Суперлуния - это и суперлуние, и обычное дело, но это лишь крошечная часть великолепного путешествия нашего ближайшего соседа.
“О, не клянись луной, непостоянной луной, Эта ежемесячная перемена в ее обведенной сфере, Чтобы твоя любовь не оказалась столь же изменчивой. - Ромео и Джульетта, Акт 2, Сцена 2
Действительно переменная.
Не знаю, как вы, но какое-то время я думал, что воспринимал Луну как должное. Это была просто вещь в небе, которая не была Солнцем. Я замечал, что время от времени оно менялось, но никогда не задумывался о том, как и почему, кроме как просто отметить, что иногда оно выглядело ярче или больше. Или иногда казалось, что отсутствует. Конечно, я по-прежнему любил смотреть на нее и размышлять о том, что еще там, но я смотрел мимо Луны, не задерживаясь на ней.
Неудивительно, что непостоянная луна - продукт физики. Это результат гравитации, орбитальной прецессии, выравнивания и эксцентриситета.
Иоганн Кеплер первым понял, что все орбиты на самом деле являются эллипсами; нет такой вещи, как идеальный круг в пространстве. Вместо этого все орбиты имеют два центра или фокуса, которые могут быть близко друг к другу или далеко друг от друга. Чем ближе они друг к другу, тем более круговая орбита. Чем дальше друг от друга, тем более эллиптическим или эксцентричным. Мы определяем орбиты по их эксцентриситету или отклонению от окружности, присваивая им значение от 0 до 1, где 0 - окружность, а 1 - параболическая орбита убегания. Для справки в нашей Солнечной системе орбита Земли имеет эксцентриситет 0,0167, при этом Солнце находится в одном фокусе, а другие фокусы находятся на расстоянии примерно трех солнечных диаметров.
Это близко по астрономическим меркам! Ближе к другому концу спектра находится Плутон (e=0,25), эксцентрическая орбита которого перемещает его по орбите Нептуна и обратно в течение года..
Эллипсы, конечно же, подразумевают, что иногда объекты на орбите находятся ближе друг к другу, а иногда - дальше друг от друга. Технические термины для этих времен - перицентр и апоцентр соответственно. Однако, поскольку мы собираемся сосредоточиться на системе Земля-Луна, вместо этого я буду использовать термины перигей и апогей, поскольку суффикс «gee» обозначает Землю. Орбита Луны имеет эксцентриситет 0,0549. Не слишком эксцентрично, но достаточно, чтобы породить любимый новый термин СМИ: Supermoon.
Supermoons являются новыми только по названию; Луна такая же, как и прежде. Этот термин относится к полнолунию в перигее или около него, потому что в это время Луна на самом деле больше и ярче.
По сравнению с полнолунием в апогее или около него, суперлуние может быть примерно на 15% больше и примерно на 30% ярче!
Тем не менее, хотя эти статистические данные впечатляют, полнолуние в перигее никогда не следует непосредственно за полнолунием в апогее или наоборот, поэтому у вас никогда не будет возможности провести прямое сравнение, как показано выше.. И множество полнолуний происходит не рядом с перигеем или апогеем, а где-то посередине. На самом деле Луна претерпевает ряд постепенных изменений изо дня в день, из месяца в месяц и из года в год, которые время от времени приводят к чему-то сверхъестественному.
Давайте начнем с того, как Луна меняет свою «круговую орбиту» на временной шкале дней. Наиболее очевидный способ изменения Луны - в фазе (я предполагаю, что это значение оригинальной ссылки Шекспира). Однако это не единственное, что происходит. Лунные фазы - это своего рода отвлекающий маневр; меняется и положение Луны на небе. И это еще не все.
Месяцы в нашем календаре на самом деле основаны на орбите Луны, но не все лунные месяцы одинаковы. Существуют звездные месяцы, синодические месяцы, тропические месяцы, аномальные месяцы и драконьи месяцы, ни один из которых не равен месяцам, которые мы узнаём в раннем детстве. (А вы думали, что выучить стишок «Тридцать дней в сентябре…» сложно!) Каждый тип месяца отражает время, которое требуется Луне, чтобы завершить своего рода цикл: по фазе, фоновым звездам, определенным точкам на ее орбите., и т. д.
