Образование луны как спутника земли

Гипотезы образования Луны

Научные исследования раскрыли немало фактов о ближайшем к нам космическом объекте, но на вопрос, как появилась Луна и откуда взялась около Земли, ученые не дают точного ответа. В истории исследования Луны были различные гипотезы о ее возникновении.

Гипотезы и факты

Любой, кто выдвигает гипотезу образования Луны должен учитывать не только физическим законам, но и объяснять следующие факты:

Средняя плотность Луны уступает средней плотности Земли из-за наличия у последней большого металлического ядра.
Помимо дефицита железа, Луна имеет весьма низкое, по сравнению с Землей, содержание легколетучих элементов, таких, как водород, азот, фтор, инертные газы. И напротив, на Луне наблюдается некоторый излишек относительно тугоплавких элементов, например, титана, урана и тория.
Породы лунной коры и породы земной коры и мантии практически идентичны по соотношению стабильных изотопов кислорода. Для сравнения, метеориты из разных частей Солнечной системы (в том числе и т. н. марсианские метеориты) имеют совершенно другие соотношения изотопов кислорода.

Внутреннее строение луны

Луна имеет мощную прочную кору толщиной в 60-80 километров (в несколько раз толще земной коры), образованную из пород плавления лунной мантии. Поэтому полагают, что Луна когда-то была нагрета до полного расплавления. Земля, как считается, никогда не была полностью расплавленной.
Луна и Земля имеют необычно высокое соотношение масс спутника и планеты, равное 1/81, в сравнении с остальными спутниками планет Солнечной системы.
Cистема Луна-Земля обладает необычно высоким угловым моментом импульса.
Плоскость орбиты Луны (наклон 5° к эклиптике) не совпадает с экваториальной плоскостью Земли (наклон 23,5° к эклиптике).

Рассмотрим основные гипотезы, которые существуют в настоящее время о том, как и когда появилась Луна.

Гипотеза центробежного разделения

В 1878 г. английский астроном Джордж Дарвин, сын Чарлза Дарвина, предложил теорию: ночное светило, бывшее частью Земли, впоследствии отделилось. По его версии Земля в начале существования представляла горячую жидкую массу, вращающуюся с большой скоростью.

При вращении центробежная сила так вытягивала массу в зоне экватора, что от нее оторвалась часть вещества, которая после остывания стала Протолуной. Указывалось и место такого отрыва — Тихоокеанский бассейн.

Подтверждением этой версии является идентичность плотности Луны и геосферы Земли и установленная в процессе исследований высокая скорость вращения планеты в прошлом.

Мнение за и против:

Отрыв вещества от чрезмерно растянутого экваториального выступа хорошо объясняет имеющийся размер Луны. Этой гипотезе хорошо соответствует и меньшая плотность Луны, поскольку она соответствует плотности земной мантии. Современные данные подтверждают и факт более быстрого вращения Земли в далёком прошлом.

Однако требуемая для центробежного отрыва скорость вращения чрезмерно велика (один оборот Земли за 1-2 часа). Момент импульса вращения Земли в таком случае должен был в 3-4 раза превышать нынешний момент импульса системы Земля — Луна (который и без того необычно высок). Появление у образовавшейся Земли такого момента импульса вращения невозможно объяснить, как невозможно объяснить и его последующее исчезновение.

Более низкое, чем у Земли, содержание летучих элементов в лунном веществе не вписывается в данную гипотезу. К тому же современная теория тектоники литосферных плит считает, что тихоокеанский бассейн в его нынешнем виде существует всего около 70 миллионов лет, и никак не мог образоваться при отрыве мантии от Земли.

Гипотеза захвата

Данная гипотеза, выдвинутая в начале 20 века, утверждает, что Луна некогда была вполне самостоятельной планетой Солнечной системы. Под влиянием соседних небесных тел она сильно отклонилась от своей орбиты и в момент наибольшего сближения была захвачена гравитацией Земли.

По причине твердости лунной поверхности считается, что это произошло недавно. Если бы спутник сформировался в одно с Землей время, в скопившемся на нем пылевом слое утонули бы исследовательские аппараты.

Известно, что в этих условиях С. П. Королёв принял волевое решение считать поверхность Луны твёрдой и рассчитывать станцию соответственно: следует рассчитывать на достаточно твёрдый грунт типа пемзы

Многие в подтверждение гипотезы ссылаются на легенды ряда народов Земли, в частности, догонов, говорят о временах, когда Луны на небе ещё не было, и о появлении на небе нового светила (Луны).

