Происхождение Луны. Это было очень давно. Так давно, что даже трудно себе представить. Чтобы определить количество прошедших лет, пришлось бы написать число с девятью нулями.

В то время Луна и Земля были единым целым. Огромный расплавленный шар совершал один оборот вокруг своей оси всего за четыре часа. Центробежная сила на экваторе и приливы, которые вызывало Солнце в этом вытянутом в его сторону шаре, вступили в резонанс с собственным колебанием шара и оторвали от него кусок, который и стал со временем Луной.

На месте этого отрыва до нашего времени сохранилась величайшая впадина на Земле, занятая сейчас Тихим океаном.

Так считал известный английский астроном Джордж Дарвин (1845–1912), сын Чарлза Дарвина (1809–1882). И, несмотря на то, что его гипотеза о происхождении Луны не является сейчас общепризнанной, наблюдения и расчеты показывают, что два миллиарда лет тому назад наш естественный спутник находился на очень близком от Земли расстоянии.

Но наша планета и Луна имеют возраст 4,5 млрд лет (об этом свидетельствует также возраст древнейших лунных пород). Если бы Земля и Луна появились вместе в тот момент, то удалились бы друг от друга существенно дальше, чем сейчас.

Что же было на протяжении первой половины периода их существования? Где была Луна? Может быть, они сформировались вместе, но раньше Луна удалялась от нашей планеты менее интенсивно, чем сейчас? А может быть, где-то обращалась вокруг Солнца на правах планеты, а потом, в силу каких-то обстоятельств, была захвачена на околоземную орбиту и стала спутником Земли?

В этих вопросах, вместе с версией Дарвина, отражены три гипотезы происхождения Луны, которые продолжительное время были достаточно популярны в науке: 1) отрыв от Земли, 2) единовременное с нашей планетой её формирование и 3) захват готового спутника.

В 1975 году появилась ещё одна, катастрофическая гипотеза, которая связывает происхождение Луны со столкновением Земли с большим космическим телом, сравнимым по массе с планетой Марс.

Кратко остановимся на этих гипотезах и проанализируем их, принимая во внимание основные физические характеристики нашего естественного спутника. Вместе с величиной и массой важнейшим параметром планеты является её средняя плотность, которая позволяет определить её химический состав. Для Луны она составляет 3,3 г/см³ (для Земли 5,5 г/см³). Лунная плотность близка к плотности земной мантии, литосферы Земли, её каменной оболочки, занимающей 70% массы планеты – от железо-никелевого ядра (половины земного радиуса) до поверхности. Что же касается Луны, то у неё очень маленькое железо-никелевое ядро, всего 2–3% по массе (рис. 2).

1) Казалось бы, если лунное вещество аналогично с веществом земной мантии, то это и есть убедительным аргументом того, что Луна в своё время оторвалась от Земли. Исходя из этого, гипотеза отрыва Луны от Земли (в шутку её называют «дочерняя») имела в своё время большую популярность и была общепринятой в начале ХХ столетия.

В пользу этой версии происхождения Луны сравнительно недавно было получено аналогичное соотношение изотопов кислорода ¹⁶О, ¹⁷О и ¹⁸О в лунных породах и породах земной мантии. Однако кроме сходности лунного вещества с веществом земной мантии имеются также и существенные их различия.

Действительно, так называемых летучих (легкоплавких) и сидерофильных элементов в лунных породах значительно меньше, чем в земных породах. К тому же, для отрыва центробежной силой и приливом куска земного шара необходим период его вращения хотя бы 2 часа, чтобы полупериод вращения попал в резонанс с периодом собственных колебаний этого шара (около часа), а масса оторванного куска, как показывают расчёты, должна была составить 10–20% массы Земли.

В действительности масса Луны в 81 раз меньше массы Земли, а масса вещества мантии в объёме Тихоокеанской впадины составила бы только малую долю массы Луны. Кроме того, возраст Тихого океана оценивается около 500 млн лет, в то время как возраст Луны и Земли – 4,5 млрд лет. Таким образом, гипотеза отрыва Луны от Земли не выдерживает строгой критики специалистов.

