В течение тысяч лет мы ломали голову над тем, как далеко находится Луна. Сегодня мы знаем его расстояние в любое время с точностью до миллиметра.
Из всех природных объектов, расположенных в космосе, Луна долгое время была нашим ближайшим космическим соседом. С древних времен мы знали, что Луна находится близко: ближе, чем Солнце, любая из планет, любая из звезд или туманностей на нашем ночном небе.
Мы узнали об этом, просто наблюдая за затмением, когда два тела накладываются друг на друга в пространстве, которое они, по-видимому, занимают, если смотреть с Земли. Когда Луна и Солнце занимают одно и то же пространство, мы получаем солнечное затмение, поскольку (более близкая) Луна, кажется, закрывает (более удаленное) Солнце. Когда Луна и планета или звезда занимают одно и то же пространство, Луна всегда находится впереди, о чем свидетельствует “темная часть” Луны, всегда кажущаяся темной, и никогда перед ней не сияет планета или звезда.
Но если Луна действительно является нашим ближайшим соседом в космосе, то как далеко она от нас находится?
Ответ не одинаков с течением времени, ни в краткосрочной, ни в долгосрочной перспективе. Фактически, примерно за 10 секунд, которые вам потребуются, чтобы прочитать все это предложение от начала до конца, расстояние Луны от нас изменилось примерно на 331 метр (1086 футов). При каждом обороте вокруг Земли по своей эллиптической орбите Луна также не возвращается в одну и ту же начальную и конечную точки, а скорее удаляется от Земли в среднем на 3,1 миллиметра за лунную орбиту.
Тем не менее, сегодня мы отслеживаем Луну более точно, чем когда-либо прежде, благодаря одной замечательной технологии: лазерам. Вот как мы узнали расстояние до нашего ближайшего соседа в космосе.
Древний метод
Давайте предположим, что вы жили тысячи лет назад: до изобретения лазера, ракеты, фотоаппарата, парового двигателя или даже юлианского календаря. Даже если вы не понимали, что такое гравитация и как она работает, все равно существовал способ определить — хотя бы приблизительно — насколько далеко Луна находится от Земли. Все, что вам нужно сделать, это понаблюдать за двумя событиями:
* солнечное затмение (вверху), так что вы можете доказать себе, что Луна действительно ближе к Земле, чем Солнце.,
* а затем либо частичное лунное затмение, либо частичная фаза полного лунного затмения (ниже), так что вы можете увидеть тень Земли, падающую на поверхность Луны.
Поскольку вы знаете, что Солнце находится дальше от Земли, чем Луна, вы можете представить, что тень Земли, которую вы видите на Луне, приблизительно равна физическому размеру Земли. (На самом деле он немного меньше, так как Солнце, падающее на Землю, образует теневой конус.) Просто взглянув на размер земной тени, падающей на Луну, вы можете определить, насколько велика Луна по сравнению с Землей.
Древние греки записали это измерение и отметили, что диаметр земной тени примерно в три раза превышал диаметр Луны. Но мы уже знали, как измерить размер Земли: Эратосфен проделал этот путь около 2300 лет назад! Если бы мы знали размер Земли, диаметр которой составляет чуть меньше 13 000 км, то мы могли бы оценить размер Луны, разделив диаметр Земли на тот коэффициент в три раза, который вы можете визуально увидеть своим глазом. Для этих чисел 13000/2,5 = 4300 км, что всего лишь примерно на 24% больше, чем нужно.
И если вы знаете, насколько велика Луна на самом деле, и измеряете ее угловой размер на небе (около половины градуса), вы можете использовать простую геометрию, чтобы определить, насколько далеко Луна на самом деле находится от Земли: около 493 000 километров. (Опять же, это число примерно на 24% слишком велико.)
Это был первый метод, когда-либо использовавшийся для определения расстояния Луны от Земли, и сегодня он все еще дает удивительно хорошее приближение. Но со временем мы научились измерять это расстояние с еще большей точностью.
Менее древний метод
Если вы знаете, что Луна ближе, чем звезды, то все, что вы можете сделать, это заставить двух людей стоять на Земле на одной широте, но на разных долготах, и оба одновременно наблюдать за положением Луны относительно звезд. В самом крайнем случае вы можете представить себе двух наблюдателей, расположенных в совершенно противоположных точках вдоль экватора Земли и смотрящих на полную Луну: одного - на восход / заход луны, а другого - на закат /восход луны.
