Кое-что о Луне

[atandakil_gunze]

На этой картинке - иллюстрация практически общепринятой модели образования Луны.
Кстати, от столкновения до формирования Луны в круглом виде прошло лет сто. Всего лишь.
А располагалась она в тот момент почти в двадцать раз ближе к Земле, чем сейчас. После образования океанов приливы на Земле были высотой в сотни метров.

Черное тело, врезающееся в землю - гипотетическая протопланета Тейя размером, близким к диаметру Марса. Она, скорее всего, находилась в равновесии в точке Лагранжа (точка, расположенная на орбите Земли, в которой силы, действующие со стороны Земли и Солнца, уравновешиваются, так что, теоретически, тело, движущееся вокруг Солнца в этой точке, имеет устойчивую орбиту и может обращаться по ней неограниченно долго. На самом же деле это равновесие не слишком устойчиво, так что воздействие со стороны другого небесного тела рано или могло вывести Тейю из этой точки, после чего она начала медленно сближаться с Землей. Скорее всего, изначально Тейя формировалась в шестидесяти градусах от Земли, хотя могла образоваться и в диаметрально удаленной точке орбиты, правда, орбита в этой точке куда менее устойчива).
В конце концов, ее вытащили оттуда каким-то возмущением, и под действием притяжения она должна была неторопливо гнаться за Землей таким волнообразным движением.
Было это четыре с половиной миллиарда лет назад.
"Проехавшись" вскользь по Земле, Тейя разрушилась, а из выброшенного вещества образовалась Луна. Удар наклонил ось вращения Земли и раскрутил нашу планету до скорости, примерно в пять раз большей, чем сейчас.
Из-за приливных взаимодействий вращение Луны вокруг Земли (как и вращение их вокруг собственных осей) начало тормозиться, в результате чего Луна начала постепенно удаляться (и продолжает удаляться сейчас), ее вращение вокруг своей оси постепенно затормозилось до тех пор, пока она не осталась повернутой к Земле одной стороной, а сутки на Земле за четыре с половиной миллиарда лет выросли с пяти до 24 часов.
От момента образования Луны до начала поздней тяжелой бомбардировки, принесшей на Землю воду, прошло почти полмиллиарда лет, до появления жизни - более шестисот миллионов.

В пользу этой теории говорит, в частности, сходство изотопного состава элементов (в частности, находящегося в составе пород кислорода) Земли и Луны при том, что, к примеру, соотношение изотопов кислорода в породах Марса или астероидов разительно отличается от земного. При этом химический состав Земли и Луны заметно различен - на Луне куда меньше тяжелых элементов (в частности, в три раза меньше железа), как и должно быть в случае скользящего столкновения, при котором с поверхности Земли были выброшены менее тяжелые породы, находящиеся вследствие гравитационной дифференциации (при которой более тяжелые породы "тонут", а менее плотные "всплывают" ) в верхних слоях планеты и сформировавшие Луну.

Как ни странно, первый аргумент в пользу теории впоследствии ухитрились обратить против нее. Моделирование столкновения показало, что практически в любом его сценарии в состав Луны должны были войти породы, выброшенные не только с Земли, но и с Тейи. В предположении, что Тейя по изотопному составу должны была быть сходной с Марсом и астероидами, модели показали, что Луна никак не могла приобрести существующего сходства с Землей по этому показателю. Этот аргумент против теории гигантского столкновения приобрел некоторую известность в кругах специалистов и оказался на удивление широко растиражирован популяризаторами и средствами массовой информации ("теория гигантского столкновения опровергнута", "ученые доказали - Луна возникла вместе с Землей" и тому подобные заголовки начали появляться на удивление часто).

