В данной главе мы рассмотрим, как Луна воздействует своим гравитационным полем собственно на саму Землю, т.е. на ее тело и ее движение по орбите. Последствия данного воздействия для различных земных сфер - литосферы, гидросферы, ядра, атмосферы, магнитосферы и др., а также для биосферы будут рассмотрены в следующих главах.
ВНИМАНИЕ!
Графики гравитационного взаимодействия Луны и Земли см. с помощью сервиса
ЛУННЫЙ ФАКТОР
Расчетные соотношения и константы
Для расчета гравитационного воздействия Луны воспользуемся формулой классической физики, определяющей силу F взаимного притяжения двух тел с массами M1 и M2, центры масс которых находятся друг от друга на расстоянии R:
(1) F (н) = (G x M1 x M2) / R 2 ,
где G = 6,67384 х 10 -11 - гравитационная постоянная.
Данная формула дает значение силы притяжения в единицах системы СИ - ньютонах (н). Для целей нашего трактата удобнее и понятнее будет оперировать килограммами силы (кгс), которые получаются делением F на коэффициент 9,81, т.е.:
(2) F (кгс) = (G x M1 x M2) / (9,81 х R 2)
Для дальнейших расчетов нам потребуются следующие константы:
- масса Луны - 7,35 х 10 22 кг;
- среднее расстояние от Земли до Луны - 384400 км;
- средний радиус Земли - 6371 км;
- масса Солнца - 1,99 х 10 30 кг;
- среднее расстояние от Земли до Солнца - 149,6 млн. км;
Сила лунного притяжения на Земле
В соответствии с формулой (2), сила притяжения Луной тела массой 1 кг, находящегося в центре Земли, при расстоянии между Луной и Землей, равном его среднему значению, равна:
(3) F = (6,67 х 10 -11 х 7,35 х 10 22 х 1) / (9,81 х 384400000 2) = 0, 000003382 кгс
т.е. всего 3,382 микрограмма. Для сравнения расчитаем силу притяжения того же тела Солнцем (также для среднего расстояния):
(4) F = (6,67 х 10 -11 х 1,99 х 10 30 х 1) / (9,81 х 149600000000 2) = 0, 000604570 кгс,
т.е. 604,570 микрограмм, что почти в 200 (двести!) раз больше, чем сила притяжения Луной.
Кроме того, вес тела, находящегося на поверхности Земли, изменяется в гораздо более существенных пределах из-за отклонения формы Земли от идеальной, неравномерности рельефа и плотности, а также влияния центробежных сил. Так, например, вес тела массой в 1 кг на полюсах больше веса на экваторе примерно на 5,3 грамма, причем одна треть этой разницы обусловлена сплюснутостью Земли с полюсов, а две трети - центробежной силой на экваторе, направленной против силы тяжести.
Как видно, прямое гравитационное воздействие Луны на конкретное тело, находящееся на Земле, является в прямом смысле микроскопическим и при этом существенно уступает гравитационному воздействию Солнца и геофизических аномалий.
Градиент силы лунного притяжения
Обратимся к рис.3.1. Для среднего значения расстояния Земля - Луна сила притяжения Луной тела массой 1 кг, расположенного на поверхности Земли в ближайшей к Луне точке составляет 3,495 микрограмм, что на 0,113 микрограмм больше, чем сила притяжения того же тела, но расположенного в центре Земли. Сила же притяжения тела, находящегося на поверхности Земли, Солнцем (также для среднего значения расстояния) составит 604,622 микрограмма, что больше силы притяжения того же тела, но расположенного в центре Земли, на 0,052 микрограмма.
Рис.3.1 Лунная и солнечная гравитация
Т.о, несмотря на неизмеримо меньшую массу Луны по сравнению с Солнцем, градиент силы ее тяготения на орбите Земли в среднем в два с лишним раза больше градиента силы тяготения Солнца.
