Если несколько ночей подряд смотреть на Луну, кажется, что знакомые отметины на ней остаются на своих местах. Одни и те же обширные участки тёмных лунных равнин обращены к Земле, и может показаться, будто Луна не вращается. Но она вращается: за каждый оборот вокруг Земли Луна совершает один оборот вокруг своей оси. Эта синхронизация, называемая приливной, объясняет, почему мы видим почти одно и то же полушарие, а не все стороны Луны по очереди.
Противоположное полушарие часто называют обратной стороной. Оно не пребывает в вечной темноте. Солнечный свет в разные моменты лунного цикла освещает большую часть поверхности Луны, хотя некоторые глубокие полярные кратеры остаются в постоянной тени. Геометрия орбиты Луны, её вращение и небольшое кажущееся покачивание помогают понять, что именно мы можем увидеть.
Один оборот за один виток
Луне требуется 27,32166 суток, чтобы совершить один оборот вокруг своей оси относительно далёких звёзд, и 27,32166 суток, чтобы облететь Землю. Поскольку эти периоды совпадают, к нашей планете всё время обращена примерно одна и та же сторона Луны. Если бы Луна совсем не вращалась, её движение по орбите постепенно открывало бы взгляду разные долготы. Но вместо этого она непрерывно вращается, пока движется по орбите, сохраняя с ней один ритм.
Для сравнения можно представить, что вы обходите вокруг человека, всё время глядя на него. За полный круг вам придётся один раз повернуться, хотя смотрящий на вас человек всё это время будет видеть одну и ту же сторону вашей головы. Вращение Луны менее заметно, поскольку на Земле нет ориентира, по которому его легко было бы отслеживать от ночи к ночи.
Период вращения в 27,32166 суток — это не промежуток времени между полнолуниями. Цикл смены фаз занимает 29,53059 суток, потому что, пока Луна обращается вокруг Земли, система Земля — Луна тоже движется вокруг Солнца. Завершив один оборот, Луне нужно пройти ещё немного, чтобы снова оказаться в том же положении относительно Солнца и Земли. В руководстве по фазам Луны объясняется, как меняющиеся углы между Солнцем, Землёй и Луной приводят к появлению наблюдаемых нами фаз.
Как приливные силы синхронизировали Луну
Приливная синхронизация возникает, когда гравитация в течение долгого времени действует на вращающееся тело. Земля притягивает обращённую к ней сторону Луны сильнее, чем противоположную. Из-за этой разницы Луна немного вытягивается, и возникает приливная деформация. Когда вращение Луны и её движение по орбите ещё не были синхронизированы, деформация не была точно выровнена по направлению Земля — Луна. Возникавший в результате гравитационный момент изменял вращение Луны, а внутреннее трение рассеивало энергию вращения.
Со временем эти эффекты замедлили вращение Луны, пока один оборот вокруг оси не стал занимать столько же времени, сколько один оборот по орбите. В этом синхронизированном состоянии приливная деформация остаётся почти выровненной относительно Земли, поэтому повторяющийся момент силы, изменявший вращение, становится гораздо слабее. Приливная синхронизация — не особая сила, удерживающая одну сторону неподвижной, а устойчивый результат вращения, гравитации и потери энергии.
Приливные эффекты по-прежнему важны для системы Земля — Луна. Луна удаляется от Земли примерно на 3,8 см в год — это следствие приливных взаимодействий, которые перераспределяют угловой момент в системе. Нельзя заметить это движение по одному наблюдению, но оно связывает синхронное вращение Луны с продолжающимся обменом между орбитальным движением и вращением.
Обратная сторона — не тёмная
Обратная сторона — это просто полушарие, отвернутое от Земли. Во время движения Луны вокруг нашей планеты на неё, как и на видимую сторону, падает солнечный свет. В полнолуние освещена видимая сторона, а обратная в основном отвернута от Солнца; в новолуние освещена обратная сторона, а видимая в основном погружена во тьму. По мере смены фаз этот порядок меняется на противоположный.
Однако есть важная оговорка: не все участки Луны попеременно освещаются Солнцем и погружаются во тьму. Вблизи полюсов Солнце держится низко над горизонтом. Некоторые глубокие кратеры настолько защищены своими краями, что солнечный свет никогда не достигает их дна. Там находятся области постоянной тени. Эти исключительные места обусловлены особенностями местного рельефа и малой высотой Солнца над горизонтом, а не тем, что они расположены на обратной стороне Луны.
Поэтому выражение «тёмная сторона Луны» может вводить в заблуждение. В разговорной речи его используют как название обратной стороны, но оно не означает, что это полушарие никогда не освещается Солнцем. Чтобы узнать, как меняются даты и время фаз в течение цикла, воспользуйтесь календарём фаз Луны по месяцам.
Небольшое покачивание позволяет увидеть больше
Со временем Земля видит не ровно половину Луны. Орбита Луны слегка вытянута, поэтому скорость её движения по орбите меняется: в ближайшей к Земле точке она движется быстрее, а на большем удалении — медленнее. Скорость вращения Луны вокруг оси остаётся почти постоянной, поэтому изменение орбитальной скорости создаёт впечатление, будто Луна немного покачивается из стороны в сторону. Это кажущееся движение называется либрацией по долготе.
У либрации по широте другая причина. Ось вращения Луны наклонена к эклиптике на 1,54 градуса, а её орбита — на 5,14 градуса. Благодаря этим углам в разные моменты орбитального движения наблюдатели могут заглянуть немного дальше за северный или южный полюс Луны. На вид также немного влияют расстояние до Луны и положение наблюдателя на Земле.
Либрация не позволяет увидеть всю обратную сторону сразу. Со временем она даёт возможность заглянуть за видимый край Луны. В общей сложности с Земли в разные моменты можно увидеть около 59 процентов лунной поверхности, хотя в каждый конкретный момент видно не более примерно половины. Благодаря этому постепенному раскрытию подробные карты поверхности Луны охватывают области за пределами той стороны, которая кажется центральной при обычном наблюдении.
На что обратить внимание при наблюдении с Земли
Полезно сравнивать, как выглядит заметный объект у края Луны в разные дни. Из-за либрации видимый край смещается, поэтому расположенный у него кратер или тёмная равнина в один день может быть видна лучше, чем в другой. Без телескопа или бинокля эти изменения едва заметны, а сравнивать виды может мешать и меняющаяся ориентация Луны на небе. Выберите один и тот же объект и сравнивайте изображения, сделанные при близких фазах.
Вид Луны зависит не только от времени наблюдения, но и от того, где на Земле вы находитесь. Панель наблюдения за Луной для выбранного города показывает местную фазу и освещённость, время восхода и захода Луны, высоту над горизонтом и азимут, расстояние до Луны, а также состояние неба и местную погоду. В руководстве о лучшем времени для наблюдения Луны объясняется, как фаза и местные условия влияют на то, когда Луна находится над горизонтом. Синхронное вращение Луны объясняет, почему её знакомая сторона всегда обращена к нам, а либрация позволяет терпеливым наблюдателям разглядеть меняющиеся участки за её краем.