ИЛуна медленно, но неуклонно удаляется от Земли. Каждый год она отдаляется примерно на 3,8 сантиметра. Это меньше ширины ладони. Но за миллиарды лет эти сантиметры превращаются в сотни тысяч километров. Так улетит ли Луна когда-нибудь, покинув гравитационное поле Земли? И если нет — что же с ней произойдёт на самом деле?
Откуда мы знаем, что Луна удаляется?
Это не теоретическое предположение — это измеренный факт. И измерен он с поразительной точностью благодаря одному из самых необычных экспериментов в истории науки.
Во время миссий «Аполлон» в 1969–1972 годах астронавты установили на поверхности Луны специальные уголковые световые отражатели — небольшие устройства, которые возвращают лазерный луч точно в том направлении, откуда он пришёл. С тех пор учёные по всему миру регулярно направляют на Луну лазерные импульсы и замеряют время, которое требуется свету, чтобы долететь туда и вернуться обратно.
Поскольку скорость света известна с высочайшей точностью, расстояние до Луны можно вычислить с погрешностью в несколько миллиметров. Многолетние наблюдения однозначно подтвердили: Луна удаляется. Примерно на 3,8 см в год.
Почему это происходит?
Чтобы понять причину удаления Луны, нужно разобраться с приливами — явлением, которое большинство людей считает просто красивым океанским феноменом.
Луна притягивает Землю своей гравитацией. Но поскольку Земля — тело конечных размеров, сила притяжения на ближней к Луне стороне больше, чем на дальней. Эта разность сил называется приливной силой. Она буквально «растягивает» Землю: океанская вода на стороне, обращённой к Луне, слегка вздымается — это прилив. Одновременно вздымается вода и на противоположной стороне Земли — там приливная сила направлена «от Луны».
Итак, на Земле всегда есть два приливных горба, расположенных примерно на противоположных сторонах планеты.
Почему горбы «убегают» вперёд
Вот где начинается самое интересное. Земля вращается вокруг своей оси быстрее, чем Луна обращается вокруг Земли. Земные сутки — 24 часа, а лунный месяц — около 27 суток. Из-за этого приливные горбы не успевают следовать точно за Луной. Трение воды о дно и берега «тащит» горбы вперёд по ходу вращения Земли — они постоянно немного опережают Луну.
Этот слегка смещённый горб воды имеет собственную гравитацию. И поскольку он расположен чуть впереди Луны по орбите, он тянет Луну вперёд — немного ускоряет её. А в орбитальной механике ускорение объекта на орбите означает одно: орбита расширяется. Луна получает энергию и уходит выше — дальше от Земли.
Что при этом происходит с Землёй?
По третьему закону Ньютона — действие равно противодействию. Луна тоже притягивает приливные горбы, но так как они немного впереди, она тормозит вращение Земли. Земные сутки постепенно удлиняются. Сейчас — примерно на 1,4 миллисекунды каждые 100 лет. Это ничтожно, но за геологические эпохи — колоссально.
Таким образом, система работает как передача момента вращения: Земля замедляется, Луна ускоряется и удаляется. Это классический пример сохранения момента импульса в системе двух тел.
Если Луна сейчас удаляется — значит, в прошлом она была ближе. Насколько ближе?
Сегодня среднее расстояние от Земли до Луны составляет около 384 400 км. Зная скорость удаления, можно (с некоторыми упрощениями) отмотать время назад.
Расчёты показывают, что около 4 миллиардов лет назад Луна могла находиться на расстоянии всего 20 000–30 000 км от Земли — в десять–пятнадцать раз ближе, чем сейчас. Последствия этого были грандиозными:
- Сутки длились около 6 часов. Земля вращалась стремительно;
- Приливы были чудовищными. Волны могли достигать десятков метров в высоту, захлёстывая огромные пространства суши;
- Луна на небе выглядела несравнимо больше — она занимала значительно бо́льшую долю небосвода.
Кстати, именно эта близость могла сыграть ключевую роль в возникновении жизни на Земле. Мощные приливы интенсивно перемешивали прибрежные воды, создавая богатые химически активные зоны — идеальные условия для синтеза первых органических молекул.
Замедление Земли
Раз речь зашла об удалении Луны, нельзя не сказать подробнее о параллельном процессе — замедлении вращения Земли.
Доказательства этого замедления сохранились в самой природе. Учёные изучали ископаемые кораллы возрастом 400 миллионов лет. Кораллы откладывают суточные кольца роста — их можно сосчитать, как кольца на срезе дерева. Оказалось, что в году тогда было около 400 дней. Это значит, что сутки длились примерно 22 часа.
Другие геологические свидетельства указывают на то, что примерно 1,4 миллиарда лет назад сутки составляли около 18 часов.
Если этот процесс продолжится — а он продолжится — то через несколько миллиардов лет Земля и Луна придут к состоянию синхронного вращения: Земля будет повёрнута к Луне всегда одной стороной, как сейчас Луна повёрнута к Земле. Это называется приливным захватом. Именно тогда удаление Луны прекратится.