Для иллюстрации воздействия гравитационного поля Луны на тело Земли обратимся к рис. 3.2.
Рис.3.2 Влияние гравитационного поля Луны на тело Земли.
Данный рисунок представляет весьма и весьма упрощенную картину реакции тела Земли на воздействие лунной гравитации, но достоверно отражает суть процесса - изменение формы земного шара под воздействием т.н. приливных (или приливообразующих) сил, направленных вдоль оси Земля - Луна, и противодействующих им сил упругости тела Земли. Приливные силы возникают из-за того, что точки Земли, расположенные ближе к Луне, притягиваются к ней сильнее, чем точки, расположенные дальше от нее. Иными словами, деформация тела Земли является следствием градиента силы притяжения Луны и противодействующих ему сил упругости тела Земли. В результате действия этих сил размер Земли увеличивается в направлении действия приливных сил и уменьшается в поперечном направлении, вследствие чего на поверхности образуется волна, именуемая приливной. Эта волна имеет два максимума, находящиеся на оси Земля - Луна и перемещающиеся по поверхности Земли в направлении, противоположном направлению ее вращения. Амплитуда волны зависит от широты местности и текущих параметров орбиты Луны и может достигать нескольких десятков сантиметров. Максимальное значение она будет иметь на экваторе при прохождении Луной ее перигея.
Солнце также вызывает приливную волну в теле Земли, но существенно меньшую из-за меньшего градиента силы его тяготения. Совместное гравитационное воздействие Луны и Солнца на тело Земли зависит от их взаимного расположения. Максимально значение приливных сил и, соответственно, максимальная амплитуда приливной волны достигается при расположении всех трех объектов на одной оси, т.е. в состоянии т.н. сизигии (выравнивания), что имеет место при новолунии (Луна и Солнце в «соединении») или при полнолунии (Луна и Солнце в «оппозиции»). Данные конфигурации иллюстрируются рис. 3.3 и 3.4.
Рис.3.3 Совместное влияние гравитационных полей Луны и Солнца на тело Земли
в «соединении» (в новолуние).
Рис.3.4 Совместное влияние гравитационных полей Луны и Солнца на тело Земли
в «оппозиции» (в полнолуние).
По мере отклонения Луны и Солнца от линии сизигии вызываемые ими приливные силы и, соответственно, приливные волны начинают приобретать самостоятельный характер, их сумма уменьшается, а степень их противодействия друг другу растет. Противодействие достигает максимума, когда угол между направлениями на Луну и Солнце из центра Земли равен 90°, т.е. данные тела находятся в «квадрате», а Луна, соответственно, находится в фазе четверти (первой или последней). В этой конфигурации приливные силы Луны и Солнца действуют на форму тела Земли строго противоположно, соответствующие приливные волны на поверхности максимально разнесены, а их амплитуда минимальна, что иллюстрируется рис. 3.5.
Рис.3.5 Совместное влияние гравитационных полей Луны и Солнца на тело Земли в «квадрате».
Физика земных приливных процессов под воздействием гравитационных полей Луны и Солнца весьма сложна и требует учета большого числа параметров. На эту тему было разработано большое число различных теорий, проведено много экспериментальных исследований, написано огромное количество статей, монографий и диссертаций. Даже на сегодняшней день в этой области остается много «белых» пятен, противоречащих друг другу точек зрения и альтернативных подходов. Для желающих углубиться в проблематику земных приливов можно рекомендовать фундаментальное исследование П. Мельхиора «Земные приливы» (пер. с англ., М., «Мир», 1968 г. 483 страницы).
Следствием воздействия лунной гравитации на Землю являются два фундаментальных явления:
- Лунные приливы на поверхности Земли - периодических изменений уровня земной поверхности, синхронизированные с суточным вращением Земли и перемещением Луны по орбите.
- Наложение на земную орбиту переменной составляющей, синхронизированной с вращением системы Земля - Луна вокруг общего центра масс.
