1.2. Знакомство с Луной

Итак, Луна. Кажется, только астрономы, изучающие далекие галактики и слабосветящиеся туманности, не любят ее, особенно в полнолуние: лунный свет делает невидимыми эти объекты. Все остальные жители Земли любят Луну и воспевают ее: вспомните хотя бы картину Куинджи «Лунная ночь на Днепре» или его же «Дарьяльское ущелье. Лунная ночь». Но даже не склонные к романтике естествоиспытатели небезразличны к Луне, которая, как оказалось, в целом весьма благотворно влияет на нашу планету.

Нужно признать, что в современном человеке мало осталось того благоговейного чувства, с которым наши предки относились к Луне. Для них она служила мерой многих вещей. Не случайно на санскрите Луна называется «мас», то есть измеритель, не случайно латинское mensis — месяц – тесно связано со словом mensura – мера. Все древние календари работали от «лунного механизма». Наши месяцы и недели – прямые потомки лунного (синодического) месяца и лунных фаз – так называемых четвертей. Возраст Луны в отдельных фазах от момента новолуния следующий:

первая четверть…….7 суток

полнолуние……….15 суток

последняя четверть……22 суток

Смена лунных фаз вызвана изменением взаимного расположения Луны и Земли при их движении относительно Солнца. Угловое расстояние между направлениями Луна – Земля и Луна – Солнце принято называть фазовым углом. Это один из важнейших параметров в фотометрических исследованиях Луны (см. главу 2). Полный цикл смены лунных фаз называют синодическим месяцем; его продолжительность (29,53 сут.) немного больше периода обращения Луны вокруг Земли (сидерический месяц, 27,32 сут.), поскольку сама система Земля-Луна обращается вокруг Солнца. Период вращения Луны вокруг оси равен периоду ее обращения вокруг Земли, поэтому Луна всегда повернута к Земле одной стороной.

Рис. 1.5. Фотографии Луны в различных фазах: 1 – молодая Луна (лунный серп, полумесяц), своей выпуклой стороной он всегда обращен в сторону Солнца; 2 – первая четверть; 3 – растущая Луна; 4 – полнолуние; 5 – убывающая Луна; 6 – последняя четверть.

Спустя несколько дней после новолуния вечером на западе виден яркий лунный серп. В это время, приглядевшись, можно заметить слабое свечение темной части лунного диска, так называемый пепельный свет Луны: это солнечный свет, отраженный дневным полушарием Земли, слабо освещает темную сторону Луны. Впрочем, этот свет не очень-то слаб: полная Земля освещает Луну примерно в 60 раз сильнее, чем полная Луна освещает ночную Землю. Фактически на видимой стороне Луны не бывает темных ночей. Даже в отсутствие Солнца там можно гулять, читать и работать при свете Земли. Этим видимая сторона выгодно отличается от обратной. Хотя для астрономов по этой же причине привлекательна именно обратная сторона Луны.

Вокруг своей оси Луна вращается с постоянной скоростью, а вот вокруг Земли она обращается по эллиптической орбите неравномерно: в перигее – быстрее, в апогее – медленнее. К тому же экваториальная плоскость Луны наклонена к плоскости ее орбиты в среднем на 6° 41′. А кроме этого, сам наблюдатель движется в результате вращения Земли. Все это приводит, с точки зрения земного наблюдателя, к небольшим видимым покачиваниям Луны по долготе и широте, так называемым либрациям. В результате либраций земной наблюдатель в течение месяца может увидеть почти 60 % площади лунного шара. Но оставшиеся 40 % с Земли не видны никогда.

Рис. 1.6. Последовательные положения Земли и Луны на своих орбитах и соответствующие им фазы Луны с точки зрения земного наблюдателя.

