Интересно проследить за тем, как нарастает и убывает угол либрации с передвижением Луны по орбите. Поставим в D острие циркуля и опишем дугу, проходящую через фокусы О и Р. Она пересечет орбиту в точках B и F. Углы ОВР и OFP как вписанные равные половине центрального угла ODP. Отсюда выводим, что при движении Луны от А до D либрация растет сначала быстро, в точке В достигает половины максимальной, затем продолжает нарастать медленно; на пути от D до F либрация убывает сначала медленно, потом быстро. На второй половине эллипса либрация меняет свою величину тем же темпом, но в обратную сторону. (Величина либрации в каждой точке орбиты приблизительно пропорциональна расстоянию Луны от большой оси эллипса.)
То покачивание Луны, которое мы сейчас рассмотрели, называется либрацией по долготе. Спутник наш подвержен еще и другой либрации – по широте. Плоскость лунной орбиты наклонена к плоскости экватора Луны на 6½°. Поэтому мы видим Луну с Земли в одних случаях чуть с юга, в других – с севера, заглядывая немного в «невидимую» половину Луны через ее полюсы. Эта либрация по широте достигает 6½°.
Объясним теперь, как пользуется астроном-фотограф описанными легкими покачиваниями Луны около среднего положения, чтобы получить стереоскопические снимки ее. Читатель догадывается, вероятно, что для этого надо подстеречь два таких положения Луны, при которых в одном она была бы повернута по отношению к другому на достаточный угол.[9] В точках А и В, В и С, С и D и т. д. Луна занимает настолько различные по отношению к Земле положения, что стереоскопические снимки возможны. Но здесь перед нами новое затруднение: в этих положениях разница в возрасте Луны, 1½—2 суток, чересчур велика, так что полоска лунной поверхности возле круга освещения на одном снимке уже выходит из тени. Это для стереоскопических снимков недопустимо (полоска будет блестеть, как серебряная). Возникает трудная задача: подстеречь одинаковые фазы Луны, которые отличаются величиной либрации (по долготе) так, чтобы круг освещения проходил по одним и тем же деталям лунной поверхности. Но и этого недостаточно: в обоих положениях должны быть еще одинаковые либрации по широте.
Наш читатель едва ли станет изготовлять лунные стереофотографии. Способ их получения объяснен здесь, конечно, не с практической целью, а лишь для того, чтобы ради него рассмотреть особенности лунного движения, дающие астрономам возможность увидеть небольшую полоску обычно недоступной наблюдателю стороны нашего спутника. Благодаря обеим лунным либрациям мы видим, в общем, не половину всей лунной поверхности, а 59 % ее. До запуска в Советском Союзе третьей космической ракеты в сторону Луны 41 % лунной поверхности был недоступен изучению.
Как устроена эта часть поверхности Луны, никто не знал. Делались остроумные попытки, продолжив обратно части лунных хребтов и светлые полосы, переходящие с невидимой части Луны на видимую, набросать гадательно некоторые подробности недоступной нам половины. В результате запуска 4 октября 1959 года автоматической межпланетной станции «Луна-3» получены фотографии обратной стороны Луны. Советские ученые получили право дать названия вновь открытым лунным образованиям. Кратеры названы именами выдающихся деятелей науки и культуры – Ломоносова, Циолковского, Жолио-Кюри и других, присвоены названия двум новым морям – Морю Москвы и Морю Мечты. Вторично обратная сторона Луны была сфотографирована советской станцией «Зонд-3», запущенной 18 июля 1965 года.
В 1966 году «Луна-9» мягко прилунилась и передала на Землю изображение лунного пейзажа. В 1969 году лунному Морю Спокойствия пришлось испытать беспокойство. На сухое дно этого «моря» опустилась посадочная кабина американского космического корабля «Аполлон-11». Астронавты Нейл Армстронг и Эдвин Олдрин стали первыми землянами, которые ступили на поверхность Луны. Они установили несколько приборов, взяли образцы лунного грунта и вернулись на корабль, ожидавший их на орбите. Пилотировал «Аполлон-11» Майкл Коллинз. До конца 1972 года на Луне побывали еще пять американских экспедиций.