2) Если Луна и Земля единовременно сформировались из одного и того же кольца протопланетного облака (в шутку – «сестринская» гипотеза), то это легко объясняет идентичность кислородно-изотопного соотношения их вещества, но не согласуется с различием его по плотности и с дефицитом железа и сидерофильных и летучих элементов.

Один из авторов ударной гипотезы В. Хартман писал: «Трудно себе представить, что два небесных тела вырастают рядом из одного орбитального слоя вещества, но при этом одно из них забирает всё железо, а другое остаётся практически без него».

3) Легенды некоторых народов (например, догоны, западная Африка) повествуют о времени, когда на небе не было Луны, и о появлении нового светила. Вопреки этому, результаты компьютерного моделирования захвата Луны Землёй (в шутку – «супружеская» гипотеза) показывают, что вероятность такого захвата очень мала.

Намного вероятнее столкновение или выброс протолуны земной гравитацией за пределы земной орбиты. Низкая плотность Луны и небольшое железное ядро могли бы объясняться предположением, что она сформировалась за пределами планет земной группы (Меркурий, Венера, Земля и Марс), но в таком случае невозможно объяснить дефицит летучих элементов, которых там избыток. Трудно найти в Солнечной системе место одновременно с малым содержанием одного и другого.

4) Одной из главных задач американских космических экспедиций на Луну в 1960–70-х годах было найти доказательства в пользу той или иной из трёх выше

названных гипотез происхождения Луны. За время выполнения программы «Аполло» на Землю было доставлено 385 кг лунного вещества. Уже первые его анализы обнаружили существенные несогласия полученных результатов со всеми тремя гипотезами.

Большинство специалистов считает, что имеющиеся в настоящий момент факты свидетельствуют в пользу гипотезы, которой ещё не было до полёта космических кораблей на Луну, – гипотезы катастрофического столкновения. Для объяснения дефицита железа на Луне пришлось сделать допущение, что в момент столкновения (4,5 млрд лет назад) в недрах обоих тел уже произошла гравитационная дифференциация вещества, когда тяжелые химические элементы опустились вниз и образовали ядро, а более лёгкие всплыли на поверхность и образовали мантию, кору, гидросферу и атмосферу.

Геологического обоснования это допущение не имеет, но, тем не менее, катастрофическая гипотеза происхождения Луны считается сейчас наиболее приемлемой.

Эволюция системы Земля-Луна. Рассмотрим теперь, как сосуществовали Земля и Луна, с тех пор, как судьба свела их вместе. Главной движущей силой их взаимодействия было и остаётся приливное трение. Приливная сила на Земле представляет собой равнодействующую двух сил: притяжения Луны или Солнца и центробежной силы вращения Земли вокруг общего центра Земля-Луна (он называется барицентр системы и расположен в мантии Земли на глубине 1700 км) или Земля-Солнце (рис. 3).

В центре Земли эти силы уравновешивают друг друга, но в точке А преобладает притяжение, а в точке В – центробежная сила. Это и есть точки максимального прилива на поверхности планеты.

Вследствие суточного вращения Земли в местах приливных выступов А и В два раза в сутки побывает одна и та же точка земной поверхности. Жителям побережий и островов хорошо известны приливы, когда дважды в сутки вода поднимается и опускается. В отдельных местах вследствие стечения обстоятельств (направление течения, узкие заливы и устья рек) высота морского прилива достигает 10 м, а, например, в устье реки Севрн или в бухте Фанди (Англия) достигает 16 м.

Но приливы наблюдаются не только в океане. Твердая Земля, притягиваемая Луной и Солнцем, ведёт себя подобно пружине, деформируется, т. е. твёрдое тело Земли тоже испытывает прилив. Эти явления называются земными приливами. Наибольшая высота земного прилива на экваторе – 55 см, а на широте Киева – около 40 см. Именно на такую высоту мы два раза в сутки поднимаемся и опускаемся, медленно и непрерывно, 6 часов подъём, 6 часов опускание.