Если вы вообще можете видеть какие—либо светящиеся точки в этот момент — какие-либо звезды или планеты, - вы можете попросить этих двух наблюдателей измерить положение Луны относительно них.
Поскольку Луна находится ближе, чем любые другие звезды или планеты, будет казаться, что Луна перемещается между этими двумя наблюдателями, точно так же, как если вы держите большой палец на расстоянии вытянутой руки и переключаетесь между левым и правым глазом, вы увидите, что положение большого пальца меняется относительно фоновых объектов. за этим.
Если бы вы провели этот эксперимент в идеальных условиях, вы бы обнаружили, что видимое положение Луны отличается на 1,9 градуса между этими двумя наблюдателями, что означает, что при радиусе Земли в 6371 километр Луна находилась бы на расстоянии 384 000 километров.
Это значительное улучшение, но есть небольшая проблема с тем, чтобы дать только один ответ, подобный этому: расстояние до Луны не является постоянным с течением времени.
Если вы будете наблюдать за Луной в течение лунного месяца — времени, которое требуется новолунию, чтобы увеличиться, стать полным, убыть и снова стать новым, — вы заметите, что она не остается того же видимого размера на небе. Кроме того, “лицо” Луны, которое вы видите, тоже немного меняется; в течение месяца вы можете видеть более 50% всей поверхности Луны: максимум до 59%.
Почему?
Потому что Луна одновременно вращается вокруг Земли (по эллипсу) и также вращается вокруг своей оси. Обычно мы приблизительно определяем “один лунный месяц” как количество времени, необходимое Луне для того, чтобы сделать и то, и другое, но на самом деле эти показатели немного отличаются. Луна вращается вокруг своей оси с постоянной скоростью, но, вращаясь вокруг Земли, она движется быстрее, когда находится ближе всего к Земле (в перигее), и медленнее всего, когда находится дальше всего от Земли (в апогее).
Орбита Луны на самом деле довольно некруглая; в самом близком расстоянии она находится в пределах 356 375 км (221 441 мили) от Земли, а в самом дальнем - на расстоянии 406 720 км (252 724 мили) от Земли. На самом близком расстоянии он движется со скоростью до 1,09 км/с относительно Земли, в то время как на самом удаленном - всего лишь со скоростью 0,97 км/с относительно Земли. Эти различия объясняют “колебание” Луны, известное как лунная либрация.
Мы можем наблюдать это сезонно, поскольку в некоторые месяцы (например, в июле и августе 2023 года) полнолуния совпадают с лунным перигеем, когда Луна кажется больше и ярче, чем обычно. Мы привыкли называть их “суперлуниями”, когда Луна может быть на 14% больше и на 30% ярче, чем самые маленькие полнолуния. И наоборот, бывают также полнолуния, которые либо совпадают с лунным апогеем, либо очень близки к нему, когда Луна находится на наибольшем расстоянии от Земли. Мы называем эти полные луны “микромунами”, и эти полные луны самые маленькие и тусклые; самое маленькое полнолуние 2023 года произошло еще 5 февраля.
Когда Луна переходит из перигея в апогей и обратно, она удаляется от Земли и возвращается к ней. В самом быстром состоянии Луна может приближаться к Земле или удаляться от нее с поразительной скоростью 270 километров в час (168 миль в час), или на целый километр ближе или дальше каждые 13,3 секунды. Всего за шесть часов расстояние между Луной и Землей может измениться до 1000 километров.
Хотя эти изменения могли быть предсказаны законом всемирного тяготения еще в 17 веке, измерить эти изменения напрямую - совсем другое дело. Но начиная с 1950-х годов мы начали делать именно это.
Первый современный метод: радиолокационное эхо
Идея радиолокационного эха заключалась в том, что если вы пошлете импульс радиоволн на Луну, некоторая часть этих радиоволн отразится от Луны и вернется к вам примерно через 2,5 секунды. В конце концов, радиоволны - это форма света, а все формы света распространяются со скоростью света, так что если вы:
* испустите импульс,
* позвольте этому импульсу отразиться от Луны,
* и ждите, пока этот импульс вернется к вам.
Разница во времени, когда вы излучаете и получаете обратный импульс, умноженная на скорость света, даст вам расстояние до Луны. Это не должно удивлять радиолюбителей, поскольку передача радиосигнала с Луны (также известная как связь Земля-Луна-Земля или EME) - это технология, которая используется с 1953 года!
Первые эксперименты с использованием этого метода были проведены в 1946 году в рамках проекта армии США "Диана", за которым в 1957 году последовала работа в научно-исследовательской лаборатории ВМС США. Однако они не дали последовательных, воспроизводимых результатов.
