Движение Луны
Изучение движений Луны имеет важное значение для роста знаний не только о самой Луне, но и об основах космической механики и физики. По мере того, как звезды движутся на запад, из-за постоянного вращения Земли и вращения вокруг Солнца, Луна медленно движется на восток, постоянно проходя через новые фазы движения: новую, первую четверть, полную, последнюю четверть и снова новую каждый месяц. Древние китайские, халдейские и майянские календари пытались описать это движение. Со времен вавилонских астрологов и греческих астрономов до настоящего времени исследователи искали небольшие отклонения от предсказанных движений с того времени. Английский физик Исаак Ньютон использовал лунные наблюдения при разработке своей теории гравитации в конце XVII века, и он смог показать некоторые эффекты от солнечной гравитации в нарушении движения Луны. К XVIII и XIX векам использовалось математическое исследование лунных движений, как орбитальных, так и вращательных, отчасти обусловленное необходимостью точных данных о движении Луны для навигации. В то время как теория развивалась с дальнейшими наблюдениями, многие небольшие и озадачивающие проблемы продолжали появляться. Постепенно стало очевидно, что движения возникают из-за нарушений скорости вращения Земли, другие - из-за незначительных приливных воздействий на Землю и Луну.
Исследование космоса привело к значительному повышению точности, и в то же время наличие быстрых компьютеров и новых средств наблюдения является средством для достижения более высокой цели. Аналитические методы - математическое моделирование движения Луны с помощью ряда показателей, представляющих гравитационное влияние Земли, Солнца и других планет - уступили место методам, основанным на прямой численной интеграции уравнений движения Луны. Оба метода требовали значительного ввода данных на основе наблюдений, но использование последних привело к большому повышению точности предсказаний движения Луны. В то же время, оптические и радиоволновое наблюдение значительно улучшилось. Ретрорефлекторы, размещенные на лунной поверхности астронавтами "Аполлона", позволили осуществлять лазерную корректировку от Луны до Земли, а новые методы радиоастрономии, включая очень длинную базовую интерферометрию, позволили очень точно предсказывать движение Луны. Эти наблюдения, имеющие изменения в несколько сантиметров, позволили ученым измерить изменения скорости Луны.
Атмосфера Луны
Хотя Луна окружена вакуумом намного больше, чем обычно создается в лабораториях на Земле, ее атмосфера широка и представляет высокий научный интерес. В течение двухнедельного дневного периода атомы и молекулы выбрасываются различными процессами с лунной поверхности, ионизируются солнечным ветром, а затем движутся электромагнитными эффектами в качестве плазмы. Положение Луны на своей орбите определяет состав атмосферы на ее поверхности. В течении каждого месяца, когда Луна находится на солнечной стороне Земли, атмосферные газы сталкиваются с невозмущенным солнечным ветром. В других частях ее орбиты они перемещаются в магнитосферу Земли. Это огромный участок пространства, где магнитное поле планеты доминирует над поведением электрически заряженных частиц. Кроме того, низкие температуры в ночных и постоянно затененных полярных кратерах Луны создают холодные "ловушки" для конденсируемых газов с поверхности.
Приборы, размещённые на лунной поверхности астронавтами "Аполлона", измеряли различные свойства атмосферы Луны, но анализ данных был затруднён из-за того, что экстремально тонкая атмосфера Луны вобрала в себя газы, созданные при приземлении "Аполлона" на Луну.
Основные газы атмосферы
Основными газами, естественно присутствующими на спутнике, являются неон, водород, гелий и аргон. Аргон является в основном радиогенным. То есть он высвобождается из лунных пород в результате распада радиоактивного калия. Температура на поверхности Луны в ночное время очень низка, чтобы аргон конденсировался, но не неон, водород или гелий, которые возникают в солнечном ветре и остаются в атмосфере в виде газов, если не находятся в частицах почвы.
В дополнение к основным поверхностным газам и обширному натриево-калиевому облаку, обнаруженному вокруг Луны, небольшое количество пыли циркулирует в пределах нескольких метров от лунной поверхности. Считается, что пыль циркулирует на таком расстоянии из-за электростатических сил.
С помощью бинокля или небольшого телескопа наблюдатель может увидеть некоторые детали светлой стороны Луны в дополнение к рисунку Марии и высокогорья на поверхности. По мере прохождения Луны по всем ее фазам терминатор медленно движется по диску Луны, её длинные тени раскрывают рельеф гор и кратеров. При полной луне рельеф исчезает, заменяясь контрастом между более светлыми и более тёмными поверхностями. Хотя полнолуние обычно появляется ночью, Луна на самом деле является тёмным объектом, отражающим лишь несколько процентов солнечного света. Начиная с зарисовок итальянского ученого Галилео, в начале XVII века и продолжая в XIX веке, астрономы картографировали поверхность и называли каждые объекты на поверхности. Кульминацией работы стал большой ручной лунный атлас, сделанный наблюдателями в Берлине и Афинах. За этим последовал длительный перерыв, когда астрономы обратили внимание на другие планеты, помимо Луны, до середины XX века, когда стало очевидно, что полеты человека на Луну, в конечном итоге, могут быть возможны. В 1950-е годы был составлен ещё один большой лунный атлас, на этот раз фотографический, опубликованный в 1960 году под спонсорством ВВС США.