Мнение против

Захват Луны земной гравитацией мог бы хорошо объяснить высокий момент импульса системы Земля — Луна. Но результаты моделирования показывают, что вероятность захвата Землёй пролетающего тела с массой Луны ничтожно мала. Гораздо более вероятно, что пролетающая планета столкнулась бы с Землёй или наоборот, была бы отброшена гравитацией Земли далеко за пределы земной орбиты.
Малая плотность Луны и отсутствие у неё железного ядра могут быть объяснены, если предположить, что Луна образовалась за пределами зоны планет земной группы (Меркурий, Венера, Земля, Марс). Но тогда невозможно объяснить дефицит летучих элементов, которые есть в изобилии в зоне планет-гигантов. Трудно найти в Солнечной системе подходящую область с меньшим содержанием и того, и другого.
Идентичность соотношения изотопов кислорода на Луне и на Земле совершенно не вписывается в данную гипотезу.

Таким образом, современные исследования превратили гипотезу захвата в маловероятную.

Гипотеза совместного образования

Согласно этой гипотезе Земля и Луна образовались одновременно, в непосредственной близости друг от друга.

Совместное формирование нашей планеты и ее спутника – одна из первых версий о том, откуда появилась Луна. Выдвинута она была немецким философом Кантом.

Земля, как и все планеты Солнечной системы, образовалась из одного газопылевого облака после формирования Солнца. Она постепенно приращивала свою массу за счет пыли, газов и других частиц. Утверждение о совместной аккреции нашей планеты и ее спутника предполагала, что они сформировались как двойная планета, имеющая один орбитальный путь. Предшественница Земли быстрее наращивала массу, а вокруг нее появилось скопление пыли и частиц. Оно постепенно приобрело собственную орбиту и оформилось в твердое небесное тело – Луну.

Мнение за и против

Подтверждением данной гипотезы является схожесть состава Земли и ее спутника.

Но против нее говорит дефицит железа и летучих веществ в образцах лунной поверхности, разность плотности обоих тел и отношение лунной и земной орбит. Также ученые считают невозможным образование на орбите Земли большого космического объекта из-за земной гравитации. Хотя та же гравитация способна притянуть такой объект из глубин космоса.

Гипотеза испарения

Еще одной теорией естественного происхождения Луны является гипотеза, выдвинутая в 1955 г. эстонским астрономом Эрнстом Эпиком: сформировавшаяся Протоземля была окружена роем постоянно атакующих ее каменных частиц, из-за чего произошел нагрев до температуры примерно 2000ºC.

Большой объем вещества испарился назад в околоземное пространство. Летучие элементы сдул солнечный ветер, тяжелые соединились с частицами пыли и льда, вращающихся вокруг Земли, и образовали единый монолит — будущую Луну.

Мнение против

Гипотеза испарения очень хорошо объясняет данные о химическом составе Луны, но не может разрешить ни проблему высокого углового момента импульса, ни проблему наклона лунной орбиты. Геологические данные также не подтверждают столь сильный разогрев Земли на стадии формирования: состав пород земной коры свидетельствует, что Земля никогда не была полностью расплавленной.

Гипотеза многих лун

Гипотезу образования одной большой Луны из нескольких спутников представили в 1960-х годах Томас Голд и Гордон Макдональд. Их основная идея состояла в том, что Земле гораздо проще было бы захватить по отдельности несколько пролетавших мимо небольших небесных тел, чем одно крупное. Если Земля «поймала» от шести до десяти мелких лун, то их орбиты в дальнейшем могли изменяться приливными силами. На протяжении примерно миллиарда лет луны могли сталкиваться друг с другом, а из их обломков сформировалась бы Луна.

Мнение против:

Неправдоподобно выглядит сама возможность захвата Землёй большого количества спутников с их последующим разрушением.
Марс имеет два небольших спутника (Фобос и Деймос), которые до сих пор сосуществуют на околомарсианских орбитах.
Венера, масса которой близка к земной, вообще не имеет спутников, как и Меркурий.
Нет объяснения идентичности изотопно-кислородного состава Луны и Земли.

Гипотеза столкновения

Одна из наиболее современных гипотез появления Луны говорит о том, что наша ближайшая соседка – это фрагмент Земли, отделившийся от нее и приобретший собственную орбиту.