Если встретите такие заголовки или рассуждения - не верьте.
Марс, как ни тривиально это звучит, сформировался на нынешней орбите Марса (!) из вещества, которое на этой орбите имело определенный изотопный состав. Место его формирования находилось от Солнца в полтора раза дальше, чем место формирования Земли, так что ожидать, что химический и изотопный состав Марса оказался бы сходным с земным, не приходится. Астероиды формировались еще дальше, причем изначальный химический состав протопланетного облака в этой зоне был нарушен еще в процессе формирования пояса астероидов гравитационным влиянием формировавшихся планет-гигантов, "высосавших" легкие элементы.
А вот Тейя формировалась на той же орбите, что и Земля, в той же зоне протопланетного облака и из того же материала, поэтому ожидать, что ее химический и изотопный состав должен был сильно отличаться от земного, не приходится - в сущности, Тейя формировалась как двойник Земли, но ей не повезло: она случайным образом выросла заметно, почти на порядок, меньшей. Поэтому если даже Луна сформировалась из, преимущественно, поверхностных пород не только Земли, но и Тейи, существенному отличию изотопного состава нашей планеты и ее спутника попросту неоткуда взяться - он всего лишь отражает состав вещества протопланетного облака в одной астрономической единице от Солнца во времена формирования Земли.

Если у Вас возник вопрос, возможно ли вообще формирование двух планет на одной орбите, или это сугубо умозрительная идея, то я отвечу просто.
Несколько лет назад при исследовании звезды KOI-730 обнаружилось, что две из четырех планет ее планетной системы обращаются вокруг звезды по одной орбите с периодом обращения 9,8 суток. Вдоль общей орбиты эти планеты постоянно разделяют 60 градусов дистанции, то есть, они друг относительно друга находятся в точках Лагранжа. И, согласно расчетам, это положение будет равновесным в течение нескольких миллионов лет.
Так что наблюдения показывают, что такая конфигурация расположения планет вполне возможна.
Вспомним https://atandakil-gunze.dreamwidth.org/22441.html - на троянских орбитах известны тысячи тел.

За прошедшие миллиарды лет за счет приливного трения Луна затормозилась до спин-орбитального резонанса https://atandakil-gunze.dreamwidth.org/22441.html и удалилась от Земли (удаляется она и сейчас - почти на четыре сантиметра в год).

Ну, и немного о том, как в настоящее время обращается Луна вокруг Земли.
Мы помним, что Земля обращается вокруг Солнца в плоскости, называемой плоскостью эклиптики (или просто эклиптикой). При этом ось вращения Земли наклонена к эклиптике под углом 23°26′, что и обеспечивает нам смену времен года.
Говоря несколько точнее, средний угол между экватором Земли и эклиптикой может быть рассчитан по формуле 23°26′21,448″ - 46,8150″ t - 0,00059″ t² + 0,001813″ t³, где t - время, прошедшее с 1 января 2000 года в веках.

В отличие от нормальных спутников Солнечной системы, Луна в результате своего нестандартного происхождения вращается вокруг Земли не в плоскости экватора своей планеты, а в плоскости, близкой к плоскости эклиптики и наклоненной к ней (именно этот наклон приводит к тому, что солнечные затмения происходят не при каждом новолунии, а лунные - не при каждом полнолунии). При этом плоскость, в которой лежит орбита Луны, слегка покачивается относительно эклиптики под воздействием разных факторов, о которых речь пойдет ниже. Это покачивание выражается в том, что угол между плоскостью вращения Луны и эклиптикой изменяется от примерно 4°59′ до 5°19′. При этом плоскость орбиты Луны не только покачивается, но еще и вращается сама по себе (прецессирует, как вращается ось вращения юлы), так что узлы лунной орбиты (точки, в которой лунная орбита пересекается с эклиптикой, имеющие звучные названия катабибазон (нисходящий узел, пересекая который Луна спускается к югу) и анабибазон (восходящий узел, который Луна проходит, поднимаясь на север)) медленно поворачиваются на запад, совершая полный поворот примерно за восемнадцать лет и семь месяцев.
Разумеется, Луна вращается вокруг Земли по эллипсу, и период ее обращения на сегодняшний день в среднем составляет 27,32166 суток (обратите внимание - это т.н. сидерический период, то есть, абсолютное время обращения "относительно неподвижных звезд". Но так как Земля сама вращается вокруг Солнца в ту же сторону, что и Луна, Луне приходится еще и "догонять" Землю, так что для того, чтобы прийти в ту же точку орбиты относительно наблюдателя с Земли, ей нужно дополнительное время. В результате видимый с Земли промежуток между двумя одинаковыми положениями Луны (например, между двумя одинаковыми фазами) оказывается большим сидерического месяца и составляет в среднем 29 суток 12 часов 44 минуты 2,82 секунды (синодический месяц)).
При этом сам эллипс, по которому движется Луна, немного пульсирует. Дело в том, что Луна, как я рассказывал - спутник необычный, может быть, и не спутник вовсе, ибо сила притяжения Луны Солнцем более, чем в два раза превосходит притяжение Луны Землей. А сама Земля вращается вокруг Солнца по несколько эксцентричной орбите, так что баланс сил тяготения, действующих на Луну, в течение года заметно изменяется. На все это накладывается тот факт, что сама Земля не является идеальным шаром, так что сила, с которой она притягивает Луну, зависит от того, какое положение относительно нее занимает в данный момент Луна. В результате всех эти факторов не только плоскость орбиты Луны качается (см. выше), но и форма ее орбиты изменяется - апогей Луны может колебаться от 404,18 до 406,74 тысяч километров, а перигей - от 356,41 до 369,96 тысяч километров.
Но это еще не все: сами перигей и апогей Луны постоянно смещаются - линия апсид (прямая, соединяющая самую удаленную и самую близкую к центру точки орбиты, то есть, в нашем случае, апогей и перигей) вращается с запада на восток, совершая полный оборот почти за восемь лет и десять месяцев.
На все это безобразие накладывается торможение Луны за счет приливов, из-за которого среднее расстояние от Луны до Земли увеличивается примерно на четыре сантиметра за год.
В результате всего перечисленного даже без учета случайных гравитационных воздействий со стороны прочих тел Солнечной системы положение Луны относительно Земли еще сто лет назад рассчитывалось с помощью уравнения, содержавшего около полутора тысяч членов.