Данные явления являются главными механизмами воздействия Луны на земные сферы - литосферу, гидросферу, земное ядро, атмосферу, магнитосферу и др. Более подробно об этом - в следующей главе.
7.3 Гравитационное поле ЛуныНеоднородности в распределении масс отражаются в гравитационных аномалиях.
Гравитационными аномалиями, то есть отклонениями значения силы тяжести от
"естественного", нормального значения. Поскольку Луна очень мало
отличается от шара, то нормальным потенциалом можно считать постоянную
величину. Параметры этого шара: средний радиус равен 1738 км
, средняя плотность
3,3440,004 г/см
, безразмерный момент инерции
.
Гравитационный потенциал Луны принято записывать в виде трех слагаемых
где -- потенциал притяжения, -- центробежный потенциал, -- приливной потенциал. Последний вносит существенный вклад в гравитационный потенциал Луны. В лекции, посвященной деформации уровенной поверхности планеты под действием приливного возмущения, мы показали, что уровенная поверхность "вытягивается" в сторону притягивающего тела. Луну можно аппроксимировать трехосным эллипсоидом с полуосями , , м , ориентированным так, что его большая полуось направлена в сторону Земли.
Детальное исследование фигуры Луны стало возможно только после запуска искусственных спутников Луны (ИСЛ). Однако исследованием Луны занимались задолго до запуска ИСЛ. Сотрудники ГАИШ М.У.Сагитов и Н.П.Грушинский, используя астрометрические наблюдения получили, что сила тяжести на лунном трехосном эллипсоиде изменяется по закону
где
,
.
Эта формула показывает, что сила тяжести к полюсу не растет, как это имеет
место на Земле, а уменьшается! Это противоречит здравому смыслу. Тем более,
что геометрическое сжатие положительно:
Согласно теореме Клеро, если Луна равновесное тело, то
.
Может быть величина аномально мала? Скорее всего -- Луна не
равновесное тело. Она остановила свое вращение уже после того, как она
получила свое гидростатическое сжатие, затем затвердела. Все эти вопросы
лежат в русле космогонии системы Земля- Луна.
В спутниковую эру гравитационный потенциал Луны был определен неоднократно. Укажем лишь результат Феррари
Как видим, снова сила тяжести к полюсу не растет, а убывает.
На карте селеноида Феррари отчетливо видно увеличение высоты поверхности уровня над шаром в сторону Земли на 400 метров и свыше 300 метров -- с обратной стороны Луны. То есть вытянутость селеноида в сторону Земли очевидна. Правда, расчеты показывают, что приливной потенциал Земли на порядок меньше! Пофантазируем немного. Мы знаем, что Луна из-за приливного действия Земли от нас отдаляется. Когда-то Луна была существенно ближе к нам, а приливной эффект много больше современного. Если бы Луна была ближе в 2,7 раза, то приливным влиянием можно было бы объяснить наблюдаемую вытянутость селеноида в сторону Земли. Но тогда следует вывод, что даже тогда вращение Луны и ее обращение вокруг Земли были синхронны!
Наблюдения за ИСЛ позволили определить гравитационное поле Луны, а по нему и региональные (покрывающие большие площади) аномалии. Определение локальных аномалий требует выполнения физических экспериментов. Как мы уже упоминали, американские астронавты выполняли гравитационные измерения с помощью специальных лунных гравиметров, но этих измерений было очень мало. Один из универсальных методов измерения -- это наблюдение за свободно падающим телом. Главная трудность для реализации метода -- обеспечение точности определения ускорения свободного падения тела.