Лунный месяц, с которым знакомо большинство людей, - это синодический месяц: время, необходимое Луне для перехода от полнолуния к новолунию и обратно к полнолунию. Его также легче всего наблюдать, вам даже не нужно быть физиком или астрономом, чтобы это увидеть! Если вы достаточно часто наблюдали за фазами Луны, вы, вероятно, заметили, что время от времени в некоторых месяцах бывает две одинаковых фазы: наиболее заметно два полнолуния, второе из которых часто называют голубой Луной. Это связано с тем, что синодический месяц короче среднего месяца, примерно на 29,5 дня.
Картину усложняет тот факт, что орбита Луны прецессирует. Это означает, что перигей (или апогей) не возникает в одном и том же месте в пространстве при каждом обороте Луны вокруг Земли. Аномалистический месяц определяется как время, за которое Луна возвращается в одно из этих крайних положений, от перигея к перигею или от апогея к апогею. Аномалистический месяц на самом деле короче синодического месяца примерно на два дня, потому что, когда Земля движется вокруг Солнца, Луна должна двигаться; немного дальше, чтобы достичь правильной геометрии с Землей и Солнцем, чтобы получить одинаковую степень освещения (или фазу). Вот почему нет фиксированной корреляции между фазой Луны и ее положением на орбите.
Однако раз в 8,85 года орбита Луны проходит один полный цикл этой прецессии, и процесс начинается сначала.
Как будто всего этого было недостаточно, плоскость орбиты Луны наклонена по отношению к плоскости Солнечной системы (то, что мы называем эклиптикой) примерно на 5,15 градуса. Это означает, что Луна движется выше или ниже по небу более чем на 10 градусов в течение года.
И вдобавок ко всему, Луна имеет наименьший наклон оси вращения (всего около 1,5 градуса), но достаточный, чтобы внести свой вклад в интересную динамику, известную как лунная либрация.
Лунная либрация - это воспринимаемое колебательное движение Луны, наблюдаемое с Земли. Комбинация способов изменения орбиты Луны (описанных выше) вместе с тем, как мы движемся здесь, на Земле, создают этот захватывающий эффект. Чтобы в полной мере оценить лунную либрацию, вспомните, что Луна на самом деле приливно привязана к Земле. Это означает, что поскольку Луна вращается вокруг своей оси по своей орбите вокруг Земли, то Луна всегда обращена к нам одной и той же стороной, т.е.д., есть ближняя сторона и дальняя сторона. Казалось бы, это означает, что мы могли видеть только 50% поверхности Луны с Земли. Войдите в лунную либрацию.
Как видно из этой анимации, Луна наклоняется и крутится повсюду. То, что происходит, тройственно. Во-первых, эксцентриситет лунной орбиты приводит к широтной либрации, колебанию из стороны в сторону. Во-вторых, продольная либрация, колебание сверху вниз, является результатом комбинации осевого и орбитального наклонов Луны. Наконец, наше ежедневное движение по поверхности Земли (суточная либрация), вращение во время восхода и захода Луны, позволяет нам, по существу, огибать край Луны сначала с одной, а затем с другой стороны. Все три из этих либраций в сумме дают нам возможность видеть дополнительные 9% поверхности Луны!
Вы, наверное, также заметили, что Луна также росла и уменьшалась в анимации. Это среднемесячное изменение, которое постоянно отображается при движении от перигея к апогею и обратно. Гипнотический.
Конечно, мы уже рассмотрели все факторы, влияющие на нашу непостоянную луну, верно? Неправильный!
Есть еще один результат наклона орбиты Луны: Луна входит и выходит из плоскости Солнечной системы «ежемесячно». Эти пересечения имеют большое значение, поскольку это единственное время, когда могут происходить затмения. Каждый синодический месяц Луна проходит между Солнцем и Землей. Точно так же каждый синодический месяц Земля проходит между Солнцем и Луной. И все же у нас не бывает солнечного затмения или лунного затмения каждый месяц. Почему? Потому что пересечения и выравнивания должны совпадать. Когда они это сделают, Луна будет напрямую блокировать Солнце от Земли, или Земля будет напрямую отбрасывать свою тень на Луну. Для этого есть даже слово: сизигия.