Поскольку не имеется неподвижного репера, относительно которого можно было бы наблюдать такие движения, многим это явление остаётся неизвестным. Но высокоточные приборы (гравиметры, наклономеры) уверенно регистрируют земные приливы. При этом точка наблюдений удаляется от центра Земли всего на одну десятимиллионную часть земного радиуса (радиус Земли ≈ 6400 км).

Гравиметры регистрируют это движение, как уменьшение силы тяжести, ведь сила тяжести уменьшается с увеличением расстояния от центра Земли.

Во время приливов, как в океане, так и в земной тверди, вследствие вязкости вещества, трения воды по дну и берегам водоёмов, часть энергии вращательного движения Земли рассеивается в виде тепла. От трения приливные выступы А и В не успевают быстро опадать и выносятся Землёй вперёд по ходу её вращения (рис. 3). Притяжение Луной выступа А (большее, чем выступа В) тормозит суточное вращение Земли, а притяжение выступом А Луны (большее, чем выступом В) раскручивает наш естественный спутник на орбите.

Вследствие первого эффекта Земля замедляет своё вращение вокруг оси, а вследствие второго – Луна удаляется от Земли. Правда, цифры, которые описывают увеличение суток и удлинение радиуса Лунной орбиты чрезвычайно малы: сутки увеличиваются на 0,002 с за 100 лет, а Луна удаляется от Земли на 3 см/год. Лазерные определения расстояния до Луны, выполненные в 1969–2001 годах с помощью установленных на Луне уголковых отражателей дают для увеличения радиуса лунной орбиты значение 3,81 ± 0,07 см/год.

Эти, казалось бы, незначительные величины, в космологическом масштабе времени вызывают существенные изменения. К тому же, когда Луна была ближе к нашей планете, их взаимодействие было более интенсивным: сутки на Земле увеличивались существеннее, а наш естественный спутник удалялся быстрее (рис. 4).

Это подтверждается не только результатами астрономических наблюдений. Имеются также палеонтологические, ископаемые данные о том, что сутки на Земле ранее были короче.

Некоторые кораллы и моллюски, а также водоросли в процессе роста образуют не только годовые кольца, как это имеет место в случае с деревьями, но и суточные. По этим данным можно посчитать количество суток на протяжении года. Современные организмы дают 365 суточных колец в одном годовом, а ископаемые – больше.

Так, организмы, жившие в Девонском периоде Палеозойской эры (400 млн лет назад, когда только появились первые позвоночные – рыбы), накопляли за год 400 суточных наслоений, а жившие в Протерозое (670 млн лет назад) – 435.

Астрономам неизвестны причины, которые на протяжении всей истории Земли смогли бы заметно повлиять на протяжённость года – периода обращения Земли вокруг Солнца. Таким образом, год в течение этого большого промежутка времени заметно не менялся, менялась только протяжённость суток.

Легко посчитать по данным этих наблюдений, что в Девоне сутки продолжались 22 современных часа, а 670 млн лет назад (Протерозойская эра) равнялись всего 20 нынешним часам. Раньше сутки были ещё короче, но палеонтологических свидетельств этого на данное время не имеется.

Согласно расчетам специалистов-астрономов, изучающих происхождение планет и прошлое Солнечной системы, начальный период вращения Земли вокруг оси (сутки) составлял 10 часов. Близки к этому значению сутки на планетах-гигантах Юпитере и Сатурне, огромная инерция которых и многочисленные спутники, которые действуют несогласованно, способствовали сохранению их первичного суточного вращения. Уран и Нептун немного замедлили своё осевое вращение: сутки на Уране продолжаются около 17 часов, а на Нептуне – около 16.

Каково же будущее Земли? Если сутки и дальше будут возрастать, то до какого предела? И какова их конечная продолжительность? Нынешние научные данные позволяют дать ответ на эти вопросы.

Земля будет замедлять своё вращение до тех пор, пока сутки не уравняются с периодом обращения Луны вокруг нашей планеты. Их общий период вращения будет тогда составлять 47 нынешних суток. Земля и Луна будут вращаться обращенные друг к другу приливными выступами, одной и той же стороной, как бы связанные между собой перемычкой, подобно гантели.