В 1968 году, за год до высадки человека на Луну, американские ученые П.Мюллер и У.Сьегрен исследовали лучевые ускорения ИСЛ Лунар Орбитер 5 . Они обнаружили на морях, где обязаны быть отрицательные гравитационные аномалии, в действительности имеются крупные положительные аномалии, которые нельзя объяснить ничем, кроме как концентрацией тяжелых масс. Такие структуры они назвали масконами (mass concentrations). На высоте полета спутника (100 км ) гравитационные аномалии достигали 200 мГал и более. В частности, над морем Дождей гравитационная аномалия равна 250 мГал , над морем Ясности -- 220 мГал , над морем Кризисов -- 130 мГал . Были предложены различные "сценарии" образования этих аномалий. Сами Мюллер и Сьегрен считали, что положительную аномалию создает железоникелевый метеорит, который упал на Луну и остался в лунной коре. Позже господствовала такая гипотеза. На Луну падает тело астероидных размеров и образует "морскую впадину". Эта впадина создает небольшую отрицательную аномалию. Тот час лавовые излияния поднимаются вверх и заполняют трещины до полной изостатической компенсации. Кора застывает, приобретает высокую прочность и выдерживает дополнительную нагрузку без деформаций. Бассейн заполняется материалом, создается избыточная масса, которая и дает положительную гравитационную аномалию. Правда, современные данные говорят о том, что лавовые излияния возникли не сразу, а спустя 0,5 млрд. лет. Первоначально возникшая отрицательная аномалия исчезает, кора становится изостатически компенсированной. Возникшие лавовые излияния достаточно прочная кора выдерживает и вот уже 3 млрд. лет изостатически не компенсированная кора имеет положительные аномалии за счет внедрения более плотных масс из недр Луны.
Землетрясения - частый феномен, который, кроме того, является одним из самых необъяснимых и таинственных стихийных бедствий. Ученые не всегда с точностью могут заявить, что именно является их причиной, не говоря уже о своевременных прогнозах и профилактических мерах.
Гравитационное поле Луны
Нам хорошо известно, что гравитационное притяжение Луны, совместно с гравитационным полем Солнца и инерцией от вращения Земли, влияет на образование приливов и отливов. В других регионах Солнечной системы гравитационное взаимоотношение планет и спутников становится причиной сильных тектонических феноменов.
Сейсмологи давно задавались вопросом о возможном влиянии недооцененного гравитационного поля нашего собственного спутника. Конечно, приливной захват Луны не настолько силен, чтобы превращать камни на Земле в горячую лаву, однако его может вполне хватить для того, чтобы оказывать влияние на слабые места в соединениях тектонических плит.
Тектонические разломы
В земной коре существуют зоны субдукции - места, где одна часть тектонической плиты погружается в мантию и уходит под другую часть земной коры. Эти зоны субдукции являются своего рода «слабыми местами» тектонической активности, и именно вблизи от них чаще всего происходят сильные землетрясения.
Исходя из этих данных, группа ученых из Университета Токио предложила следующую гипотезу: поскольку зоны субдукции являются чаще всего глубокими разломами, возможно, гравитационной силы Луны достаточно, чтобы повлиять на расхождение тектонических плит. Даже если приливного захвата Луны может не хватить для инициации движения целой плиты, он может стать причиной небольших трещин, которые, в свою очередь, создают эффект снежного кома и приводят к сильным сотрясениям.
Лунные циклы
Чтобы подтвердить выдвинутую гипотезу, японские ученые исследовали сейсмические показания последних двадцати лет и сопоставили их с сизигиями - выравниванием Луны, Земли и Солнца по прямой линии. Если долгота Луны совпадает с долготой Солнца, на земле наблюдается новолуние, и гравитационные поля Луны и Солнца объединяются и «тянут» к себе одно из полушарий Земли. В том случае, когда долгота Луны противоположна долготе Солнца, мы наблюдаем полнолуние, и гравитационное поле спутника "тянет" к себе одно полушарие Земли, а гравитационное поле Солнца притягивает другое. В обоих случаях влияние сторонней гравитации на земную поверхность достигает максимума и может стать причиной тектонического движения.