Впервые они были получены в 1958 году в Великобритании, где Королевское радиолокационное учреждение посылало импульсы большей длительности. Это позволило нам измерить лунное расстояние в любой момент времени с точностью всего ±1,2 километра: самый точный метод до появления лазеров.
Действующий современный метод: лунный лазерный дальномер
Однако две вещи действительно изменили правила игры при измерении расстояния до Луны: изобретение и широкое использование лазера и возможность высадки (и установки) оборудования на Луне.
Лазеры - это не только лучи монохромного света, но и сильно коллимированные: лазерный луч, исходящий с Земли, распространяется на чрезвычайно малую величину. На каждый километр, который проходит лазерный луч, он распространяется только примерно на 1 сантиметр во всех направлениях.
Поскольку этот свет настолько когерентен и может “пульсировать” в течение очень коротких промежутков времени, если только крошечная часть испускаемых фотонов может отразиться обратно на Землю, мы можем использовать время прохождения света туда и обратно, чтобы очень точно определить расстояние до Луны.
В рамках программы "Аполлон" несколько миссий (включая "Аполлон-11") включали установку лунных световозвращателей: трехмерных зеркал с углами, состоящих из множества отдельных кубиков, которые могут отражать свет обратно к тому источнику, который их впервые испустил. Советская программа "Луноход", которая пересекалась с американской программой "Аполлон", также включала лазерные отражатели. Когда мы запускаем лазеры с Земли и отражаем их от установленных на Луне отражателей, мы действительно можем измерить расстояние до Луны с точностью всего в несколько сантиметров.
Сегодня мы фактически используем сразу несколько лазерных дальномеров на Земле и множество лунных световозвращателей, что невероятно повышает точность: мы можем измерять расстояние между Землей и Луной в большинстве случаев с точностью до одного миллиметра, а иногда даже меньше этого значения. Учитывая, что среднее расстояние между Землей и Луной составляет около 384 400 километров, это означает, что мы можем измерить мгновенное расстояние между Землей и Луной примерно с точностью до 1 части из 10 миллиардов.
Научных причин для такой точности множество. Во-первых, если вы хотите приземлиться на Луну или выйти на орбиту вокруг нее, более высокая точность означает меньшее количество ошибок и меньший риск аварии или пропущенной орбиты. Детальные наблюдения за тем, как Луна колеблется из-за гравитационного влияния Солнца и Земли, показали нам, что Луна не является однородным объектом, а имеет внутри жидкое ядро. Лунный лазерный дальномер научил нас тому, что продолжительность земных суток меняется на несколько миллисекунд в течение года из-за атмосферы, приливов и сердцевины Земли. Это также научило нас дрейфу континентов, поскольку эксперименты с лазерной дальномеркой показывают, что обсерватория, расположенная на Мауи, отдаляется от обсерватории в Техасе.
С нашей нынешней точностью мы можем точно предсказывать солнечные и лунные затмения, включая их точное местоположение и продолжительность на Земле, примерно на ~ 3500 лет как в прошлом, так и в будущем. Но со временем все меняется. Возможно, самый впечатляющий долгосрочный эффект, который мы заметили, заключается в том, что в долгосрочной перспективе Луна фактически удаляется от Земли по спирали с небольшой, но значительной скоростью: около 3,8 сантиметра в год. Кроме того, для сохранения углового момента это означает, что скорость вращения Земли постепенно замедляется; полный оборот нашей планеты занимает примерно на 2,4 миллисекунды больше времени, чем это было 100 лет назад.
Есть ископаемые свидетельства того, что около 80 миллионов лет назад продолжительность земных суток была примерно на 30 минут короче, чем сегодня; в году было 372 дня, а Луна была в среднем примерно на 0,5% ближе к нам. При нынешних темпах спада Луна будет продолжать удаляться от Земли, а вращение Земли будет продолжать замедляться. Еще через 4 миллиона лет нам больше не понадобятся високосные годы на Земле, поскольку в году будет ровно 365 дней. Через ~650 миллионов лет Луна будет настолько удалена от Земли, что полные солнечные затмения больше будут невозможны; Солнце всегда будет казаться на небе больше, чем Луна.
Используя лазеры для отслеживания Луны, мы можем измерять ее положение, свойства и эволюцию орбиты с большей точностью, чем когда-либо прежде. С новым набором лунных световозвращателей мы могли бы добиться еще большего успеха!
________________________________________________