NB И по поводу рассказанного - анекдот.
Муж врывается к жене и с порога кричит:
- Несчастная, мне известно все!
Жена отрывает взгляд от кроссворда и спокойно спрашивает:
- Действительно, все? Тогда подскажи мне, как называется нисходящий узел лунной орбиты, одиннадцать букв, вторая и четвертая - "а".

Comments

[juan_gandhi]

Я этой логики не понимаю. Из-за приливных сил скорость вращения Луны снижается. Окей. Но это значит, что энергия ее вращения вокруг земли уходит на разогрев Земли. И энергия падает. Так она же должна тогда приближаться к Земле. Чтобы удаляться, нужно же добавлять энергию.

Я бы понял другой аргумент - что Луна постепенно убегает, а скорость обращения обратно пропорциональна корню от расстояния до Земли, ну и т.д. Но роль приливных сил тут должна быть как раз противоположная.

[atandakil_gunze]

Вообще, все наоборот.
Приливные силы тормозят вращение Луны (как и Земли) вокруг ее собственной оси - но орбитальный момент (момент импульса Луны на орбите вокруг Земли) они увеличивают - грубо говоря, "приливный горб" на Земле разгоняет Луну на ее орбите (он же ее опережает!). В сущности, имеет место обмен моментами - вращательный момент обоих тел переходит в орбитальный момент импульса.
Именно поэтому Луна постоянно удаляется от Земли - и теоретически будет это делать до тех пор, пока угловая скорость вращения Земли вокруг оси не сравняется с угловой скоростью обращения Луны вокруг Земли. После этого, если бы Солнце имело неограниченное время жизни, Луна зависла бы над одной точкой Земной поверхности - а потом из-за приливного взаимодействия Земли с Солнцем Вращение Земли продолжало бы тормозиться, и Луна начала бы приближаться к Земле до достижения предела Роша с последующим разрушением.
Но скорее всего, это произойдет уже после превращения Солнца в белый карлик - а как на этот процесс повлияет сброс Солнцем оболочки, пока неясно.

[juan_gandhi]

Ах точно, волна же впереди!

Да, все, сложилась картинка. Спасибо!

[atandakil_gunze]

Всегда рад!

[provokatorz]

Никакого противоречия нет, тк система Земля-Луна не является незамкнутой системой.

[atandakil_gunze]

В замкнутой системе все бы остановилось на уравнивании угловых скоростей вращения Земли и обращения Луны вокруг нее.