Луна примерно вчетверо меньше Земли по ширине. Это может показаться обычным, пока не сравнишь другие планеты с их спутниками: даже крупные спутники Юпитера и Сатурна составляют лишь малую долю диаметра своих планет. Среди восьми планет у Земли самый большой спутник относительно размеров планеты, вокруг которой он обращается.
Однако у этого отличия есть два важных уточнения. Наша Луна не крупнейший спутник по абсолютным размерам, а Земля и Луна — не самая равная пара, если учитывать карликовые планеты. Спутник Плутона Харон пропорционально гораздо крупнее. Поэтому интересный вопрос — не просто «Насколько велика Луна?», а «Велика по сравнению с чем?»
Соотношение размеров позволяет содержательно сравнивать небесные тела. Оно также помогает различать три понятия, которые часто смешивают: физический размер, гравитационное влияние и видимый размер на небе. На интерактивной карте Солнечной системы показано текущее положение планет; сравнения ниже раскрывают другую сторону этой системы — насколько различаются размеры планет и их спутников.
Луна составляет больше четверти ширины Земли
Радиус Луны составляет 1 737,4 км. Если взять средний радиус Земли — около 6 371 км, то отношение радиуса Луны к радиусу Земли будет примерно 0,273. Иными словами, диаметр Луны составляет около 27,3% диаметра Земли. Для радиуса и диаметра получается одно и то же соотношение: если удвоить оба измерения, их пропорция не изменится.
Представьте Землю в виде шара диаметром 30 см. В таком масштабе диаметр Луны составит около 8,2 см — она будет ближе к крупному апельсину, чем к крошечной бусине. Это весьма внушительный спутник. Но такая модель также показывает, в чём часто ошибаются иллюстрации. При среднем расстоянии между Землёй и Луной 384 400 км центры этих шаров находились бы примерно в 9,1 м друг от друга. На рисунке они могут казаться почти соприкасающимися: относительные размеры при этом показаны верно, а пустое пространство сильно сжато.
Диаметр — лишь один из способов оценить эту пару. Масса Луны составляет примерно одну восемьдесят первую массы Земли, то есть около 1,2%, а не 27,3%. Объём увеличивается пропорционально кубу диаметра: тело шириной 0,273 от исходной будет иметь объём лишь около 0,020 от исходного, если форма у тел одинаковая. Это примерно 2%.
Остальная разница объясняется плотностью. Средняя плотность Луны ниже, чем у Земли, чьё крупное богатое железом ядро вносит существенный вклад в её массу. Поэтому спутник может выглядеть внушительно рядом со своей планетой, но при этом быть далеко не равным ей по гравитационному влиянию. Обсуждая, похожи ли Земля и Луна на двойную планету, важно не смешивать диаметр и массу.
Спутники покрупнее могут быть менее значительными рядом со своей планетой
Ганимед Юпитера — крупнейший спутник Солнечной системы: его диаметр составляет примерно 5 268 км. Следом идёт Титан Сатурна с диаметром около 5 149 км. Оба спутника шире Меркурия и намного шире нашей Луны, диаметр которой составляет 3 474,8 км. И всё же рядом с ними их планеты не кажутся маленькими.
Если сравнивать средние диаметры, ширина Ганимеда составляет лишь около 3,8% диаметра Юпитера. Титан составляет около 4,4% диаметра Сатурна. Соотношение для Земли и Луны — 27,3%, то есть более чем в 6 раз выше обоих этих показателей. Это не значит, что наша Луна в 6 раз крупнее; речь о том, что её относительный размер рядом со своей планетой более чем в 6 раз больше.
Нептун даёт ещё один полезный пример для сравнения. Его крупнейший спутник Тритон составляет около 5,5% диаметра планеты. Это больше, чем соответствующая доля для Ганимеда или Титана, но всё же намного меньше соотношения размеров Земли и Луны. На противоположном конце шкалы находится Марс: два его небольших спутника неправильной формы крошечные по сравнению с планетой.
Эти сравнения показывают, почему рейтинг спутников по диаметру не отвечает на вопрос, в какой планетной системе спутник заметнее всего по сравнению со своей планетой. По физическим размерам наша Луна занимает пятое место среди спутников Солнечной системы, но среди спутников восьми планет она на первом месте относительно своей планеты. Более полный обзор спутников представлен в руководстве по спутникам Солнечной системы; здесь важно различать абсолютный рейтинг и соотношение размеров.
Делает ли это Землю и Луну двойной планетой?