На заре своего развития наша планета могла столкнуться с массивным небесным телом – протопланетой Тейя. При этом удар пришелся по касательной, от чего фрагмент Тейи вместе с участком мантии планеты выбросило на орбиту. Земля в результате удара получила резкий прирост скорости вращения (один оборот за 5 часов) и заметный наклон оси вращения.

На данный момент эту гипотезу приняли как основную.

Мнение за и против

Гипотеза хорошо объясняет все известные факты о химическом составе и строении Луны, а также и физические параметры системы Земля — Луна.

Первоначально большие сомнения вызывала возможность столь удачного соударения (косой удар, невысокая относительная скорость) такого крупного тела с Землёй. Но затем было предположено, что Тейя сформировалась на орбите Земли, в одной из точек Лагранжа системы Солнце — Земля. Такой сценарий хорошо объясняет и низкую скорость столкновения, и угол удара, и нынешнюю, почти точно круговую орбиту Земли.

Для объяснения дефицита железа на Луне приходится принимать допущение, что ко времени столкновения (4,5 млрд лет назад) и на Земле, и на Тейе уже произошла гравитационная дифференциация, то есть выделилось тяжёлое железное ядро и образовалась лёгкая силикатная мантия. Однозначных геологических подтверждений этому допущению не найдено.

Гипотеза метеоритной бомбардировки

В 2007 году физик Н. Горькавый предположил, что Земля постепенно теряла свою массу в результате астероидной бомбардировки космическими телами размером в десятки и сотни километров. Эти столкновения забросили часть вещества мантии Земли в космическое пространство, где из него образовалась Луна .

Гипотеза объясняет, откуда в лунном материале (и у полюсов Луны) вода, которая, согласно гипотезе гигантского столкновения, должна была выкипеть при мегастолкновении. Также новая гипотеза объясняет, почему после столкновения с Тейей не лишилась воды и Земля, ведь она должна была разогреться до полного выкипания океанов. При ряде малых столкновений такого нагрева планеты быть не могло, и она не могла потерять основную массу воды.

Искусственный спутник

Кроме теорий о естественном происхождении Луны выдвигались и невероятные гипотезы о его искусственном появлении.

Пустотелая Луна

Плотность спутника составляет 60% плотности Земли. На основании этого факта было выдвинуто предположение, что Луна может быть полой. В 1969 г. американские ученые провели эксперимент: было организовано падение зонда на поверхность Луны, и установленные сейсмодатчики зафиксировали сильное лунотрясение. При повторении такого эксперимента в следующих исследованиях спутник трясло в течение нескольких часов.

Кроме результатов этого исследования ученые заметили необъяснимое усиление гравитации спутника, что дало основания считать его пустотелым и сформированным в обратном направлении — от поверхности к центру.

Странные показатели

Ученые придерживаются версии искусственного создания Луны по причине различия масс Земли и ее спутника: Луна легче в 81 раз. Такие показатели нехарактерны для спутников других объектов Солнечной системы. У них и диаметр намного меньше лунного: крупнейший спутник Марса — Фобос — имеет диаметр не более 20 км, а наша Луна — 3474,2 км. Кроме этого, различаются и орбиты: Луна имеет почти ровную круговую орбиту, у спутников других планет Солнечной системы она эллиптическая.

Видео

Источник

Луна – естественный спутник Земли

Луна — единственный естественный спутник планеты Земля. Это второй самый яркий объект в небосводе после Солнца. Так как Луна вращается по орбите кругом Земли с временем в один месяц, угол меж Землей, Луной и Солнцем меняется; мы видим этот эффект как цикл лунных фаз.

Хотя Луна и вертится вокруг собственной оси, она всегда обращена к Земле одной и той же стороной. Дело в том, что она производит один кругооборот вокруг собственной оси за то же время (27,3 дней), что и один оборот вокруг Земли. А так как направленность обоих вращений совпадает, его противоположную сторону с Земли узреть нереально.

При этом вращение Луны вокруг Земли по эллиптической орбите проистекает неравномерно, с Земли имеется возможность видеть 59% лунной поверхности.

Первым космическим аппаратом, достигшим поверхности Луны, является «Луна-2». Он был запущен в СССР 12 сентября 1959 года.
Впервые нога человека ступила на Луну 20 июля 1969 года. Это были американские астронавты «Аполлона-11».

Еще до того, как стали проводиться космические исследования, астрономы уже заявляли о необычности Луны.

Ее плотность меньше плотности любой планеты земной группы (Земли, Марса, Венеры, Меркурия) — всего лишь в 3,3 раза больше плотности воды. Даже этот факт является свидетельством необычных условий образования спутника.

