядро не такое плотное, как у Земли. На Луне нет атмосферы, смягчающей палящее солнечное излучение и защищающей от космических лучей и потоков микрометеоров. Нет там ни облаков, ни воды, ни туманов, ни радуги, ни зари с рассветом. Тени резкие и черные. Отсутствие на Луне водяных паров и атмосферы было подтверждено прямыми измерениями на ее поверхности. Небо на Луне даже днем было бы черное, как в космическом пространстве, но окружающая Луну разреженная пылевая оболочка немного рассеивает солнечный свет.

Частые удары метеоритов, падающих на лунную поверхность, дробят ее на мелкие осколки и пылинки. В условиях вакуума происходит молекулярное сцепление этой пыли в пористый шлакоподобный слой. Такая структура поверхностного слоя придает ему малую теплопроводность. В результате даже на небольшой глубине температура сохраняется постоянной, несмотря на ее сильные колебания снаружи. Огромные перепады температуры лунной поверхности от дня к ночи объясняются не только отсутствием атмосферы, но и продолжительностью лунного дня и лунной ночи, которая соответствует двум нашим неделям. Температура в подсолнечной точке Луны равна +120°С, а в противоположной точке ночного полушария - 170°С. Вот как изменяется температура в течение одного лунного дня!

Какие наблюдения Луны, которые может провести каждый, доказывают, что там происходит смена дня и ночи?

2. Рельеф

Уже со времен Галилея начали составлять карты видимого полушария Луны. Темные пятна на поверхности Луны были названы "морями". Это низменности, в которых нет ни капли воды. Дно их темное и сравнительно ровное. Большую часть поверхности Луны занимают более светлые возвышенности - "материки". Есть несколько горных хребтов, названных, подобно земным, Альпами, Кавказом и т. д. Высота гор достигает 9 км. Но основной формой рельефа являются кратеры. Их кольцевые валы высотой до нескольких километров окружают большие круглые впадины диаметром до 200 км, например Клавий и Шиккард. Всем крупным кратерам даны названия в честь ученых. Так, на Луне есть кратеры Тихо, Коперник и др.

В полнолуние в южном полушарии хорошо видны в сильный бинокль кратер Тихо диаметром 60 км в виде яркого кольца и расходящиеся от него радиаль-но светлые лучи. Их длина сравнима с радиусом Луны, и они тянутся, пересекая много других кратеров и темных впадин. Выяснилось, что лучи образованы скоплением множества мелких кратеров со светлыми стенами.

Лунный рельеф лучше изучать тогда, когда соответствующая местность лежит вблизи терминатора, т. е. границы дня и ночи на Луне. Тогда освещенные Солнцем сбоку неровности отбрасывают длинные тени и легко заметны. Очень интересно в течение часа проследить в телескоп за тем, как вблизи терминатора на ночной стороне загораются светлые точки - это вершины валов лунных кратеров. Постепенно из тьмы выплывает светлая подкова - часть кратерного вала, но дно кратера еще погружено в полный мрак, наконец обрисовывается весь кратер. При этом хорошо видно, что, чем меньше кратеры, тем их больше. Они часто расположены цепочками и даже "сидят" друг на друге. Позднейшие кратеры образовались на валах более старых кратеров. В центре кратера часто видна горка (рис. 46), в действительности это группа гор. Кратерные стены обрываются террасами круто внутрь. Дно кратеров лежит ниже окружающей местности.

Вся поверхность Луны изрыта мелкими кратерами - пологими углублениями - это результат ударов мелких метеоритов.

С Земли, как мы знаем, видно только одно полушарие Луны (рис. 47). В 1959 г. советская космическая станция, пролетая мимо Луны, впервые сфотографировала невидимое с Земли полушарие. Принципиально оно не отличается от видимого, но на нем меньше "морских" впадин (рис. 48). Теперь составлены подробные карты этого полушария на основании многочисленных фотографий Луны, выполненных с близкого расстояния автоматическими станциями, посылавшимися к Луне. Аппараты неоднократно опускались и на ее поверхность. В 1969 г. на поверхность Луны впервые опустился космический аппарат с двумя американскими астронавтами. К настоящему времени на Луне побывало шесть экспедиций астронавтов США, благополучно вернувшихся на Землю. Они ходили и даже ездили на специальном вездеходе по поверхности Луны, устанавливали и оставляли на ней разные аппараты, в частности сейсмографы для регистрации "лунотрясений", и привезли образцы лунного грунта. Советские ученые получили пробы лунных пород из разных мест при помощи автоматов, которые по команде с Земли брали пробу грунта и возвращались с ней на Землю.

Химический анализ образцов лунного вещества показал, что породы Луны не столь разнообразны, как земные, и сходны по составу с базальтами.

Посылались на Луну и советские автоматические самоходные лаборатории - луноходы , выполнившие много научных измерений и анализов грунта и прошедшие по Луне значительные расстояния - несколько десятков километров. Даже в тех местах лунной поверхности, которые с Земли выглядят ровными, грунт изобилует воронками и засыпан камнями всевозможных размеров. Луноход, управляемый с Земли по радио, "шаг за шагом" передвигался с учетом характера местности, вид которой передавался на Землю по телевидению. Это величайшее достижение советской науки важно как пример прямого исследования физических условий на другом небесном теле, которое находится от Земли на огромном расстоянии.

Советские космические станции установили отсутствие у Луны магнитного поля и поясов радиации.

Изучение лунного рельефа и его происхождения интересно и потому, что Луна сохранила на своей поверхности следы древних геологических событий, так как вода и ветер не разрушают кору. Но Луна - это не совсем мертвый мир. В 1958 г. советский астроном Н. А. Козырев заметил в кратере Альфонс выделение газов из лунных недр.

Рассмотрите внимательно вид внутренности вала и центральной горки кратера Коперник, сфотографированных искусственным спутником Луны сбоку (рис. 49).

Рис. 49. "Центральная горка", скорее, горная цепь в центре кратера Коперник и террасы его вала, обрывающиеся внутрь (кратер снят с искусственного спутника Луны. С Земли он выглядит сходно с цирком Альфонс)

В формировании рельефа Луны, по-видимому, принимали участие и внутренние, и внешние силы. Роль тектонических и вулканических явлений несомненна, так как на Луне есть линии сброса и цепочки кратеров, имеющих сходство с лавовыми озерами Гавайских островов. Что касается лунных "морей", то они, по-видимому, образованы проплавлениями лунной коры и излияниями лавы на поверхность. Однако на Луне не обнаружено пород моложе 2 млрд. лет, и это говорит о давнем прекращении магматической и вулканической активности.

Большинство лунных кратеров образовалось при ударах метеоритов и даже астероидов. На Земле также есть кратеры ударного происхождения (см. с. 82).

Многочисленные кратеры, обнаруженные на некоторых других телах планетной системы, например на Марсе и Меркурии, должны иметь такое же происхождение, как и лунные. Интенсивное кратерообразование, по-видимому, связано с разреженностью их атмосферы, неспособной уменьшить скорость падения метеоритов.

Упражнение 15

1. Видны ли с Луны те же созвездия (видны ли они так же), что и с Земли?

2. На краю Луны видна с Земли гора в виде зубца высотой 1". Рассчитайте ее высоту в километрах.

Задание 9

Используя формулы (§ 12.4), определите линейный диаметр лунного цирка Альфонс, измерив его на рисунке 47 и зная, что угловой диаметр Луны, видимый с Земли, составляет около 30", а расстояние до нее около 380 000 км.