Мгновенное расстояние Земля-Луна , или расстояние до Луны , — это расстояние от центра Земли до центра Луны . Лунное расстояние ( LD или ), или характерное расстояние Земля-Луна , является единицей измерения в астрономии . Говоря более технически, это большая полуось геоцентрической лунной орбиты . Расстояние до Луны в среднем составляет примерно 385 000 км (239 000 миль), или 1,28 световой секунды ; это примерно в 30 раз больше диаметра Земли или в 9,5 раз больше окружности Земли . Около 389 лунных расстояний составляют астрономическую единицу АС (примерно расстояние от Земли до Солнца).
Лунное расстояние обычно используется для обозначения расстояния до объектов, сближающихся с Землей . [1] Большая полуось Луны является важной астрономической величиной; точность измерения дальности в несколько миллиметров определяет большую полуось с точностью до нескольких дециметров; это имеет значение для проверки гравитационных теорий, таких как общая теория относительности , [2] и для уточнения других астрономических величин, таких как масса , [3], радиус , [4] и вращение Земли. [5] Это измерение также полезно для характеристики лунного радиуса , а также массы и расстояния до Солнца .
Измерения расстояния до Луны с точностью до миллиметра производятся путем измерения времени, необходимого лазерному лучу для прохождения между станциями на Земле и ретрорефлекторами , расположенными на Луне. Луна удаляется от Земли по спирали со средней скоростью 3,8 см (1,5 дюйма) в год, как было обнаружено в ходе эксперимента по лунной лазерной локации . [6] [7] [8]
Из-за влияния Солнца и других возмущений Луна не движется по истинному эллипсу вокруг Земли. Тем не менее, для определения большой полуоси использовались разные методы . Эрнест Уильям Браун предоставил формулу параллакса Луны , если смотреть с противоположных сторон Земли, с использованием тригонометрических терминов. Это эквивалентно формуле обратной величины расстояния, а ее среднее значение является обратной величиной 384 399 км (238 854 миль). [9] [10] С другой стороны, среднее по времени расстояние (а не обратное среднее обратное расстояние) между центрами Земли и Луны составляет 385 000,6 км (239 228,3 миль). Можно также смоделировать орбиту как эллипс, который постоянно меняется, и в этом случае можно найти формулу для большой полуоси, опять же с использованием тригонометрических терминов. Среднее значение по этому методу составляет 383 397 км. [11]
Фактическое расстояние меняется в зависимости от орбиты Луны . Значения ближайшего приближения ( перигей ) или самого дальнего ( апогей ) встречаются тем реже, чем более экстремальными они являются. График справа показывает распределение перигея и апогея за шесть тысяч лет.
Жан Меус приводит следующие экстремальные значения для периода с 1500 г. до н.э. по 8000 г. н.э.: [12]
Мгновенное расстояние до Луны постоянно меняется. Фактическое расстояние между Луной и Землей может измениться так же быстро, как75 метров в секунду [ 20] или более 1000 км (620 миль) всего за 6 часов из-за некруглой орбиты. [21] Есть и другие эффекты, которые также влияют на расстояние до Луны. Некоторые факторы включают в себя:
Формула Шапрона и Тузе для расстояния в километрах начинается со слагаемых: [9]
где средняя аномалия (более или менее то, как Луна отошла от перигея) и средняя элонгация (более или менее насколько далеко она отошла от соединения с Солнцем в новолуние). Их можно рассчитать по
G M = 134,963 411 38° + 13,064 992 953 630°/д · t
D = 297,850 204 20° + 12,190 749 117 502°/д · t
где t — время (в днях) с 1 января 2000 г. (см. Эпоха (астрономия) ). Это показывает, что наименьший перигей приходится либо на новолуние, либо на полнолуние (около 356 870 км), как и наибольший апогей (около 40 6 079 км), тогда как наибольший перигей приходится на период полулуния (около 370–180 км), как и будет наименьший апогей (ок. 404593 км). Точные значения будут немного отличаться из-за других условий. Дважды в каждом цикле полнолуния продолжительностью около 411 дней будут минимальный перигей и максимальный апогей, разделенные двумя неделями, а также максимальный перигей и минимальный апогей, также разделенные двумя неделями.
