Земля – космос – Луна

ФОРМА, МАССА И ХАРАКТЕРИСТИКА ДВИЖЕНИЯ ЛУНЫ, ЕЕ ГРАВИТАЦИОННОЕ ПОЛЕ

На протяжении многих веков масса, форма и движение Луны изучались средствами главным образом астрономии и небесной механики. В настоящее время развитие науки и практической космонавтики потребовало еще и выяснения гравитационного поля Луны, причем к решению указанных вопросов привлечены также космические аппараты, в первую очередь лунные спутники.

Определение массы Луны (точнее – отношения массы Луны к массе Земли) производилось обычно исследованием движения проходящего близко небесного тела, не связанного с движением системы Земля – Луна, что позволяло найти положение центра массы системы Земля – Луна.

Согласно прежним определениям этот центр (вокруг которого обращается Земля с месячным периодом) расположен внутри нашей планеты примерно на расстоянии 4700 километров от ее центра (напомним, что радиус Земли равен 6378 километрам); отношение массы Луны к массе Земли принималось равным 1: 81,56. Тщательные наблюдения астероида Эрос при его приближении к Земле на протяжении 1930 – 1931 годов дали для этого отношения довольно близкое значение, равное 1:81,27.

После запусков искусственных спутников Земли появилась возможность дальнейшего уточнения соотношения масс Луны и Земли; изучение возмущений в движении ИСЗ позволило определить его с точностью до одной шестнадцатитысячной – как значение, равное 1: 81,3, – которое и было принято в качестве одной из астрономических постоянных Международным астрономическим союзом в 1964 году. Величина массы Луны, безусловно, будет определена еще более точно после обработки измерений движения искусственных спутников Луны.

Исследование движения Луны в пространстве является наиболее тонкой проблемой в небесной механике, и ее приходится решать на основе только теории тяготения с привлечением сложнейших математических методов расчета. Хотя используемые исходные данные (основные параметры Луны, Земли, Солнца, несимметричность формы Земли и т. д.) имеют определенную погрешность, все же положение Луны, которое она будет занимать на небесной сфере, вычислено на много десятилетий вперед с точностью около одной секунды угловой дуги, т. е. двух километров лунной орбиты.

В соответствии с малой погрешностью в прогнозировании движения Луны {и Земли) удается обеспечить и малую погрешность в предсказании времени наступления солнечных и лунных затмений; можно подсчитать время их наступления на столетие вперед с ошибкой во времени всего лишь в несколько секунд.

Однако с появлением новых научных и практических проблем даже столь высокие точности расчета движения Луны перестают нас удовлетворять; дальнейшее исследование Луны с помощью космической техники – это средство, которое позволит продвинуться дальше и в этой области знания.

Уточнение формы Луны (как, впрочем, и Земли) – это нескончаемо длительный процесс, зависящий от очень многих факторов и требующий участия самых различных наук, а также различных методических подходов.

Оптические наблюдения были первым средством поиска отклонений формы Луны от шаровой; однако профиль видимого края Луны осложняется своеобразным рельефом лунной поверхности (горы и «моря»), а также тем обстоятельством, что полностью освещенным обычно виден или восточный или западный край. Полное одновременное освещение всего лунного края практически было получено при полутеневом затмении (Пулковская обсерватория, 27 сентября 1958 года) и при кольцеобразном солнечном затмении (американская экспедиция, 31 июля 1962 года и 25 января 1963 года).

Выяснилось, что профиль лунного края хорошо аппроксимируется эллипсом со сжатием около одной тысячной, большая полуось которого имеет с полярной осью Луны угол в 35 градусов; при этом разность полуосей этого эллипса составляет 1,5 – 2 километра. Но здесь следует иметь в виду, что вследствие либрации Луны и различий микрорельефа лунной поверхности при наблюдении других затмений можно получить и отличающиеся результаты. Различия в очертаниях края лунного диска при двух разных фазах либрации можно видеть на рис. 61. Согласно данным американского ученого Болдуина, Луна имеет выступ размером до 2 километров в направлении к Земле, который охватывает как континентальные. так и «морские» районы.

Рис. 61. Снимки Луны при двух различных фазах либрации

Попытка построить фигуру Луны как тела, гидростатически равновесного ко времени затвердевания Луны, пока не привела к успеху.

Кроме изучения геометрической фигуры Луны по данным наблюдательной астрономии, исследуется также теоретически механическая фигура Луны применением динамических методов. Основной базой этих методов является использование соотношений между главными моментами инерции Луны и материалов обработки движения лунных спутников.

Момент инерции Луны относительно оси, направленной на Землю, является минимальным (что и требуется устойчивостью вращательного движения Луны) и обозначается буквой А.

Наибольшим оказался момент инерции С относительно полярной оси; промежуточный по величине момент инерции В принят относительно оси, перпендикулярной двум названным.

Отношение (C – A) / C = 0,00063 определено из наблюдений наклона лунного экватора к плоскости эклиптики;

значение (B – A) / C = 0,0002 получено из наблюдений физической либрации Луны.