В течение года высота Луны над горизонтом в наших средних широтах заметно меняется: зимой она поднимается значительно выше, чем летом. Вызвано это тем, что Луна перемещается вблизи эклиптики, наклоненной к небесному экватору на 23,5°. Поэтому в фазе полнолуния, когда положения на небе Луны и Солнца противоположны, Луна видна на 23,5° выше экватора зимой и ниже его – летом. К этому добавляется еще небольшой наклон лунной орбиты к эклиптике, примерно на 5°, так что полный размах в высоте Луны над горизонтом достигает у нас ±29°. Отчасти именно этим объясняется известная погодная примета «Луна на небе – к морозу». Летом полная Луна видна недолго, поздно восходит и рано заходит за горизонт, да и поднимается невысоко. Поэтому летом мы ее почти не видим. Зато зимой Луна видна всю ночь и стоит высоко в небе. Прибавьте к этому тот факт, что в ясную ночь, когда Луна видна, земля и воздух быстро остывают из-за потерь тепла в виде инфракрасного излучения. Вот вам и научное объяснение народной приметы.

Еще несколько цифр, характеризующих Луну. Размер Луны почти вчетверо меньше земного. Площадь поверхности лунного шара составляет всего 7,4 % поверхности Земли, то есть незначительно превышает площадь Африканского материка. Сила тяжести на Луне в 6 раз меньше, чем на Земле; это сильно облегчает разведку ее поверхности автоматическими и пилотируемыми экспедициями. Вторая космическая скорость на поверхности Луны 2,4 км/с; именно с такой скоростью падает на нее исследовательский зонд при неуправляемом спуске. Скорость спутника на низкой круговой окололунной орбите 1,7 км/с; именно такую скорость должен набрать взлетающий с Луны аппарат, чтобы выйти на промежуточную орбиту, а чтобы с нее отправиться к Земле, ему придется еще добавить 0,7 км/с. Взлет с Луны облегчается отсутствием у нее атмосферы, но посадка на Луну по этой же причине затруднена: невозможно использовать парашют.

Стоя на ровной поверхности Земли, например на берегу океана, мы видим горизонт примерно на расстоянии 5 км. На Луне же до линии горизонта всего 2,6 км, хотя найти там ровное место труднее, чем на Земле. Близость горизонта затрудняет радиосвязь на больших расстояниях, ведь на отражение радиоволн от ионосферы рассчитывать не приходится. Вообще отсутствие атмосферы осложняет работу на лунной поверхности: требуется защита от солнечного ультрафиолета, космических лучей и микрометеоритов. Не приходится рассчитывать на воздух как на охлаждающий агент, не говоря уже о дыхании. К тому же почти отсутствует рассеянный свет, отчего пейзаж выглядит очень контрастным. В верхнем слое грунта велики суточные перепады температуры: от +(100…120) °С днем до – (150…170) °С ночью. Но лунный реголит – очень хороший теплоизолятор. На глубине более 1 метра ниже поверхности суточные колебания температуры почти не ощущаются: там постоянно -40 °C в средних широтах и -25 °C в районе экватора. Но на полюсах значительно холоднее. Сезонных колебаний «погоды» на Луне нет, поскольку ее экватор лежит практически в плоскости эклиптики, то есть максимальная высота Солнца над горизонтом в течение года не меняется.

Таковы суровые условия на лунной поверхности. Тем не менее приятно то, что эта поверхность оказалась достаточно твердой для работы на ней автоматов и человека; ведь накануне космической эры поверхность Луны представлялась некоторым исследователям как толстый слой пыли, способный поглотить любого, рискнувшего опуститься на него.

1.3. Луна как объект астробиологии

Астрономы полагают, что невидимое полушарие Луны по своему устройству совершенно сходно с видимым… Но что если атмосфера существует именно на той стороне? Что если воздух и вода породили жизнь на этих материках? Что если там еще существует растительность? Что если благодаря всем этим условиям там живет и человек? Сколько интересных вопросов можно было бы разрешить, если бы хоть одним глазком взглянуть на невидимое полушарие! Сколько загадок было бы разгадано на основании подобных наблюдений! И какое было бы наслаждение хоть мельком полюбоваться миром, доселе скрытым от человеческих взоров!

Жюль Верн. Вокруг Луны

Из всех небесных светил только Луна в течение тысячелетий демонстрировала людям свой явный планетный облик; все остальные планеты выглядели как звезды. Появление телескопа и обнаружение с его помощью гор и долин на Луне только укрепило мнение о ней как о месте, подобном Земле. Издревле люди «населяли» Луну душами умерших, а в XV–XVIII вв. появилось немало книг с фантазиями о путешествиях с Земли на Луну и о возможных обитателях Луны – селенитах (от греч. selene, луна).