Выражение «двойная планета» звучит заманчиво, но его формальное определение не является общепринятым. Согласно одному из предлагаемых критериев, нужно выяснить, где находится общий центр масс двух тел. Оба тела обращаются вокруг этой точки, называемой барицентром; меньшее тело не вращается вокруг совершенно неподвижного большего.
У Земли и Луны барицентр находится внутри Земли. Его положение можно приблизительно рассчитать по соотношению масс. Если масса Земли примерно в 81 раз больше массы Луны, то барицентр находится на расстоянии примерно одной восемьдесят второй расстояния между центрами тел от центра Земли. При среднем расстоянии 384 400 км получится примерно 4 700 км. Это меньше радиуса Земли, составляющего около 6 371 км, поэтому в рамках такого упрощённого расчёта точка находится примерно в 1 700 км под поверхностью.
Теперь сравним Плутон и Харон. Харон примерно вдвое меньше Плутона по ширине, а его масса составляет около одной восьмой массы Плутона. Их барицентр находится за пределами Плутона, что делает эту пару гораздо более убедительным примером двойной системы. Плутон классифицируется как карликовая планета, поэтому это не отменяет особого положения Земли среди восьми планет.
Критерий барицентра полезен, но он не является исчерпывающим правилом классификации. Положение барицентра зависит как от расстояния между телами, так и от их масс: если увеличить расстояние между теми же телами, барицентр удалится от центра каждого из них. Поэтому положение точки за пределами большего тела само по себе не означает, что пару следует считать «двойной планетой» согласно общепринятому определению. По принятой классификации Земля остаётся планетой, а Луна — её естественным спутником, несмотря на необычно большой диаметр Луны относительно Земли.
Подсказка о том, как образовалась Луна
Большой размер Луны — одно из нескольких свойств, которые должна объяснить теория её происхождения. Наиболее распространённое объяснение — гигантское столкновение: в ранней истории Земли мощный удар выбросил вещество на орбиту, и из этого орбитального материала сформировалась Луна. Общая картина хорошо подтверждена, однако точные обстоятельства столкновения и дальнейшая эволюция системы по-прежнему изучаются.
Один лишь размер не доказывает эту гипотезу. Учёные также рассматривают угловой момент системы, сравнительно небольшое металлическое ядро Луны и химическое и изотопное сходство земного и лунного вещества. Успешное объяснение должно учитывать все эти наблюдения, а не просто давать в компьютерном моделировании крупный спутник.
Эта картина отличается от общепринятого представления о крупных регулярных спутниках планет-гигантов: считается, что они сформировались в дисках из газа и твёрдого вещества вокруг растущих планет. Разные условия формирования могут приводить к разным соотношениям размеров планет и их спутников. Нет никаких оснований ожидать, что каждая планетная система будет точной копией остальных, только в другом масштабе.
Формирование и последующую эволюцию также следует рассматривать отдельно. Приливные взаимодействия со временем меняли систему Земля — Луна, и сейчас Луна удаляется от Земли примерно на 3,8 см в год. Это меняет расстояние между ними, но не соотношение их диаметров. Те же взаимодействия помогают объяснить синхронное движение Луны по орбите и вокруг своей оси. Об этом подробнее рассказано в статье почему мы всегда видим одну и ту же сторону Луны.
Почему крупный спутник всё равно выглядит маленьким на небе
Относительный размер Луны по сравнению с Землёй — не то же самое, что её видимый размер для наблюдателя на Земле. Для наблюдения важно отношение диаметра Луны к расстоянию до неё. Если разделить её диаметр, равный 3 474,8 км, на среднее расстояние между центрами Земли и Луны, составляющее 384 400 км, получится угловой диаметр около 0,52 градуса. Это полезная приблизительная оценка, а не точный прогноз для конкретного места наблюдения.
Вот почему спутник, ширина которого составляет более четверти ширины Земли, занимает на небе лишь небольшую область. Расстояние между телами огромно по сравнению с диаметром каждого из них. Если бы Луна находилась дальше, она выглядела бы меньше, но её физический размер и необычно большое соотношение размеров Луны и Земли не изменились бы.
Это различие помогает правильно сравнивать фотографии Луны. Снимки, сделанные с разным фокусным расстоянием, кадрированием или передним планом, не могут подтвердить, что физический размер Луны изменился. Для содержательного сравнения видимого диаметра нужен единый масштаб изображения. На панелях Луны для городов наряду с фазой и освещённостью указаны расстояние, высота над горизонтом и азимут — полезные сведения для наблюдений. Не меняйте настройки камеры, записывайте расстояние, и тогда вы сможете изучать, как меняется видимый размер Луны, не смешивая этот вопрос с гораздо более фундаментальным: насколько велика наша спутница рядом с Землёй.