Сопоставив данные о землетрясениях с сизигиями, ученые получили любопытные данные. Во время полнолуний случились разрушительные землетрясения в Индийском океане в 2004 году, а также одно из самых мощных землетрясений, зарегистрированных в истории, - в феврале 2010 года в Чили.
Во время новолуния совместное гравитационное поле Луны и Солнца могло бы объяснить причины Великого восточно-японского землетрясения, оказавшего разрушительное действие на регион Тохоку в марте 2011 года.
Выводы
Этого исследования недостаточно, чтобы неопровержимо доказать взаимосвязь сизигий с землетрясениями. Однако косвенные доказательства рисуют вполне убедительную картину того, как наравне с приливами и отливами Луна может время от времени притягивать к себе не только воду, но и земную твердь.
В последние десятилетия все чаще встает вопрос о возможном влиянии Луны и Солнца на тектонические процессы, происходящие на Земле и запускающие механизмы образования землетрясений. Например, знаменитый разлом Сан-Андреас стал местом образования около 80 тысяч небольших сотрясений, привязанных к лунным сизигиям.
> > Солнце и Луна
Солнце и Луна – сравнение крупной звезды и спутника Земли: размеры на фото, создание солнечного затмения, влияние на планету, состав, гравитационное поле, свет.
Солнце и Луна - это именно те два небесных тела в нашей планетарной системе, которые в наибольшей степени влияют на Землю. Давайте рассмотрим насколько похожи и в то же время отличны эти небесные тела.
Размеры Солнца и Луны
Если рассматривать абсолютные величины, то нет в двух других объектов настолько различных по своей величине. Солнце в поперечнике имеет 1,4 миллиона километров, а - 3474 км. Другими словами, Солнце в диаметре ровно в 400 раз больше спутника Земли.
Но как ни странно, так случилось, что Солнце расположилось на расстоянии ровно в 400 раз большем, чем Луна и это создаёт одно интересное совпадение. С того угла и степени отдаленности, с которых мы смотрим на эти два объекта в небе, они кажутся нам абсолютно идентичными по величине. Именно благодаря этому невероятному стечению обстоятельств мы можем наблюдать полные солнечные затмения в те моменты, когда Луна проходит по своей орбите точно между Солнцем и Землёй.
Гравитационное взаимодействие Луны и Солнца (приливы) становятся причиной того, что спутник Земли отдаляется от нашей планеты в среднем на 3,8 сантиметра каждый год. В древние времена Луна выглядела для людей гораздо больше, чем Солнце, потому что находилась ближе нынешнего своего положения. А уже в ближайшие десятилетия она будет выглядеть гораздо меньше Солнца. Поэтому то, что мы с вами можем наблюдать полные затмения, это всего лишь удачное стечение обстоятельств.
За счёт того, что Солнце больше в диаметре, то соответственно и в весе оно значительно превосходит Луну. Если говорить точно, то его масса больше в 27 миллионов раз. Его сила притяжения настолько велика, что заставляет Землю вращаться по определённой орбите вокруг Солнца и потихоньку притягивает к себе Луну.
Когда Солнце и Луна влияют своей силой притяжения на нашу планету с одной и той же стороны, их гравитация создаёт на весенние приливы. Через некоторое время эти небесные тела начинают действовать на нашу планету с противоположных сторон, и мы можем наблюдать отливы.
Свет Солнца и Луны
Солнце - единственное небесное тело в Солнечной системе, которое излучает свет. Огромные массы водорода и гелия, которые ежесекундно сгорают в пылающем ядре Солнца, являются источником света и тепла для всей нашей системы планет. Именно этот свет, попадающий на поверхность Луны и отражающийся от нее, заставляет спутник Земли светиться в ночном небе и делает его видимым для нас.