Сизигии в системе Земля-Солнце-Луна происходят два раза в год, что, по-видимому, означает, что в году должно быть два затмения. Но даже лучше, благодаря тому, что Земля и Луна не точки, а сфероидальные объекты значительных размеров. На самом деле есть сезоны затмений - два в год - каждый продолжительностью ~34 дня, в течение которых происходит от двух до трех затмений: солнечных и лунных, полных и частных. Это до шести затмений в год! На самом деле сизигия не обязательно должна быть точной, чтобы эффект был виден для нас. Существует небольшой диапазон углов до и после пересечения Луной эклиптики, в пределах которого Луна по-прежнему будет блокировать солнечный свет, если смотреть с Земли, и/или Земля по-прежнему будет отбрасывать тень на Луну.
Следующий сезон затмений начнется в следующем месяце и начнется с полного лунного затмения рано утром 8 октября (восточноевропейское время). Это также будет еще один из новых любимых терминов СМИ: кровавая луна.
Кровавые луны тоже новы только по названию. Кто-то решил, что полное лунное затмение недостаточно захватывающее, и решил дать ему сенсационное, устрашающее название. Тем не менее, явление довольно сенсационное. Обычно вы ожидаете, что тень будет черной; одно тело оказывается между источником света и поверхностью, и свет блокируется. Именно это здесь и происходит: Земля проходит перед Солнцем и отбрасывает тень на Луну. Однако Земля не полностью непрозрачна; наша разреженная атмосфера пропускает свет, и в этом вся разница. Когда солнечный свет проходит через большую часть нашей атмосферы, а не через меньшую (представьте, что она находится вблизи горизонта, а не высоко над головой), она краснеет, создавая красочные восходы и закаты, которые мы так любим в Instagram.
Это снова связано с физикой, физикой оптики, в которой свет, переходя из одной среды в другую, изгибается по-разному для разных цветов (или длин волн).
Таким образом, синие длины волн рассеиваются, так как они больше изгибаются, в то время как красные длины волн преобладают, чем длиннее путь, который свет проходит через атмосферу. Во время лунного затмения солнечный свет не только входит в атмосферу Земли, но и выходит из нее, и часть этого исходящего света попадает на Луну! Красные длины волн солнечного света, изогнутые в нужной степени, могут освещать поверхность Луны и превращать ее из черной в красную. Как изящно выразился Фил Плейт: если бы вы были на Луне во время полного лунного затмения, вы бы увидели все восходы и закаты на Земле сразу. Это определенно удивительная мысль. И, по моему скромному мнению, гораздо красивее, чем ужас, звучащий как «кровавая луна».
Все это не означает, что суперлуния и кровавые луны не заслуживают внимания. Ясно, что они! На мой взгляд, все, что заставляет людей смотреть вверх и думать о нашем месте во Вселенной, - это хорошо. Так что я полностью за шумиху, если это то, что нужно. Как говорит Дэвид Дикенсон из Universe Today: «Приходите ради шумихи, а оставайтесь ради науки».
Моя цель в объяснении этих лунных явлений состоит не в том, чтобы опровергнуть шумиху, а в том, чтобы углубить ваше понимание и понимание нашего небесного спутника. Я вижу Луну как прекрасный пример того, насколько удивительно динамичной на самом деле является наша Вселенная, что-то, что мы часто не можем понять, поскольку большинство вещей, которые меняются, происходят в таких драматически длительных (осмелюсь сказать, астрономических) временных масштабах, что они часто незаметны для нас.
Итак, в следующий раз, когда вы будете смотреть на Луну, может быть, даже сегодня вечером, я надеюсь, что вы помните всю захватывающую физику, которая заставляет ее двигаться по своей орбите.
Этот пост был написан Саммером Эшем, директором по связям с общественностью Колумбийского университета астрономии и штатным астрофизиком шоу Рэйчел Мэддоу. Подпишитесь на нее в Твиттере под именем @Summer_Ash.
Оставляйте свои комментарии на форуме Starts With a Bang в Scienceblogs!