Почему Луна всегда повёрнута к Земле одной стороной

Луна всегда обращена к Земле примерно одним и тем же полушарием не потому, что не вращается. Наоборот, она совершает полный оборот вокруг своей оси примерно за то же время, за которое обходит Землю — около 27,3 суток. Такое совпадение возникло из-за гравитационного взаимодействия Земли и Луны и называется приливным захватом.

Луна действительно вращается

Это легко проверить мысленно. Если бы Луна вообще не вращалась вокруг своей оси, то за один оборот вокруг Земли мы постепенно увидели бы все стороны её поверхности. Но этого не происходит.

Пока Луна движется по орбите, она одновременно поворачивается вокруг собственной оси. За один полный оборот вокруг Земли она успевает повернуться ровно один раз.

Представьте, что вы идёте по кругу вокруг человека и всё время смотрите ему в лицо. Чтобы сохранять такое положение, за один круг вам тоже придётся один раз повернуться вокруг собственной оси. Именно так движется Луна.

Почему её вращение совпало с движением по орбите

Так было не всегда. После образования Луна, вероятно, вращалась значительно быстрее и находилась ближе к Земле.

Гравитация нашей планеты действует на ближнюю сторону Луны немного сильнее, чем на дальнюю. Из-за этой разницы возникает небольшая приливная деформация.

Если спутник вращается быстро, такая деформация оказывается немного смещена относительно направления на Землю. Гравитация начинает создавать крутящий момент, который постепенно тормозит вращение.

Энергия вращения при этом частично превращается в тепло. За очень долгое время скорость вращения Луны уменьшалась, пока один оборот вокруг оси не стал занимать столько же времени, сколько один оборот вокруг Земли.

После этого система перешла в устойчивое состояние. Именно поэтому сегодня Луна постоянно показывает нам примерно одну сторону.

Что такое приливный захват

Такое состояние называют синхронным вращением, или приливным захватом. Оно возникает, когда период вращения спутника вокруг собственной оси становится равен периоду его обращения вокруг планеты.

Луна здесь вовсе не уникальна. Многие крупные спутники Солнечной системы тоже находятся в приливном захвате. Многие крупные спутники находятся в приливном захвате: Ио — с Юпитером, Титан — с Сатурном.

Чем сильнее гравитационное взаимодействие между планетой и спутником, тем быстрее может установиться такое состояние.

Почему мы всё-таки видим больше половины Луны

Фраза «Луна всегда показывает одну сторону» немного упрощает ситуацию. За длительное время с Земли можно увидеть примерно 59% её поверхности. Это происходит из-за небольших видимых покачиваний Луны — либраций.

Орбита спутника не идеально круглая. Когда Луна находится ближе к Земле, она движется по орбите немного быстрее, а когда дальше — медленнее. Скорость её собственного вращения при этом почти постоянна.

Из-за этой разницы мы время от времени немного заглядываем за восточный или западный край видимого диска. Есть и вертикальная либрация: ось вращения Луны слегка наклонена, поэтому иногда лучше видны области около северного или южного полюса. В результате доступная с Земли поверхность оказывается заметно больше половины.

Обратная сторона Луны не тёмная

Выражение «тёмная сторона Луны» вводит в заблуждение. Обратная сторона получает солнечный свет точно так же, как обращённая к Земле.

Во время полнолуния освещена преимущественно видимая сторона. Во время новолуния — наоборот, солнечный свет падает в основном на обратное полушарие. Поэтому правильнее говорить именно обратная сторона Луны.

Люди впервые увидели её в 1959 году, когда советская станция «Луна-3» передала первые фотографии. Сегодня это полушарие подробно картографировано. Китайская миссия «Чанъэ-6» доставила на Землю первые образцы грунта с обратной стороны Луны.

Почему обратная сторона выглядит иначе

Два полушария Луны заметно отличаются. На обращённой к Земле стороне хорошо видны большие тёмные равнины — так называемые лунные моря. Они образовались, когда древняя лава заполнила огромные ударные бассейны.

На обратной стороне таких морей значительно меньше, зато гораздо больше кратеров. Отличается и кора: на обратной стороне она в среднем толще.

Эти различия не объясняются только тем, что одно полушарие обращено к Земле. Они связаны со сложной ранней историей формирования и охлаждения Луны. Исследования внутреннего строения обратной стороны Луны продолжают уточнять, как возникла эта асимметрия.

Земля тоже испытывает влияние Луны

Приливный захват Луны уже произошёл, но гравитационное взаимодействие между двумя телами продолжается. Луна создаёт приливы на Земле.

Из-за вращения нашей планеты приливные выступы океанов немного смещены относительно направления на Луну. Это создаёт гравитационный момент, который постепенно передаёт часть энергии вращения Земли спутнику.

В результате происходят два процесса: Земля очень медленно вращается всё медленнее, а Луна постепенно удаляется.

Луна удаляется от Земли

Сегодня расстояние до Луны можно измерять с очень высокой точностью с помощью лазерных отражателей, оставленных на её поверхности. Измерения показывают, что спутник удаляется от Земли примерно на 3,8 сантиметра в год.

Это следствие всё того же приливного взаимодействия. При этом нельзя просто взять нынешнюю скорость и умножить её на миллиарды лет. В прошлом расстояние между Землёй и Луной было другим, менялись океаны, материки и эффективность приливного трения. Поэтому скорость удаления тоже изменялась.

Земные сутки постепенно становятся длиннее

Если Луна получает часть углового момента Земли, наша планета должна понемногу замедлять вращение. Так и происходит. Миллиарды лет назад земные сутки были значительно короче современных 24 часов.

Следы этого изменения сохранились в древних осадочных породах и некоторых ископаемых организмах, рост которых зависел от суточных и приливных циклов.

Процесс продолжается и сейчас, хотя реальные изменения продолжительности суток сложнее: на вращение Земли также влияют атмосфера, океаны, ледники и движение вещества внутри планеты.

Может ли Земля тоже повернуться к Луне одной стороной

Теоретически — да. Если бы система Земля — Луна существовала достаточно долго в нынешнем виде, вращение Земли продолжало бы замедляться.

В предельном состоянии Земля и Луна могли бы постоянно смотреть друг на друга одними и теми же сторонами. Такое уже существует в Солнечной системе: Плутон и его крупнейший спутник Харон взаимно приливно захвачены.

Но с Землёй этого практически не случится. Солнце значительно изменится раньше, чем система успеет прийти к такому состоянию.

Почему приливный захват важен для других планет

Та же физика действует и за пределами Солнечной системы. Особенно сильны приливные эффекты у планет, расположенных очень близко к своим звёздам.

Некоторые экзопланеты могут быть постоянно обращены к звезде одной стороной. В этом случае на одном полушарии почти постоянно день, а на другом — ночь. Это может сильно влиять на температуру, атмосферную циркуляцию, облака и потенциальные условия на поверхности.

Поэтому обычная на первый взгляд особенность Луны помогает понять поведение миров у далёких звёзд.