По пробам грунта с ее поверхности был установлен химический состав, а также возраст Луны (самые старые образцы – 4,1 млрд. лет), и это обстоятельство еще больше запутало представление землян о происхождении данного небесного тела.

В настоящее время большинство ученых считают, что Луна сформировалась в результате столкновения крупного небесного тела с Землей.

Луна по сравнению со спутниками других планет

Несмотря на не столь выдающиеся в сравнении с другими спутниками Солнечной системы размеры, Луна является самым крупным по отношению к своей планете – Земле – спутником.

Луна является достаточно большим спутником. По размерам ее превосходят лишь такие спутники других планет, как Ио, Каллисто, Ганимед, Титан. Таким образом, размер Луны позволяет занимать этому небесному телу среди 91 спутника всей Солнечной системы пятое место.

Орбита Луны

Перигей (ближайшая к Земле точка орбиты): 363 104 километра (изменяется в пределах 356 400 – 370 400 километров).
Апогей (самая далекая от Земли точка орбиты): 405 696 километров (изменяется в пределах 404 000 – 406 700 километров).
Средняя скорость движения Луны по орбите составляет около 1,023 километра в секунду.
Лунавращается вокруг Земли по эллиптической орбите с периодом 27,3 суток, постепенно удаляясь от нее вследствие приливного ускорения на 38 миллиметров в год, то есть ее орбита представляет собой медленно раскручивающуюся спираль.

Физические характеристики Луны

Температура поверхности Луны колеблется от −173 °C ночью до +127 °C в подсолнечной точке. Температура пород на глубине 1 метр постоянна и равна −35 °C.
Средний радиус Луны составляет 1737,1 километра, то есть примерно 0,273 радиуса Земли.
Площадь поверхности Луны составляет 3,793 х 107 квадратных километров.
Средняя плотность Луны составляет 3,3464 грамм на кубический сантиметр.
Ускорение свободного падения на Луне равно 1,62 метра на секунду в квадрате (0,165 g).
Масса Луны равна 7,3477 х 1022 килограмм.

Система Земля – Луна

Разумеется, не совсем верно говорить о движении Луны вокруг Земли. Точнее, оба эти тела обращаются вокруг их общего центра массы, лежащего ниже поверхности Земли. Анализ колебаний Земли показал, что масса Луны в 81 раз меньше массы Земли.

Гравитационное притяжение Луны вызывает приливы и отливы на Земле.

Приливные движения в результате трения замедляют вращение Земли, увеличивая продолжительность земных суток на 0,001 с за столетие.

Поскольку момент импульса системы Земля – Луна сохраняется, замедление вращения Земли приводит к медленному удалению Луны от Земли. Однако в нынешнюю эпоху расстояние между Землей и Луной уменьшается на 2,5 см в год из-за сложного взаимодействия Солнца и планет с Землей.

Луна всегда обращена к Земле одной стороной.

Детальный анализ ее гравитационного поля показал, что Луна деформирована в направлении Земли, но искажение ее формы слишком велико для современного приливного эффекта. Это искажение считают «замороженным приливом», оставшимся с тех пор, когда Луна была ближе к Земле и испытывала с ее стороны более сильное приливное влияние, чем сейчас. Но эта выпуклость может представлять собой и неоднородность внутреннего строения Луны.

Лунная иллюзия

Рядом с горизонтом Луна по размерам кажется гораздо больше, нежели высоко на небосводе. Это оптический обман.

Согласно психологическим опытам, в подсознании наблюдателя формируется собственное представление о размерах объекта под воздействием восприятия величины соседствующих объектов. Чем выше в небе, тем Луна воспринимается меньше, поскольку находится в большом пустом пространстве. Но ближе к горизонту ее размеры легко сравнимы с расстоянием от Луны до горизонта, ввиду чего неосознанно усиливается впечатление о лунном размере.

Изменения видимой формы Луны

Поскольку Луна — сферическое тело, при её освещении сбоку возникает «серп». Освещённая сторона луны всегда указывает в сторону Солнца, даже если оно скрыто за горизонтом.

Продолжительность полной смены фаз Луны (так называемый синодический месяц) непостоянна из-за эллиптичности лунной орбиты. Средний синодический месяц составляет 29 суток 12 часов 44 минуты 2,82 секунды.

В фазах Луны, близких к новолунию (в начале первой четверти и в конце последней четверти), при очень узком серпе, неосвещённая часть образует т. н. пепельный свет Луны — видимое свечение неосвещённой прямым солнечным светом поверхности характерного пепельного цвета.