Одновременно в СССР запускались к Луне автоматические станции. В 1970 году «Луна-16», опустившись на поверхность Луны, впервые взяла образцы лунного грунта и доставила их на Землю. В том же году «Луна-17» выпустила на поверхность нашего спутника самоходный «Луноход-1». Этот восьмиколесный робот, похожий одновременно на черепаху и на армейскую полевую кухню, за 301 сутки прошел почти 11 километров и передал на Землю 20 000 снимков, 200 панорам и в 500 точках проводил исследование грунта.
Чуть позже «Луна-20» привезла на Землю образцы грунта из горного района Луны, недоступного для астронавтов. В 1973 году «Луна-21» отправила в поход «Луноход-2», который за 4,5 месяца проехал 37 км, исследуя рельеф местности и состав грунта. Оба колесных робота управлялись с Земли по радио и систематически передавали в ЦУП снимки лунных пейзажей, результаты анализа грунта. Автоматическая станция «Луна-24» (1976 г.) пробурила лунный грунт на глубину 2 м и доставила 170 г его образцов на Землю.
Высказываемая нередко мысль о существовании атмосферы и воды на обратной стороне Луны не обоснована и противоречит законам физики: если нет атмосферы и воды на одной стороне Луны, то не может быть их и на другой (к этому вопросу мы еще вернемся).
Вторая Луна и луна ЛуныВ печати время от времени появляются сообщения, что тому или иному наблюдателю удалось видеть второго спутника Земли, вторую ее Луну.
Вопрос о существовании второго спутника Земли не нов. Он имеет за собой длинную историю. Кто читал роман Жюля Верна «Из пушки на Луну», тот помнит, вероятно, что уже там упоминается о второй Луне. Она так мала и скорость ее так велика, что жители Земли наблюдать ее не могут. Французский астроном Пти, – говорит Жюль Берн, – заподозрил ее существование и определил период ее обращения вокруг Земли в 3 ч. 20 м. Расстояние ее от поверхности Земли равно 8140 км. Любопытно, что английский журнал «Знание», в статье об астрономии у Жюля Верна, считает ссылку на Пти, как и самого Пти, попросту вымышленными. Ни в одной энциклопедии об этом астрономе действительно не упоминается. И все-таки сообщение романиста не вымышлено. Директор Тулузской обсерватории Пти в 50-х годах прошлого столетия действительно отстаивал существование второй Луны, – метеорита с периодом обращения в 3 ч. 20 м., кружащегося, правда, не в 8 000, а в 5 000 км от земной поверхности. Мнение это разделялось и тогда лишь немногими астрономами, впоследствии же было совершенно забыто. Теоретически в допущении существования второго, очень мелкого спутника Земли нет ничего противонаучного. Но подобное небесное тело должно было бы наблюдаться не только в те редкие моменты, когда оно проходит (кажущимся образом) по диску Луны или Солнца. Даже если оно обращается так близко к Земле, что должно при каждом обороте погружаться в широкую земную тень, то и в таком случае можно было бы его видеть на утреннем и вечернем небе сияющим яркой звездой в лучах Солнца.[10] Быстрым движением и частыми возвращениями звезда эта привлекла бы к себе внимание многих наблюдателей. В моменты полного солнечного затмения вторая Луна также не ускользнула бы от взора астрономов. Словом, если бы Земля действительно обладала вторым спутником, его случалось бы наблюдать довольно часто. Между тем бесспорных наблюдений не было ни одного.
Строго говоря, у Земли имеются, кроме Луны, еще два спутника. Не искусственных, а вполне естественных. И не крошечных, а такого же размера, как и сама Луна. Но, хотя эти «Луны» были открыты уже давно (в 1956 г., польским астрономом Кордылевским), видеть их очень мало кому удавалось. Все дело в том, что эти спутники целиком состоят из пыли. Эти пылевые «Луны» перемещаются среди звезд по той же трассе, что и настоящая Луна, и с той же скоростью. Одна опережает Луну на 60 градусов, другая на столько же отстает. И от Земли их отделяет такое же расстояние, как и Луну. Края этих «Лун» размыты, что очень затрудняет наблюдение.
Наряду с проблемой второй Луны ставился также вопрос о том, нет ли у нашей Луны своего маленького спутника – «луны Луны».
Но непосредственно удостовериться в существовании подобного лунного спутника очень трудно. Астроном Мультон высказывает об этом следующие соображения:
«Когда Луна светит полным светом, ее свет или свет Солнца не позволяют различить в соседстве с нею очень маленькое тело. Только в моменты лунных затмений спутник Луны мог бы освещаться Солнцем, в то время как соседние участки неба были бы свободны от влияния рассеянного света Луны. Таким образом, лишь во время лунных затмений можно было бы надеяться открыть небольшое тело, обращающееся около Луны. Такого рода исследования уже производились, но реальных результатов не дали».
v2 = 2gh.