В отличие от оптической либрации Луны физическая либрация – вызываемая притяжением Земли в связи с наличием оптической либрации и несимметричным распределением масс в Луне, а именно, ее вытянутостью в направлении к нашей планете – имеет небольшую величину.

Амплитуда вынужденной физической либрации, зависящая от механической эллиптичности Луны, определяется параметром f = B (C – B) / A (С – А) значения f, определенные с помощью наблюдений, дают две группы значений этого параметра: 0,73 и 0,60. Соответственно таким величинам f – разность радиусов Луны, направленного к Земле, и полярного – лежит между 1100 метрами и 650 метрами, а полярный радиус короче на 140 – 280 метров экваториального, перпендикулярного лучу зрения.

Существует еще один подход в определении фигуры Луны, предложенный в 1964 году советским ученым Б. Ю. Левиным, который считает, что сплюснутость Луны можно объяснить имеющимся убыванием температуры поверхностного слоя от экватора к полюсам: известно, что на глубине около одного метра от поверхности Луны – независимо от суточных колебаний – температура постоянна и равна приблизительно минус 30° С для экватора, а для районов полюсов – минус 170е С, т. е. существенно ниже. Если предположить, что такой же характер распределения температур распространяется и в глубь Луны, а ее недра находятся в полурасплавленном состоянии, то можно сделать заключение, что в районе полюсов имеется более толстый и тяжелый твердый слой (вызывающий его проседание), чем в экваториальной зоне. Расчеты такой двухслойной модели, выполненные В. С. Сафроновым, привели к выводу, что экваториальный радиус превосходит полярный на 1 – 1,5 километра.

Изучение формы Луны с помощью американских спутников «Лунар Орбитер» дало следующие результаты: Луна имеет грушевидную форму – она примерно на 100 метров сплюснута у южного лунного полюса и на столько же выпучена у северного; южное полушарие полнее, а диаметр Луны в плоскости экватора несколько меньше» чем это наблюдалось бы при сферической форме Луны.

Определение гравитационного поля Луны и распределения масс в ней производилось с помощью искусственных спутников «Луна-10», «Луна-11», сЛуна-12», «Луна-14», «Луна-19» и аппаратов «Лунар Орбитер».

Если основной целью запуска первых трех советских спутников Луны было исследование ее поверхности и окололунного пространства, то научная станция «Луна-14» (запущенная 7 апреля 1968 года) и станция «Луна-19» главной задачей имели: уточнение отношения масс Луны и Земли, гравитационного поля Луны и ее формы методом систематических, длительных наблюдений за изменениями параметров орбиты спутника Луны; получение дополнительной информации для построения более точной теории движения Луны.

К настоящему времени опубликованы лишь результаты обработки материалов, полученных станциями «Луна-10» и частично «Лунар Орбитер», которые дают возможность построить в первом приближении гравитационное поле Луны, вызванное несимметричностью расположения масс и центра тяжести нашей естественной спутницы.

Спутник «Луна-10» функционировал в течение двух лунных месяцев (с 3 апреля по 30 мая 1966 года), что дало возможность проанализировать его движение на протяжении 460 оборотов вокруг Луны.

Изменение орбиты лунного спутника вызывается в основном воздействием Земли, Солнца и нецентральностью поля тяготения Луны. Обработка траекторных измерений позволила – при известных возмущениях со стороны Земли и Солнца – построить гравитационное поле Луны.

Изменение основных параметров орбиты спутника «Луна-10» вследствие несимметричности поля тяготения Луны превосходит в 5 – 6 раз соответствующие возмущения, обусловленные воздействием Солнца и Земли. Так, например, нецентральность лунного поля тяготения вызывает в течение одного оборота спутника «Луны-10» изменение в координатах его орбиты, примерно равное 0,75 километра, а влияние Солнца и Земли приводит к изменению координат орбиты не более чем на 0,11 километра за один оборот.

Выявлена несимметричность поля тяготения видимого и невидимого полушарий Луны и тенденция грушевидного распределения масс (по данным измерений «Лунар Орби-тер» центр массы Луны сдвинут в сторону Земли).

Для иллюстрации гравитационного потенциала Луны, определенного с помощью спутника «Луна-10», на рис. 62 приведены сечения поверхности уровня гравитационного потенциала Луны тремя взаимно перпендикулярными плоскостями (радиус окружности сравнения был взят равным 1738 километрам). Оси координат выбраны следующим образом: ось X направлена к Земле, ось Z – к северному полюсу Луны, ось Y дополняет оси X, Z до правой прямоугольной системы.

Рис. 62. Сечения поверхности уровня гравитационного потенциала Луны экваториальной (а) и меридиональными (б, в) плоскостями, по материалам спутника «Луна-10»; радиальное отклонение от окружности увеличено для наглядности в 1000 раз

Траекторные измерения пяти спутников «Лунар Орбитер» также использовались для определения гравитационного поля Луны и распределения масс по ее объему; удачным дополнением к обычным траекторным методам регистрации движения аппарата «Лунар Орбитер-5» явилось его фотографирование на орбите с помощью телескопа.