Расстояние до Луны можно измерить с точностью до2 мм в течение 1-часового периода отбора проб [22] , что приводит к общей погрешности в дециметр для большой полуоси. Однако из-за эллиптической орбиты с различным эксцентриситетом мгновенное расстояние меняется с ежемесячной периодичностью. Кроме того, расстояние нарушается гравитационным воздействием различных астрономических тел – в первую очередь Солнца и в меньшей степени Венеры и Юпитера. Другими силами, ответственными за малейшие возмущения, являются: гравитационное притяжение к другим планетам Солнечной системы и астероидам; приливные силы; и релятивистские эффекты. [23] [24] Влияние радиационного давления Солнца вносит величину ±3,6 мм до лунного расстояния. [22]
Хотя мгновенная погрешность составляет несколько миллиметров, измеренное расстояние до Луны может измениться более чем на 30 000 км (19 000 миль) от среднего значения в течение типичного месяца. Эти возмущения хорошо изучены [25], и расстояние до Луны можно точно смоделировать на протяжении тысяч лет. [23]
Под действием приливных сил угловой момент вращения Земли медленно передается на орбиту Луны. [26] В результате скорость вращения Земли постепенно снижается (со скоростью2,4 миллисекунды/столетие ), [27] [28] [29] [30] и лунная орбита постепенно расширяется. Темп рецессии3,830 ± 0,008 см в год . [25] [28] Однако считается, что в последнее время этот показатель увеличился, поскольку темпСкорость 3,8 см/год означает, что Луне всего 1,5 миллиарда лет, тогда как научный консенсус поддерживает возраст около 4 миллиардов лет. [31] Также считается, что аномально высокие темпы рецессии могут продолжать ускоряться. [32]
Теоретически расстояние до Луны будет продолжать увеличиваться до тех пор, пока Земля и Луна не станут приливно-отливными , как и Плутон и Харон . Это произойдет, когда продолжительность лунного орбитального периода будет равна периоду вращения Земли, который оценивается в 47 земных дней. Тогда два тела будут находиться в равновесии, и никакой дальнейший обмен энергией вращения не будет. Однако модели предсказывают, что для достижения этой конфигурации потребуется 50 миллиардов лет, [33] что значительно больше, чем ожидаемое время жизни Солнечной системы .
Лазерные измерения показывают, что среднее расстояние до Луны увеличивается, а это означает, что в прошлом Луна была ближе, а земные дни были короче. Ископаемые исследования раковин моллюсков кампанской эпохи (80 миллионов лет назад) показывают, что в это время в году было 372 дня (по 23 часа 33 минуты), а это означает, что расстояние до Луны составляло около 60,05 R 🜨 (383 000 км или 238 000 км). ми). [26] Существуют геологические свидетельства того, что среднее расстояние до Луны составляло около 52 R 🜨 (332 000 км или 205 000 миль) в докембрийскую эпоху ; 2500 миллионов лет назад . [31]
Широко распространенная гипотеза гигантского удара гласит, что Луна возникла в результате катастрофического столкновения Земли с другой планетой, в результате которого произошло повторное скопление фрагментов на начальном расстоянии 3,8 R 🜨 (24 000 км или 15 000 миль). [34] Эта теория предполагает, что первоначальный удар произошел 4,5 миллиарда лет назад. [35]
До конца 1950-х годов все измерения расстояния до Луны основывались на оптических угловых измерениях: самое раннее точное измерение было выполнено Гиппархом во 2 веке до нашей эры. Космическая эра стала поворотным моментом, когда точность этого значения значительно улучшилась. В 1950-х и 1960-х годах проводились эксперименты с использованием радаров, лазеров и космических аппаратов с использованием компьютерной обработки и моделирования. [36]
Некоторые исторически значимые или интересные методы определения лунного расстояния:
Самый старый метод определения расстояния до Луны заключался в измерении угла между Луной и выбранной контрольной точкой одновременно из нескольких мест. Синхронизацию можно координировать путем проведения измерений в заранее определенное время или во время события, которое может наблюдаться всеми сторонами. До появления точных механических хронометров событием синхронизации обычно было лунное затмение или момент, когда Луна пересекала меридиан (если наблюдатели находились на одной и той же долготе). Этот метод измерения известен как лунный параллакс .
Для повышения точности измеренный угол можно отрегулировать с учетом преломления и искажения света, проходящего через атмосферу.
Ранние попытки измерить расстояние до Луны основывались на наблюдениях лунного затмения в сочетании со знанием радиуса Земли и пониманием того, что Солнце находится намного дальше Луны. Наблюдая за геометрией лунного затмения, расстояние до Луны можно рассчитать с помощью тригонометрии .
Самые ранние сообщения о попытках измерения лунного расстояния с использованием этого метода были сделаны греческим астрономом и математиком Аристархом Самосским в IV веке до нашей эры [37] , а позже Гиппархом , чьи расчеты дали результат 59–67 R 🜨 (376 000 –427 000 км или233 000 –265 000 миль ). [38] Позднее этот метод нашел применение в работах Птолемея , [39] который дал результат 64+1 ⁄ 6 Р 🜨 (409 000 км или253 000 миль ) в самой дальней точке. [40]
Экспедиция французского астронома А.С.Д. Кроммлена наблюдала прохождения лунного меридиана в одну и ту же ночь из двух разных мест. Тщательные измерения с 1905 по 1910 годы измеряли угол возвышения в момент, когда конкретный лунный кратер ( Мёстинг А ) пересекал местный меридиан, со станций в Гринвиче и на мысе Доброй Надежды . [41] Расстояние было рассчитано с погрешностью30 км , и это оставалось окончательным значением лунного расстояния на протяжении следующих полвека.
