Занимательная астрономия - Яков Исидорович Перельман
Рис. 38. Как Луна движется вокруг Земли по своей орбите (подробности в тексте)
Итак, вообразите, что эллипс на рис. 38 есть путь Луны вокруг Земли. Земля помещена в точке О — в одном из фокусов эллипса. Законы Кеплера относятся не только к движениям планет вокруг Солнца, но и к движениям спутников вокруг центральных планет, в частности к обращению Луны. Согласно второму закону Кеплера Луна за четверть месяца проходит такой путь АЕ, что площадь OABCDE равняется 1/4 площади эллипса, т. е. площади MABCD (равенство площадей ОАЕ и MAD на нашем чертеже подтверждается приблизительным равенством площадей MOQ и EQD). Итак, за четверть месяца Луна проходит путь от А до Е. Вращение же Луны, как и вообще вращение планет, в отличие от их обращения вокруг Солнца, происходит равномерно: за 1/4 месяца она поворачивается ровно на 90°. Поэтому, когда Луна оказывается в Е, радиус Луны, обращенный к Земле в точке А, опишет дугу в 90° и будет направлен не к точке М, а к некоторой другой точке, левее М, неподалеку от другого фокуса Р лунной орбиты. Оттого что Луна чуть отвернет свое лицо от земного наблюдателя, он сможет увидеть с правой стороны узкую полоску прежде невидимой ее половины. В точке F Луна показывает земному наблюдателю уже более узкую полоску своей обычно невидимой стороны, потому что угол ОFР меньше угла ОЕР. В точке G — в апогее орбиты — Луна занимает такое же положение по отношению к Земле, как и в перигее А. При дальнейшем своем движении Луна отворачивается от Земли уже в противоположную сторону, показывая нашей планете другую полоску своей невидимой стороны: полоска эта сначала расширяется, потом суживается, и в точке А Луна занимает прежнее положение.
Мы убедились, что вследствие эллиптической формы лунного пути спутник наш обращен к Земле не строго одной и той же своей половиной. Луна неизменно обращена одной и той же стороной не к Земле, а к другому фокусу своей орбиты. Для нас же она покачивается около среднего положения наподобие весов; отсюда и астрономическое наименование этого покачивания: «либрация» — от латинского слова «libra», означающего «весы». Величина либрации в каждой точке измеряется соответствующим углом; например, в точке Е либрация равна углу ОЕР. Наибольшая величина либрации 7°53′, т. е. почти 8°.
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 В и F. Углы ОВР и ОFР как вписанные равны 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 61/2°. 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 61/2°.
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 A 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, 11/2–2 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 г. 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 г.
В 1966 г. «Луна-9» мягко прилунилась и передала на Землю изображение лунного пейзажа. В 1969 г. 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 г. на Луне побывали еще пять американских экспедиций.
Одновременно в СССР