Кстати, Луна раньше вращалась вокруг оси намного быстрее, и тогда можно было любоваться не только одной стороной нашего спутника. Однако приливы, которые вызывает на Луне земное тяготение, существенно больше тех, которые вызывает Луна на Земле, поскольку масса нашей планеты в 81 раз больше, а сила тяжести на поверхности нашего спутника меньше в 6 раз.

Лунные приливы уже давно затормозили вращение Луны, и приливной выступ её теперь всегда направлен в сторону Земли. Такое вращение спутника вокруг центральной планеты и вокруг своей оси, когда одна сторона спутника всё время обращена к планете, а период вращения вокруг центрального тела и вокруг оси совпадают, называется синхронным.

Удивительно в связи с этим предвидение известного немецкого философа Иммануила Канта (1724–1804) в то время, когда никаких научных данных по этому вопросу ещё не было.

В своей работе «Общая история и теория неба» в 1754 г. он писал: «Если Земля неуклонно приближается к моменту приостановки своего вращательного движения, то период, в течение которого происходит это изменение, будет завершён тогда, когда поверхность Земли окажется в состоянии покоя по отношению к Луне, т. е. когда Земля начнёт вращаться вокруг своей оси в то самое время, в которое Луна делает оборот вокруг Земли, следовательно, когда Земля будет всегда обращена к Луне одной и той же стороной. Причина этого её состояния – движение жидкого вещества, покрывающего часть её поверхности лишь на весьма незначительную глубину. Это сразу показывает нам причину, почему Луна в своём вращении вокруг Земли всегда обращена к ней одной и той же стороной».

Любопытно, что высота приливного выступа на Луне сейчас равняется 2 км. Это в 100 раз больше, чем прилив, который вызвала бы наша планета на нынешнем её расстоянии от Луны. Очевидно, в то время, когда образовался такой величины прилив, наш естественный спутник был существенно ближе к Земле. Для такого громадного прилива потребовалось бы расстояние не 380 тысяч км, как сейчас, а в 5 раз меньше.

Луна имела тогда расплавленные недра, которые, охлаждаясь, затвердели и сохранили в её теле этот огромный приливный выступ, как память о той давно минувшей эпохе. Это свидетельствует также о том, что Луна начала вращаться синхронно с обращением вокруг Земли уже тогда, когда расстояние между ними равнялось всего 75 тысяч км. Это произошло менее двух миллиардов лет назад.

Обратимся теперь к Земле. Как упоминалось, продолжительность суток и месяца в отдалённом будущем уравняются между собой и будут составлять 47 нынешних суток. Чтобы процесс этот завершился, понадобится много времени – около 50 млрд лет. Напомним, что возраст Земли и планет – около 4,5 млрд лет.

На этом бы и стабилизировался процесс совместного вращения Земли и Луны, если бы не Солнце. Дело в том, сто солнечные приливы тоже замедляют суточное вращение Земли. Хотя они в два раза меньше, чем лунные, зато не изменяются во времени.

И если тормозное воздействие Луны на суточное вращение Земли прекратится в момент, когда сутки и месяц сравняются, то влияние Солнца на этот процесс будет продолжаться. В результате сутки на Земле будут и дальше увеличиваться, и в итоге наша планета будет вращаться вокруг своей оси медленнее, чем Луна вокруг неё.

В этой ситуации вызванные Луной на Земле приливы будут воздействовать на её вращение в направлении противоположном к ранее рассмотренному случаю, т. е. Земля будет ускоряться в своём вращении, а Луна – тормозиться на орбите. Пойдёт обратный процесс: сутки начнут уменьшаться, а Луна – приближаться к Земле, и продолжаться это будет до тех пор, пока Луна не приблизится к так называемому пределу Роша.

Для спутника с нулевой прочностью (жидкость, отдельные фрагменты твёрдого тела) этот предел составляет приблизительно 1,5 радиуса от поверхности центральной планеты. Здесь центробежная сила обращения Луны и притяжение планеты, действующие в противоположных направлениях (их равнодействующая – приливная сила), будут преобладать над силой тяжести на поверхности спутника и разорвут его на части. Вокруг Земли образуется кольцо из многих небольших спутников.

