Луна всегда повёрнута к Земле почти одной и той же стороной, потому что время её оборота вокруг собственной оси совпадает со временем одного оборота вокруг Земли. Такое состояние называют синхронным вращением, или приливным захватом. Оно возникло не случайно: земное притяжение в течение очень долгого времени тормозило первоначально более быстрое вращение Луны, пока оба периода не сравнялись.
Луна всё-таки вращается вокруг своей оси
Распространённое объяснение гласит, будто Луна просто не вращается. На самом деле без осевого вращения она не могла бы постоянно смотреть на Землю одной стороной. Если бы спутник совсем не поворачивался относительно далёких звёзд, то за один оборот по орбите земной наблюдатель постепенно увидел бы все его стороны. Почему этот спутник нельзя считать звездой, объясняет отдельный материал о природе Луны.
Это легко представить с помощью простого опыта. Нужно встать лицом к стулу и обойти его по кругу, стараясь всё время смотреть на сиденье. После четверти круга человек будет обращён уже в другом направлении комнаты, после половины круга повернётся к исходному направлению спиной, а к концу пути совершит полный оборот вокруг собственной оси. При этом к стулу всё время будет обращена одна и та же сторона его тела.
Так же движется Луна. За один оборот вокруг Земли она один раз поворачивается вокруг своей оси. Её звёздный период обращения составляет примерно 27,3 земных суток, и столько же длится осевое вращение относительно далёких звёзд. Период от одного новолуния до следующего длиннее, около 29,5 суток, потому что за это время система Земля – Луна успевает продвинуться по орбите вокруг Солнца. Для повторения прежнего освещения Луне приходится пройти дополнительный участок пути.
Как земное притяжение затормозило Луну
Земля притягивает всю Луну, но не совершенно одинаково. Ближняя к Земле часть спутника находится немного ближе и испытывает более сильное притяжение, чем дальняя. Разница сил слегка растягивает Луну вдоль направления на Землю. Сегодня эта деформация мала, а в далёком прошлом, когда молодой спутник находился ближе к нашей планете и был сильнее разогрет, она была заметнее.
После образования Луна, вероятно, вращалась быстрее, чем сейчас. Из-за её вращения приливная выпуклость не успевала точно выстраиваться по линии, соединяющей центры двух тел. Внутренние породы деформировались не мгновенно, поэтому вытянутая часть немного смещалась относительно направления на Землю.
Земное притяжение действовало на смещённую выпуклость и создавало вращающий момент, направленный против быстрого вращения Луны. При каждом цикле деформации часть механической энергии переходила во внутреннее тепло. Постепенно скорость вращения уменьшалась. Этот процесс продолжался до тех пор, пока период осевого вращения не стал равен периоду движения по орбите.
В состоянии синхронного вращения вытянутая ось Луны в среднем направлена к Земле, а прежняя постоянно перемещавшаяся деформация исчезает. Положение становится устойчивым: если ориентация немного отклоняется, земное притяжение стремится вернуть спутник к привычному направлению. Соотношение, при котором на один оборот по орбите приходится один оборот вокруг оси, называют резонансом 1:1.
Почему это называется приливным захватом
Слово «приливный» связано не только с океанами. Приливные силы возникают в любом протяжённом теле, если притяжение заметно различается на его ближней и дальней сторонах. Земная гравитация способна деформировать каменное тело Луны, хотя твёрдые породы изменяют форму намного слабее и медленнее, чем вода в океане.
Слово «захват» не означает, что Луна однажды резко остановилась или была поймана неподвижной. Это итог постепенного изменения вращения с рассеянием энергии. Луна не прекратила вращаться, а перешла в устойчивый режим, согласованный с её орбитальным движением.
Приливной захват распространён среди естественных спутников. Чем ближе спутник к планете и чем сильнее приливное воздействие, тем быстрее может установиться синхронное вращение. Конкретная скорость процесса зависит также от размеров тел, их внутреннего строения, расстояния между ними и первоначального вращения.
Видим ли мы ровно половину Луны
Выражение «одна сторона Луны» удобно, но не абсолютно точно. Её движение и положение наблюдателя позволяют время от времени немного заглядывать за разные края видимого диска. Эти кажущиеся покачивания называют либрацией.
Одна из причин либрации состоит в том, что лунная орбита не является идеальной окружностью. Скорость движения Луны по ней немного меняется: ближе к Земле спутник движется быстрее, дальше от неё – медленнее. При этом осевое вращение идёт почти равномерно. Из-за небольшого рассогласования нам поочерёдно открываются участки у восточного и западного краёв.
Есть и либрация по широте. Ось вращения Луны и плоскость её орбиты расположены так, что в разные моменты можно увидеть чуть больше северной или южной области. Дополнительное небольшое изменение вида связано с тем, что наблюдатели находятся не в центре Земли: при восходе и заходе Луны на неё смотрят с несколько разных точек пространства.
Поэтому за длительное время с Земли можно рассмотреть немного больше половины всей лунной поверхности. Однако одновременно наблюдателю доступна только одна обращённая к нему полусфера, а большая центральная область обратной стороны никогда не видна непосредственно с поверхности нашей планеты.
Обратная сторона не является тёмной
Обратную сторону Луны иногда ошибочно называют тёмной. Постоянной темноты там нет. Солнце освещает разные участки спутника по мере его вращения и движения по орбите. Во время полнолуния освещена главным образом сторона, обращённая к Земле, а во время новолуния солнечный свет падает преимущественно на обратную сторону. Источник видимого лунного света подробнее разобран в статье почему светит Луна.
Смена лунных фаз также не означает, что Луна поворачивает к нам разные полушария. Фазы показывают, какая доля знакомой нам стороны сейчас освещена Солнцем. Тёмные и светлые детали поверхности сохраняют свои места на диске, а граница дня и ночи постепенно перемещается по ним.
До начала космической эры люди не могли увидеть обратную сторону целиком. Её изображения получили космические аппараты, способные облететь Луну. Оказалось, что она заметно отличается от обращённой к Земле стороны: там гораздо меньше обширных тёмных базальтовых равнин, которые с Земли выглядят как лунные моря. Но это различие не стало причиной синхронного вращения и не связано с недостатком солнечного света.
Влияет ли Луна таким же образом на Землю
Приливное взаимодействие является взаимным. Луна создаёт приливные деформации Земли, а вращение нашей планеты увлекает их немного вперёд относительно положения спутника. Их притяжение передаёт часть вращательного момента Земли лунной орбите. В результате земные сутки очень медленно удлиняются, а Луна постепенно удаляется от Земли. Другие проявления этого взаимодействия рассмотрены в материале о влиянии Луны на Землю.
Земля пока не повёрнута к Луне одной стороной, потому что она гораздо массивнее спутника и вращается намного быстрее его орбитального движения. Изменения происходят крайне медленно. Они не нарушают уже существующий приливный захват Луны: обращённая к нам полусфера продолжает сохранять своё среднее положение.
Коротко о главном
Мы видим почти одну и ту же сторону Луны не потому, что спутник неподвижен. Луна совершает один оборот вокруг оси за то же время, за которое обходит Землю. К такому синхронному вращению привели приливные силы: земное притяжение деформировало молодую Луну, тормозило её вращение и рассеивало энергию в виде тепла. Небольшие либрации позволяют заглядывать за края привычной полусферы, а обратная сторона получает солнечный свет так же, как обращённая к Земле.