Записывая момент, когда Луна затмевает фоновую звезду (или аналогичным образом измеряя угол между Луной и фоновой звездой в заранее определенный момент), можно определить расстояние до Луны, при условии, что измерения проводятся из нескольких известных мест. разлука.
Астрономы О'Киф и Андерсон рассчитали расстояние до Луны, наблюдая четыре затмения из девяти мест в 1952 году. [42] Они рассчитали большую полуось Луны.384 407,6 ± 4,7 км (238 859,8 ± 2,9 миль). Это значение было уточнено в 1962 году Ирен Фишер , которая включила обновленные геодезические данные для получения значения384 403,7 ± 2 км (238 857,4 ± 1 миля) . [4]
Расстояние до Луны было измерено с помощью радара впервые в 1946 году в рамках проекта «Диана» . [44]
Позже, в 1957 году, в Исследовательской лаборатории ВМС США был проведен эксперимент, в котором использовалось эхо сигналов радара для определения расстояния между Землей и Луной. Радарные импульсы продолжительны2 мкс транслировались с радиоантенны диаметром 50 футов (15 м). После того как радиоволны отразились от поверхности Луны, был обнаружен обратный сигнал и измерено время задержки. По этому измерению можно было вычислить расстояние. Однако на практике отношение сигнал/шум было настолько низким, что невозможно было надежно провести точные измерения. [45]
Эксперимент был повторен в 1958 году в Королевском радарном учреждении в Англии. Радарные импульсы продолжительныПередавались сигналы длительностью 5 мкс с пиковой мощностью 2 мегаватт и частотой повторения 260 импульсов в секунду. После того как радиоволны отразились от поверхности Луны, был обнаружен обратный сигнал и измерено время задержки. Несколько сигналов складывались вместе, чтобы получить надежный сигнал путем наложения осциллограмм на фотопленку. На основе измерений расстояние было рассчитано с погрешностью 1,25 км (0,777 мили). [46]
Эти первоначальные эксперименты были задуманы как эксперименты по проверке концепции и длились всего один день. Последующие эксперименты, продолжавшиеся один месяц, позволили получить большую полуось384 402 ± 1,2 км (238 856 ± 0,75 миль), [47] что было самым точным измерением расстояния до Луны на тот момент.
Эксперимент по измерению времени прохождения туда и обратно лазерных импульсов, отраженных непосредственно от поверхности Луны, был выполнен в 1962 году группой Массачусетского технологического института и советской командой Крымской астрофизической обсерватории . [48]
Во время миссий «Аполлон» в 1969 году астронавты разместили ретроотражатели на поверхности Луны с целью повышения точности и точности этой техники. Измерения продолжаются и включают в себя несколько лазерных установок. Мгновенная точность экспериментов по лунной лазерной локации позволяет достичь небольшого миллиметрового разрешения и является наиболее надежным методом определения расстояния до Луны. Большая полуось определена равной 384 399,0 км. [10]
Благодаря современной доступности устройств точного времени, цифровых камер высокого разрешения, GPS- приемников, мощных компьютеров и практически мгновенной связи астрономы-любители получили возможность производить высокоточные измерения расстояния до Луны.
23 мая 2007 года цифровые фотографии Луны во время почти затмения Регула были сделаны из двух мест: в Греции и Англии. Путем измерения параллакса между Луной и выбранной фоновой звездой было рассчитано расстояние до Луны. [49]
Более амбициозный проект под названием «Кампания Аристарха» проводился во время лунного затмения 15 апреля 2014 года. [21] Во время этого мероприятия участникам было предложено записать серию из пяти цифровых фотографий от восхода луны до кульминации (точки наибольшей высоты). .
В этом методе использовался тот факт, что Луна на самом деле находится ближе всего к наблюдателю, когда она находится в самой высокой точке неба, по сравнению с тем, когда она находится на горизонте. Хотя кажется, что Луна самая большая, когда она находится вблизи горизонта, на самом деле все наоборот. Это явление известно как иллюзия Луны . Причина разницы в расстоянии заключается в том, что расстояние от центра Луны до центра Земли почти постоянно в течение ночи, но наблюдатель на поверхности Земли фактически находится на расстоянии 1 земного радиуса от центра Земли. Это смещение приближает их к Луне, когда она находится над головой.
Современные камеры достигли разрешения, позволяющего запечатлеть Луну с достаточной точностью, чтобы обнаружить и измерить это крошечное изменение видимого размера. Результаты этого эксперимента были рассчитаны как LD =60,51+3,91
−4,19 Р 🜨 . Принятое значение для той ночи составило 60,61 р 🜨 , что предполагало точность 3%. Преимущество этого метода заключается в том, что единственное необходимое измерительное оборудование — это современная цифровая камера (оснащенная точными часами и GPS-приемником).
Другие экспериментальные методы измерения лунного расстояния, которые могут использовать астрономы-любители, включают:
{{cite journal}}
: CS1 maint: multiple names: authors list (link)