Такие примеры известны в нашей Солнечной системе: все планеты-гиганты Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун имеют кольца вблизи поверхности, хотя происхождение этих колец не обязательно связано с приливами. Очевидно, вблизи предела Роша спутники этих планет не смогли сформироваться.

В системе Земля-Луна связанные с приливами процессы проходят чрезвычайно медленно. Уже упоминалось: для того, чтобы сутки на Земле уравнялись с продолжительностью месяца, необходимо около 50 млрд лет. А чтобы Луна вернулась обратно к Земле, нужно время слишком большое даже в космологическом масштабе.

В Солнечной системе имеется много примеров эффективного действия приливов на вращательное движение небесных тел. Планеты Меркурий и Венера существенно затормозились в результате воздействия на них солнечных приливов, и сутки на них (период обращения вокруг оси) продолжаются 58,6 и 243 земных суток соответственно.

Синхронному вращению следуют небольшие спутники Марса Фобос и Деймос. На ближайшем к Юпитеру большом спутнике Ио высота прилива, застывшего при синхронном вращении, составляет 3 км. Только в результате движения спутника по вытянутой (эксцентричной) орбите эта высота изменяется на 84 метра. При этом вследствие деформации тела спутника выделяется в 10 раз больше тепла, чем на Луне от распада радиоактивных веществ. В результате на Ио действуют вулканы, более мощные, чем на Земле (рис. 5).

Большие спутники Юпитера, Сатурна и Урана, наибольший спутник Нептуна Тритон вращаются синхронно. Плутон и Харон – яркий пример приливного захвата. В этой системе не только Харон обращается синхронно, но и Плутон обращён к Харону всё время одной стороной, они вращаются с периодом 6,4 суток, будто связаны между собой перемычкой.

В итоге подчеркнём, что приливное трение является важным фактором эволюции космических систем, причём не только планет и спутников, но также кратных звездных скоплений и даже галактик.

Словарик
Атмосфера (от греч. ατμος – пар и σφαϊρα – шар) – воздушная оболочка Земли.
Гидросфера (от греч. υδωρ – вода и σφαϊρα – шар) – водная оболочка Земли.
Гравиметр (от лат. gravis – тяжёлый и греч. μετρεω – измерять) – прибор для измерения величины силы тяжести.
Девон (от названия английского графства Девоншир) – четвёртый период Палеозойской эры от 419 до 359 млн лет назад.
Дифференциация (от лат. differentia – разница) – деление целого на качественно различные части.
Космологический (от греч. κοσμοζ – космос, вселенная) – всё, что относится к Вселенной.
Кульминация (от лат. culmen – вершина) – здесь максимальная высота светила.
Литосфера (от греч. λιτος – камень и σφαϊρα – шар) – каменная оболочка Земли.
Мантия (от греч. μαντιον – покров) – каменная оболочка Земли от ядра до земной коры.
Палеозой (от греч. παλαιος – древний ςωη – жизнь) – третья геологическая эра в истории Земли от 541 до 251 млн лет назад.
Палеонтология (от греч. παλαιος – древний,·οντος – суть и λογος – учение) – наука об ископаемых остатках живых организмов.
Протерозой (от греч. προτερος – предыдущий) – вторая геологическая эра в истории Земли от 2500 до 541 млн лет назад.
Протопланетный, протосолнечный (от греч. πρωτος – первый) – первичная туманность, из которой в своё время сформировались Солнце и планеты.
Сидерофилы (от греч. σίδηρος – железо и φίλεω – люблю) – соседние с железом в таблице Менделеева химические элементы.
Синхронный (от греч. συγχρονο – одновременно) – совпадение по периоду колебаний двух и более процессов.
Тектоника (от греч. τεκτονικη – строительное дело) – наука о структуре и движениях земной коры и расположенных под ней масс (литосферных плит).

И.А. Дычко, кандидат физико-математических наук, г. Полтава