Улучшение качества телескопов и внимательное изучение с их помощью лунной поверхности, с одной стороны, указало на отсутствие у Луны плотной атмосферы и открытых водных поверхностей, а с другой – выявило множество интересных мелких деталей лунной топографии, например извилистых узких долин, напоминающих речные русла. Чем более мелкие детали становились доступными телескопу, чем большее число наблюдателей напрягало свое зрение в поисках интересных образований на Луне, тем больше было… ошибок и заблуждений. Например, немецкий врач и астроном Франц Паула фон Груйтуйзен (1774–1852) заявил, что 12 июля 1822 г. в центре видимого полушария Луны, под кратером Шрётер, он наблюдал систему прямолинейных стен, расположение и сложность которых внушила ему мысль, что это творение разумных существ. Опубликованное на страницах ежедневных газет, это сообщение разрослось в фантастические рассказы о военных укреплениях, о городе, обнесенном стеной, и все, имевшие зрительные трубы, пытались отыскивать предполагаемые крепости. И действительно их «находили». Первым подтвердил сообщение Груйтуйзена князь Меттерних в Вене, вторым – профессор Боненбергер, а третьим стал известный астроном-любитель Генрих Швабе, по профессии фармацевт, известный тем, что несколько десятилетий регулярно наблюдал Солнце и открыл периодичность количества солнечных пятен. Как видим, даже столь опытные наблюдатели оказались жертвой самообмана. Как пишут Клепешта и Лукеш (1959), «здесь мы имеем доказательство того, как люди могут быть введены в заблуждение и как, основываясь на одном наблюдении, делают совсем не обоснованные выводы».

В 1826 г. Груйтуйзен стал профессором астрономии Мюнхенского университета, а в 1836 г. вышла в свет его книга под названием «Естественная история звездного неба». В ней он рассказывал невероятные вещи – например, что видел на Луне не только укрепления и дороги, но даже звериные тропы, что замечал большие караваны обитателей обратной стороны, движущиеся на место, откуда можно было наблюдать великую луну, то есть нашу Землю. Кстати, обратная сторона Луны, недоступная земному наблюдателю, позволяла некоторым фантазерам «строить замки на песке». В то время как видимая сторона очевидно была безводной и безвоздушной, обратную сторону некоторые считали гораздо более похожей на Землю. Предполагалось, что она напоминает собой болотистые джунгли. Понятно, что жизнь в таких условиях могла процветать.

Если Груйтуйзен верил в существование жизни на Луне, то он был более чем убежден в существовании жизни на Венере. «В те времена уже хорошо было известно, что Венера по своим размерам и массе почти ничем не отличается от Земли. Астрономы знали, что Венера, вращающаяся вокруг Солнца по меньшей орбите, чем земная, должна быть теплее Земли.

Климат и растительность на этой планете должны быть похожи на климат и растительность наших тропиков. Пепельный свет на не освещенной Солнцем Венере Груйтуйзен объяснял как результат «иллюминации во время всеобщего фестиваля в честь восхождения нового императора на трон планеты». Подумать же о явлениях, подобных нашим северному и южному полярным сияниям, было для Груйтуйзена чем-то уж слишком простым» (Лей, 1961, с. 29).

Рис. 1.7. Франц Паула фон Груйгуйзен

Быть может, профессор Груйтуйзен таким оригинальным образом пытался привлечь внимание студентов к астрономии? Современники считали Груйтуйзена «упорным, но некритическим наблюдателем». Вероятно, он был последним из профессиональных ученых, подозревавших разумную жизнь на Луне. А вот о Венере еще не менее 100 лет у астрономов сохранялись совершенно неверные представления.