Состав Солнца и Луны
Вот здесь эти два небесных тела значительно отличаются друг от друга. Солнце по большей степени состоит из гелия и водорода. Луна же была сформирована в тот момент, когда несколько миллиардов лет назад в пределах нашей солнечной системы пролетал объект по размеру сопоставимый с планетой и на своем пути встретил Землю. Произошло большое столкновение. Небольшие обломки того происшествия объединились и образовали Луну. Поверхностные слои Луны состоят в основном из кремния, магния, железа, кальция и алюминия. Астрономы считают, что ядро спутника Земли может состоять из металла, серы и никеля, но в абсолютно расплавленном состоянии.
Используйте наши телескопы онлайн, чтобы рассмотреть небесные тела поближе в режиме реального времени. Также примените карты поверхности Солнца и Луны, если интересует вид на лунные кратеры или солнечные пятна.
МОСКВА, 5 дек — РИА Новости. Зонды-близнецы GRAIL, с весны работающие на окололунной орбите, составили первую высокоточную гравитационную карту Луны — с ее помощью ученые, в частности, подтвердили гипотезу происхождения спутника в результате удара о Землю небесного тела размером с Марс, сообщает пресс-служба НАСА.
Два идентичных зонда GRAIL (получившие по итогам конкурса среди школьников имена Эбб и Флоу) были запущены 10 сентября 2011 года. В марте аппараты вышли на рабочую орбиту высотой 55 километров и начали измерения лунной гравитации. Зонды двигаются по одинаковой орбите один за другим и с высокой точностью — до десятых долей микрона — измеряют расстояние между собой, фиксируя изменения, связанные с гравитационными аномалиями.
В результате ученые получили беспрецедентно точную карту гравитационного поля Луны, с помощью которой они рассчитывают выяснить детали внутреннего строения естественного спутника Земли, а также проверить некоторые гипотезы о рождении и эволюции Луны.
"Луна не прячет свое гравитационное поле. Если мы наблюдаем заметные изменения в грацитации, мы всегда можем связать их с топографическими особенностями местности, такими как кратеры, борозды или горы", — говорит руководитель проекта Мария Зубер (Maria Zuber) из Массачусетского технологического института.
По ее словам, на карте лунной гравитации видны следы древних ударов метеоритов, разломы, которые уходят вглубь до нижних слоев коры и, возможно, даже до мантии.
Результаты анализа гравитационной карты, опубликованные в журнале Science , показали, в частности, что лунная кора имеет значительно меньшую плотность, чем считалось ранее, и может содержать множество пустот.
"Благодаря новым данным о плотности коры, мы установили, что средняя ее толщина — примерно от 34 до 43 километров, что на 10-20 километров меньше, чем считалось раньше", — говорит один из участников проекта Марк Вечорек (Mark Wieczorek) из парижского Института физики Земли.
Он отмечает, что с учетом новых данных о толщине коры состав Луны оказывается близким к земному, что подтверждает гипотезу о формировании Луны из земного вещества, выброшенного в космос в результате столкновения нашей планеты с гигантским небесным телом размером с Марс.
Гравитационные измерения позволили обнаружить и некоторые "невидимые" геологические детали на Луне.
"Эти данные указывают на присутствие множества длинных линейных гравитационных аномалий длиной в сотни километров, крест-накрест пересекающих поверхность. Эти линейные аномалии указывают на присутствие валов, или длинных, тонких застывших фрагментов застывшей магмы в подповерхностном слое. Это, возможно, самые древние геологические образования на Луне, и изучение их расскажет нам о ее ранней истории", — говорит приглашенный участник проекта Джефф Эндрюс-Ханна (Jeff Andrews-Hanna) из Школы горнодобычи в штате Колорадо.
Ученые отмечают, что результаты, полученные во время первичной фазы работы аппаратов, только начинают публиковаться, а сейчас зонды еще работают. Второй этап миссии закончится 17 декабря, после чего аппараты будут переведены на еще более низкую орбиту, откуда можно получить еще более точные данные.