Подставим вместо v его значение – 500 м/с, вместо g – 10 м/с2, имеем
250 000 = 20h,
откуда
h = 12 500 м = 12½км.
Но если молекулы воздуха не могут взлетать выше 12½ км, то откуда берутся воздушные молекулы выше этой границы? Ведь кислород, входящий в состав нашей атмосферы, образовался близ земной поверхности (из углекислого газа в результате деятельности растений). Какая же сила подняла и удерживает их на высоте 500 и более километров, где безусловно установлено присутствие следов воздуха? Физика дает здесь тот же ответ, какой услышали бы мы от статистика, если бы спросили его: «Средняя продолжительность человеческой жизни 70 лет; откуда же берутся 80-летние старики?» Все дело в том, что выполненный нами расчет относится к средней, а не реальной молекуле. Средняя молекула обладает секундной скоростью в ½ км, но реальные молекулы движутся одни медленнее, другие быстрее средней. Правда, процент молекул, скорость которых заметно отклоняется от средней, невелик и быстро убывает с возрастанием величины этого отклонения. Из всего числа молекул, заключающихся в данном объеме кислорода при 0°, только 20 % обладают скоростью от 400 до 500 м в секунду; приблизительно столько же молекул движется со скоростью 300–400 м/с, 17 % – со скоростью 200–300 м/с, 9 % – со скоростью 600–700 м/с, 8 % – со скоростью 700–800 м/с, 1 % – со скоростью 1300–1400 м/с. Небольшая часть (меньше миллионной доли) молекул имеет скорость 3500 м/с, а эта скорость достаточна, чтобы молекулы могли взлететь даже на высоту 600 км.
Действительно, 35002 = 20h, откуда h=12250000/20 т. е. свыше 600 км.
Становится понятным присутствие частиц кислорода на высоте сотен километров над земной поверхностью: это вытекает из физических свойств газов. Молекулы кислорода, азота, водяного пара, углекислого газа не обладают, однако, скоростями, которые позволили бы им совсем покинуть земной шар. Для этого нужна скорость не меньше 11 км в секунду, а подобными скоростями при невысоких температурах обладают только единичные молекулы названных газов. Вот почему Земля так прочно удерживает свою атмосферную оболочку. Вычислено, что для потери половины запаса даже самого легкого из газов земной атмосферы – водорода – должно пройти число лет, выражающееся 25 цифрами. Миллионы лет не внесут никакого изменения в состав и массу земной атмосферы.
Чтобы разъяснить теперь, почему Луна не может удерживать вокруг себя подобной же атмосферы, остается досказать немного.
Напряжение силы тяжести на Луне в шесть раз слабее, чем на Земле; соответственно этому скорость, необходимая для преодоления там силы тяжести, тоже меньше и равна всего 2360 м/с. А так как скорость молекул кислорода и азота при умеренной температуре может превышать эту величину, то понятно, что Луна должна была бы непрерывно терять свою атмосферу, если бы она у нее образовывалась.
Когда улетучатся наиболее быстрые из молекул, критическую скорость приобретут другие молекулы (таково следствие закона распределения скоростей между частицами газа), и в мировое пространство должны безвозвратно ускользать все новые и новые частицы атмосферной оболочки.
По истечении достаточного промежутка времени, ничтожного в масштабе мироздания, вся атмосфера покинет поверхность столь слабо притягивающего небесного тела.
Можно доказать математически, что если средняя скорость молекул в атмосфере планеты даже втрое меньше предельной (т. е. составляет для Луны 2360: 3 = 790 м/с), то такая атмосфера должна наполовину рассеяться в течение нескольких недель. (Устойчиво сохраняться атмосфера небесного тела может лишь при условии, что средняя скорость ее молекул меньше одной пятой доли от предельной скорости.) Высказывалась мысль – вернее, мечта, – что со временем, когда земное человечество посетит и покорит Луну, оно окружит ее искусственной атмосферой и сделает таким образом пригодной для обитания. После сказанного читателю должна быть ясна несбыточность подобного предприятия.
Отсутствие атмосферы у нашего спутника – не случайность, не каприз природы, а закономерное следствие физических законов.