Отметим, что интерес к Луне в первой половине XIX в. был всеобщим. В поисках сенсаций этим не преминули воспользоваться газетчики. В 1835 г. Ричард А. Локк начал публиковать в «New York Sun» сообщения, якобы полученные им от Джона Гершеля, который в это время в Южной Африке изучал небо при помощи большого рефлектора своего славного отца. Локк весьма детально описывал, каких чудовищ с крыльями летучих мышей видел Гершель на Луне. Нужно признать: мистификация удалась, тираж газеты возрос невероятно. Вообще, в те годы подобные проделки журналистов были в порядке вещей. Многие люди верили этим причудливым рассказам, как теперь часто верят в рассказы об НЛО. Впрочем, газетные фантазии об обитателях Луны и Марса спустя некоторое время переросли в соответствующий литературный жанр, и читатели с удовольствием стали следить за фантастическими приключениями героев Герберта Уэллса («Первые люди на Луне»), Алексея Толстого («Аэлита»).

Рис. 1.8. Летучие селениты по К. Фламмариону.

В то же время ученые откликнулись на мистификации более внимательным изучением Луны. Наблюдая в 1834 г. заход звезд за лимб Луны, Фридрих Бессель не обнаружил у нее даже следов атмосферы. В 1838 г. астроном обсерватории Берлинского университета Иоганн Мёдлер привел доказательства того, что все «искусственные сооружения» Груйтуйзена есть не что иное, как сочетание скальных стен и впадин, которые при определенной фазе либрации Луны и положении терминатора – границы между светлой и темной сторонами диска – представляются в виде крепостных валов и стен (см. рис. 5.11 и 5.12). К концу XIX столетия, казалось, были отброшены последние надежды встретить на Луне жизнь, но в середине XX в. они появились вновь.

В Солнечной системе Луна, как и Земля, занимает наиболее благоприятное для жизни место. Чуть ближе к Солнцу слишком жарко (пример – Венера), а чуть дальше от Солнца слишком холодно (Марс). И только на орбите Земли – Луны средняя температура поверхности планеты немного выше О °С – идеальная температура для жизни. На Земле жизнь есть. Почему бы ей не быть и на Луне?

Ответ кажется очевидным: для жизни важна не только подходящая средняя температура, но и отсутствие сильных колебаний температуры, а на лишенной атмосферы Луне эти колебания значительно сильнее, чем на Земле. Строго говоря, у Луны все же есть атмосфера: по исследованиям американских астронавтов, концентрация газа в окололунном пространстве в тысячи раз превышает его концентрацию в межпланетном пространстве. В кубическом сантиметре окололунного пространства количество газовых частиц в ночное время превышает 10⁵, а в дневное снижается до 10⁴. Основные компоненты газовой оболочки Луны – водород, гелий, неон и аргон. Напомним, что у поверхности Земли концентрация молекул воздуха равна 2,7х10¹⁹ см^-3. Иными словами, в литровой банке земного воздуха содержится столько же молекул, сколько в кубическом километре окололунного пространства! Естественно, крайне разреженная атмосфера Луны не способна сгладить разницу дневной и ночной температуры поверхности, и она меняется с амплитудой в 300 °C! Второе неблагоприятное свойство лунной поверхности – отсутствие жидкой или газовой среды: в вакууме живая клетка быстро высыхает, и активные биологические процессы в ней прекращаются.

К началу XX в. были составлены подробнейшие карты лунной поверхности, было уже совершенно ясно, что поверхность Луны безводна и безвоздушна. Но о природе этой поверхности, не говоря уже о ее происхождении, бытовали самые противоречивые суждения. Вот пример всего лишь столетней давности.

Новая гипотеза лунных кратеров

До сих пор происхождение лунных кратеров объясняли различными, главным образом вулканическими, причинами. Немецкий астроном проф. Фойгт дает им новое объяснение, во всяком случае, не лишенное остроумия. Он спрашивает: какой вид имело бы наше морское дно, если бы удалить воду? И он думает, что во многих местах, например у тропиков, оно представляло бы большое сходство с рельефом Луны. Так как «кратеры» морского дна – не более как коралловые постройки, то он думает, что то же происхождение имеют и лунные кратеры. Эта гипотеза построена на том предположении, что и часть Луны раньше была покрыта водой. Против этого, как думают специалисты, никаких теоретических возражений выставить нельзя, и гипотеза Фойгта смело может фигурировать наряду с другими.

«Вестник знания», 1904 г. (Цит. по: Наука и жизнь, 2004, № 3, с. 54)