Луна проходит следующие фазы освещения:

новолуние — состояние, когда Луна не видна.
молодая луна — первое появление Луны на небе после новолуния в виде узкого серпа.
первая четверть — состояние, когда освещена половина Луны.
прибывающая луна
полнолуние — состояние, когда освещена вся Луна целиком.
убывающая луна
последняя четверть — состояние, когда снова освещена половина Луны.
старая луна

Обычно на каждый календарный месяц выпадает по одному полнолунию, но так как фазы Луны сменяются немного быстрее, чем 12 раз в году, иногда случаются и вторые полнолуния за месяц, называемые голубой луной.

Мнемоническое правило определения фаз Луны

Чтобы отличить первую четверть от последней, наблюдатель, находящийся в северном полушарии, может использовать следующие мнемонические правила. Если лунный серп в небе похож на букву «С», то это — луна «Стареющая» или «Сходящая», то есть это последняя четверть. Если же он повёрнут в обратную сторону, то, мысленно приставив к нему палочку, можно получить букву «Р» — луна «Растущая», то есть это первая четверть.

Растущий месяц обычно наблюдается вечером, а стареющий — утром.

Следует заметить, что вблизи экватора месяц всегда виден «лёжа на боку», и данный способ не подходит для определения фазы.

В южном полушарии ориентация серпа в соответствующих фазах противоположная: растущий месяц (от новолуния до полнолуния) похож на букву «С», а убывающий (от полнолуния до новолуния) похож на букву «D» без палочки.

Если по направлению движения луны передний край освещённый — луна растущая, затенённый — убывающая.

Разница между Луной и Землей

Хотя между Землей и Луной около 400 тысяч километров, они тесно связаны и способны влиять друг на друга. Луна взаимодействует со всей земной природой, активизируя, к примеру, морские приливы и отливы. Тем не менее, у двух этих небесных тел довольно много отличий друг от друга.

Сравнение

Земля в 81 раз больше Луны по массе. Радиус Луны примерно в три с половиной раза меньше радиуса Земли.

Сравнение размеров Луны, Земли и Марса

Землю окружает геосфера – газовая оболочка с различными примесями. На Луне атмосфера практически отсутствует, нет кислорода, нет ветра. Поэтому днем поверхность Луны от палящего Солнца нагревается до 120°C, а ночью может остыть до –160°C.

Днем на Земле светло, ночью – темно. На Луне даже днем небо всегда черное и безоблачное: при ярком Солнце небо усыпано звездами. С Земли небо кажется голубым: такой цвет ему придает воздух. Солнечные лучи рассеиваются, и звезды днем не видны.

Земля отражает солнечный свет примерно раз в 50 сильнее, чем Луна.

Большая часть Земли занята морями и океанами, меньшая – материками и островами. Поверхность Луны состоит из гористой местности и лунных морей (огромных кратеров с застывшей лавой).

Лунные горы, вероятнее всего, сформировались после столкновения с поверхностью огромных метеоритов, в то время как горы на Земле – результат тектонических процессов.

Луну покрывает смесь скалистых обломков и мелкой пыли, так называемый реголит, толщиной до нескольких десятков метров.

На Луне, в отличие от Земли, нет вулканической активности и практически нет воды (кроме небольших запасов льда). Земная поверхность постоянно подвергается воздействию воды и ветра, поверхность Луны не размывается и не выветривается.

Магнитное поле Луны очень слабое, а сила тяжести в шесть раз меньше в сравнении с Землей.

Химический состав и Земли, и Луны различен. К примеру, Земля содержит достаточно большое количество железа, в то время как на Луне его практически нет.

Выводы

Земля в 81 раз тяжелее Луны.
Радиус Луны в среднем в 3,5 раза меньше радиуса Земли.
На Земле есть атмосфера, кислород, вода, а значит, и органическая жизнь. На Луне всего этого нет.
Днем на Земле светло, можно видеть голубое небо, ночью же – темно. На Луне небо всегда черное, безоблачное.
Земля отражает солнечный свет примерно раз в 50 сильнее, чем Луна.
Поверхность Земли занята материками, океанами, морями и островами. На поверхности Луны сформированы горы и лунные моря (гигантские кратеры).
На Луне сила тяжести в шесть раз меньше в сравнении с Землей.
У Земли есть магнитное (геомагнитное) поле, в то время как у Луны оно почти отсутствует
Химический состав двух астрономических объектов различен.

Видео

Источник