Оригинальные данные о плотности лунных пород под поверхностью всех пяти кольцеобразных «морей» Луны сообщило Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства США (NACA) на основании изучения полета аппарата «Лунар Орбитер-5» по низкой селеноцентрической орбите.

Оказалось, что в районе лунных морей – Дождей, Ясности, Кризисов, Нектара, Влажности и других – скорость движения спутника возрастала; аналогичное явление было отмечено при полете «Лунар Орбитер-5» над центром видимого диска Луны – между Центральным и Восточным заливами (возможно, что эта область ранее была «морем» округлой формы).

Изучение полученных материалов позволяет утверждать, что под поверхностью лунных «морей», на глубине примерно 50 километров, расположены породы с большой плотностью. Очевидно в процессе образования «морей» Луны при извержении лавы формировались породы повышенной плотности, что, возможно, объясняется (как и кольцеобразная форма «морей») падением на Луну небесных тел типа астероидов.

Районы Луны с местным увеличением гравитационного воздействия названы «масконами» (концентрация массы).

Анализ движения различных аппаратов «Лунар Орбитер», пролетавших над одинаковыми областями Луны на различных высотах, дает следующие физические характеристики масконов: глубина залегания возмущающих масс под лунной поверхностью – от 25 до 125 километров; протяженность масконов – от 50 до 200 километров; маскон в Море Дождей имеет массу, равную 20-10-6 от массы Луны. Районы концентрации масс на Луне (по данным американских ученых Мюллера и Съергена, открывших масконы) приведены в следующей таблице.

Рассмотрение материалов, полученных по результатам полета всех лунных спутников, дает возможность прийти к выводу о том, что вещество Луны более однородно по плотности, чем это предполагалось ранее. Плотность глубинных слоев Луны оказалась почти постоянной вдоль радиуса, т. е. мало увеличивающейся с приближением к центру Луны, в отличие от Земли, имеющей весь. ма плотное центральное ядро по сравнению с вышележащими оболочками. Отношение плотности центрального ядра к средней плотности наружных пород составляет для Земли около 5, а для Луны, по-видимому, – не превосходит 2.

Исследование Луны посредством анализа движения ее спутников позволило получить многие количественные гравитационные характеристики; однако их уточнение должно быть проведено с использованием специально оборудованных лунных спутников.

Лазерная локация Луны явилась новым эффективным методом изучения ряда глобальных параметров Луны и Земли, позволяющим произвести их уточнение в десятки раз. Ее применение позволило решить следующие задачи: измерение расстояния Земля – Луна с погрешностью менее 1 метра; уточнение движения Луны в пространстве и вокруг ее оси, ее физическую либрацию; проверку гипотезы о дрейфе земных континентов и о медленном уменьшении силы тяготения (расстояние до Луны при этом увеличивается); уточнение прогноза землетрясений по наблюдениям колебаний Земли относительно ее оси вращения.

Рис. 63. Лазерный отражатель (разработанный французскими специалистами), доставленный на Луну советской автоматической станцией «Луна-17»

Впервые эксперименты лазерной локации лунной поверхности (с длительностью импульса порядка одной тысячной секунды) были проведены американскими и советскими учеными в 1962 и 1963 годах; удалось замерить расстояние Земля – Луна с ошибкой до 150 километров.

Усовершенствованное лазерное устройство (с длительностью импульса около одной стомиллионной секунды) позволило измерить расстояние до дна лунного кратера Фламмарион уже с точностью в несколько сотен метров.

Ошибку измерений можно было снизить еще пример. но в 100 раз размещением на Луне специального отражателя, определенным образом ориентированного на Землю.

Такого рода измерения стали возможными с доставкой на Луну кораблем «Аполлон-11» и станцией «Луна-17» светоотражателей, служащих точечными мишенями.

Отражатель лазерного излучения, разработанный французскими специалистами, был доставлен на Луну научной станцией «Луна-17» (рис. 63). Он состоит из панели (с теплоизоляцией), на которой укреплены 14 четырехгранных призм из специального однородного стекла с очень малым коэффициентом температурного расширения; три прямых угла призмы выполнены с точностью до десятой доли угловой секунды. Световой лазерный пучок, посланный на Луну, после трехкратного преломления в призме возвращается в ту же точку Земли, откуда он был отправлен.

Для обеспечения лазерной локации Луны служит наземный комплекс, установленный на телескопе и состоящий из оптического передатчика на рубиновом лазере, узкополосного фотоприемника с системой регистрации отраженного сигнала, измерителя времени распространения сигнала в оба конца, блоков автоматики и управления всей аппаратурой.

Систематические и длительные измерения методом лазерной локации, начатые с отражателями, установленными на Луне («Аполлон-11» с 1 августа 1969 года, «Луна-17» с 5 декабря 1970 года), помогут решить ряд сформулированных выше фундаментальных задач, связанных с исследованием основных параметров Луны и Земли.