Понятно также, что причины, по которым невозможно существование атмосферы на Луне, должны обусловливать ее отсутствие вообще на всех мировых телах со слабым напряжением силы тяжести: на астероидах и на большинстве спутников планет.
Размеры лунного мираОб этом, конечно, с полной определенностью говорят числовые данные: величина диаметра Луны (3500 км), поверхности, объема. Но числа, незаменимые при расчетах, бессильны дать то наглядное представление о размерах, какого требует наше воображение. Полезно будет обратиться для этого к конкретным сопоставлениям.
Сравним лунный материк (ведь Луна – сплошной материк) с материками земного шара (рис. 39). Это скажет нам больше, нежели отвлеченное утверждение, что полная поверхность лунного шара в 14 раз меньше земной поверхности. По числу квадратных километров поверхность нашего спутника лишь немногим меньше поверхности обеих Америк. А та часть Луны, которая обращена к Земле и доступна нашему наблюдению, почти в точности равна площади Южной Америки.
Рис. 39. Размеры Луны по сравнению с материком Европы (не следует, однако, заключать, что поверхность лунного шара меньше поверхности Европы)
Чтобы сделать наглядными размеры лунных «морей» по сравнению с земными, на рис. 40 на карту Луны наложены в том же масштабе контуры Черного и Каспийского морей. Сразу видно, что лунные «моря» не особенно велики, хотя и занимают заметную часть диска. Море Ясности, например (170 000 км2), приблизительно в 2½ раза меньше Каспийского.
Зато среди кольцевых гор Луны имеются подлинные гиганты, каких нет на Земле. Например, круговой вал горы Гримальди охватывает поверхность, большую, нежели площадь озера Байкал. Внутри этой горы могло бы целиком поместиться небольшое государство, например Бельгия, или Швейцария.
Рис. 40. Земные моря по сравнению с лунными. Черное и Каспийское моря, перенесенные на Луну, были бы там больше всех лунных морей (цифрами обозначены: 1 – Море Дождей, 2 – Море Ясности, 3 – Море Спокойствия, 4 – Море Изобилия, 5– Море Нектара)
Лунные пейзажиФотографии лунной поверхности воспроизводятся в книгах так часто, что вид характерных особенностей лунного рельефа – кольцевых гор (рис. 41), «кратеров» – знаком, вероятно, каждому из наших читателей. Возможно, что иные наблюдали лунные горы и в небольшую трубу; для этого достаточна труба с объективом в 3 см.
Рис. 41. Типичные кольцевые горы Луны
Но ни фотографии, ни наблюдения в телескоп не дают представления о том, какой казалась бы лунная поверхность наблюдателю на самой Луне. Стоя непосредственно возле лунных гор, наблюдатель видел бы их в иной перспективе, чем в телескоп. Одно дело рассматривать предмет с большой высоты и совсем иное – сбоку вблизи. Покажем на нескольких примерах, в чем проявляется это различие. Гора Эратосфен представляется с Земли в виде кольцевого вала с пиком внутри. В телескоп она вырисовывается рельефно и резко благодаря четким, неразмытым теням. Взгляните, однако, на ее профиль (рис. 42): вы видите, что по сравнению с огромным поперечником кратера – 60 км – высота вала и внутреннего конуса очень мала; отлогость склонов еще более скрадывает их высоту.
Рис. 42. Профиль большой кольцевой горы
Вообразите себя теперь бродящим внутри этого кратера и помните, что поперечник его равен расстоянию от Ладожского озера до Финского залива. Едва ли уловите вы тогда кольцеобразную форму вала; к тому же выпуклость почвы скроет от вас его нижнюю часть, так как лунный горизонт вдвое теснее земного (соответственно вчетверо меньшему диаметру лунного шара). На Земле человек среднего роста, стоя на ровной местности, может видеть вокруг себя не далее 5 км. Это вытекает из формулы дальности горизонта[11]
где D – дальность в км, h – высота глаза в км, R – радиус планеты в км.
Подставив в нее данные для Земли и для Луны, узнаем, что для человека среднего роста дальность горизонта
на Земле………,4,8 км,
на Луне……….2,5 км.
Какая картина представилась бы наблюдателю внутри большого лунного кратера, показывает рис. 43. (Ландшафт изображен для другого большого кратера – Архимеда.) Неправда ли: обширная равнина с цепью холмов на горизонте мало похожа на то, что обычно представляют себе при словах «лунный кратер»?