Итак: улетит ли Луна?
Теперь — главный вопрос. И ответ может показаться неожиданным: нет, Луна не улетит. По крайней мере, не из-за приливных сил.
Вот что произойдёт на самом деле.
Сценарий 1: приливный захват
Как уже было сказано, Земля постепенно замедляется. В какой-то момент — через примерно 50 миллиардов лет — сутки Земли сравняются с лунным месяцем. Земля и Луна окажутся в состоянии взаимного приливного захвата: обе будут повёрнуты друг к другу одной и той же стороной, и никакого «убегания» больше не будет. Система достигнет равновесия.
Примерно на таком же удалении, как сейчас, — около 600 000 км. Луна немного отдалится, но останется верным спутником Земли.
Однако этому сценарию не суждено реализоваться. И вот почему.
Сценарий 2: Красный гигант и конец системы
Наше Солнце — звезда с конечным сроком жизни. Примерно через 5 миллиардов лет оно исчерпает запасы водородного топлива в ядре и начнёт расширяться, превращаясь в красный гигант. Его внешние слои раздуются настолько, что поглотят Меркурий, Венеру и, по всей видимости, Землю.
Задолго до этого — уже через 1–2 миллиарда лет — яркость Солнца возрастёт настолько, что температура на поверхности Земли станет несовместимой с жизнью. Океаны испарятся, атмосфера рассеется.
В такой ситуации судьба Луны — вопрос вторичный. Вместе с Землёй она окажется в зоне катастрофических изменений. Наиболее вероятный сценарий:
- Если Земля будет поглощена Солнцем, Луна либо последует за ней, либо будет выброшена на другую орбиту вокруг умирающей звезды.
- Если Земля каким-то образом выживет на периферии расширившегося Солнца (некоторые расчёты допускают этот вариант — планета может медленно отступить из-за потери Солнцем массы), Луна, вероятно, останется её спутником ещё на какое-то время.
Таким образом, Луна не "улетит" сама по себе — её судьбу решит гибель Солнечной системы в нынешнем виде.
А что если считать буквально?
Давайте всё же сделаем простой подсчёт — просто чтобы почувствовать масштаб.
Луна удаляется на 3,8 см в год. Сила гравитации Земли удерживает спутник до определённого предела — так называемой сферы Хилла, за которой притяжение Солнца начинает доминировать. Для Земли эта граница находится примерно на расстоянии 1,5 миллиона км.
Сейчас Луна находится на расстоянии около 384 400 км. Значит, ей нужно преодолеть ещё примерно 1 115 600 км, прежде чем она теоретически окажется в зоне, где Солнце могло бы её «перехватить».
t = (1 115 600 км) / (0,000038 км/год) ≈ 29 000 000 000 лет
Это около 29 миллиардов лет. Вселенной сейчас около 13,8 миллиарда лет. Солнце погаснет через 5 миллиардов. Иными словами, Луна никогда не доберётся до границы сферы Хилла — Солнечная система закончит своё существование раньше.
Маленькое, но важное уточнение
Стоит оговориться: скорость удаления Луны не постоянна. 3,8 см в год — это нынешнее значение. В разные эпохи оно было другим, зависело от конфигурации континентов, глубины океанов и других факторов. Геологи знают, например, что около 1–2 миллиарда лет назад удаление было значительно медленнее.
Кроме того, простая экстраполяция «3,8 см × годы» не учитывает динамику системы. Реальные модели куда сложнее — они включают изменения скорости вращения Земли, перераспределение масс при движении континентов, изменения уровня моря и многое другое.
Луна становится меньше — уже сейчас
Есть ещё одно следствие удаления Луны, которое важно для нас лично — хоть и в масштабах тысяч лет.
По мере того как Луна удаляется, её угловой размер на небосводе уменьшается. Сейчас он составляет около 0,5 градуса — примерно столько же, сколько угловой размер Солнца. Это и есть причина того, что полные солнечные затмения существуют: Луна почти идеально перекрывает солнечный диск.
Это совпадение — чистая случайность, и она не вечна. Примерно 600 миллионов лет назад Луна была достаточно близко, чтобы полностью перекрывать Солнце даже в самой дальней точке своей орбиты. А через 600 миллионов лет она удалится настолько, что полных солнечных затмений больше не будет вовсе — только кольцеобразные, когда Луна закрывает Солнце не полностью, оставляя светящееся кольцо по краям.
Мы живём в особое время, когда это явление ещё возможно — и в будущем оно исчезнет навсегда.
Заключение:
Луна не улетит. Не завтра, не через миллион лет и, скорее всего, вообще никогда — в масштабах жизни Солнечной системы. Приливные силы постепенно замедляют Землю и толкают Луну вперёд, но этот процесс закончится задолго до того, как Луна покинет нашу гравитационную хватку.