Восходы и заходы Земли для наблюдателя с Луны

Как выглядит Земля, если наблюдать её с поверхности Луны.

На небе наблюдателя, находящегося в центре обращенной к Земле стороне Луны, Земля не стоит неподвижно в зените, а в течение месяца описывает небольшой эллипс (большая ось 15 градусов, малая – 13).

Чем дальше наблюдатель находится от центра видимого с Земли лунного диска, тем ниже по отношению к  его горизонту располагается эллипс, по которому происходит видимое движение Земли.  Расстояние от центра диска до пункта наблюдения, на котором этот эллипс касается горизонта лунного наблюдателя, является пограничным: на меньшем расстоянии Земля всегда видна на небе, а на большем, в определенной полосе на поверхности Луны, можо наблюдать восходы и заходы Земли. Эта полоса окаймляет весь лунный диск, ширина ее изменяется от экватора к полюсам. Еще дальше от центра  видимого диска, за этой полосой, Земля с Луны  вообще никогда не бывает видна.

Фото Земли с поверхности Луны, сделанное в декабре 1968 года астронавтами миссии «Аполлон-8»

Проследим, как происходит восход и заход Земли над горизонтом наблюдателей, находящихся на экваторе Луны в пунктах, в которых эллипс касается горизонта. С точкой касания совпадают еще две точки: восхода и захода Земли. На экваторе таких пунктов наблюдения два: вблизи левого (Л) и правого (Пр) краев видимой стороны Луны. Они интересны тем, что  в них Земля при восходе  поднимается на наибольшую высоту по сравнению с высотой подъема над любыми пунктами наблюдений на Луне. В пунктах Л  и Пр  восход Земли длится две земных недели и заход две недели.

На экваторе Луны основную роль играет  либрация по долготе (“покачивание” объекта наблюдения, чаще всего мнимое, видимое для стороннего наблюдателя из-за движения и самого наблюдателя и объекта наблюдения).

Либрация по долготе (см. рис. 1) происходит потому, что орбита Луны – не окружность, а эллипс.  Поэтому , когда Луна находится в точке орбиты А, с Земли можно увидеть, как за левым краем Луны закрыт участок  в 15  градусов по долготе (Л), а на другой части орбиты, в точке В, открыт. За правым краем видимой стороны Луны  (Пр) происходит то же самое, но в противофазе. Поэтому с Земли создается впечатление, что Луна покачивается.  Заметить это с Земли можно только при регулярных наблюдениях Луны, так как явление протекает очень медленно, и  сам поворот Луны – небольшой.

Наблюдатель, находящийся в открывающейся и закрывающейся полосе Луны, тоже видит Землю,  ему тоже представляется, что Земля  покачивается –   восходит и заходит.

Если бы либрация по долготе была единственной либрацией, то видимое движение Земли на набе Луны происходило бы по прямой,  для наблюдателя на экваторе Луны вверх – вниз.  Но одновременно действует либрация по широте. Поэтому эта прямая разделяется на дугу восхода и дугу захода.  Размер большой оси эллипса определяется либрацией по долготе, а малая ось этого эллипса – результат либрации Луны по широте.

Сопоставление восходов и заходов Земли с наступлением дня и ночи на Луне и с фазами Земли позволяет более наглядно представить, что мог бы увидеть лунный наблюдатель. Еще нужно напомнить, что диск Земли на лунном небе в 14 раз больше, чем на нашем небе диск Луны, и что за то время, что Земля описывает эллипс на небе Луны, она 27 раз оборачивается вокруг собственной оси.

В точке А лунной орбиты  наблюдатель, расположенный на Луне в пункте  Л,  видит, что  восход Земли начинается во второй половине ночи (сутки на Луне примерно равны земному месяцу). Земля поднимается очень медленно,  при этом вид ее  изменяется.  Из-за горизонта она появляется в виде  немного  убавившейся половинки выпуклостью вверх.  Наступает утро. Постепенно «худея», Земля превращается в стареющий голубой серпик  с длинными оранжевами ножками, напоминающий арку.  Серпик становится все тоньше,  а рожки все длиннее. В полдень  на лунном черном небе Земля  выглядит  темным диском  в  красно-оранжевом ореоле. Это фаза – новоземлие.  После полудня Земля  все еще продолжает восходить и превращается в  молодой серпик в виде лодочки, а рожки над ним почти смыкаются.  При приближении к точке В лунной орбиты серп вырастает и становится почти половиной  диска Земли, Земля достигает наивысшего положения, кульминации, поднявшись над горизонтом на высоту … не выше 16 градусов.

На Луне – вечер. Над пунктом Л  начинается такой же медленный заход Земли.  Ее освещенная часть увеличивается до полного диска (полноземлие). На Луне наступает ночь. Горы, долины и равнины освещаются призрачным голубовато-зеленоватым светом полной Земли. Она светит более, чем в 60 раз ярче, чем у нас Луна. Земля  все еще продолжает заходить, ее освещенная часть все уменьшается. Когда Луна прийдет в точку А своей орбиты  и станет чуть меньше убывающей половинки, Земля достигнет горизонта в пункте наблюдения Л. Заход окончен, следующие лунные сутки – новый восход и заход.

На правом краю лунного диска в пункте наблюдения Пр восход Земли начинается вечером в точке В лунной орбиты, в то же  самое время, когда в пункте Л начинается заход. В лунную полночь во время полноземлия в пункте Пр Земля продолжает подниматься. На Луне наступает утро. Освещенная часть Земли уменьшается. Когда она станет немного меньше убывающуей половинки, наступит ее кульминация над пунктом Пр также на высоте  примерно 16- и градусов над горизонтом. Это произойдет в точке А лунной орбиты.  И сразу же начнется двухнедельный заход Земли, именно в то же время, когда над пунктом Л Земля  начинает свой  восход. Лунное утро, день и часть вечера Земля спускается над пунктом  Пр, достигает касания с горизонтом  в точке В лунной орбиты и начинает новый восход.

На рис. 2 показан  эллипс видимого движения Земли в пунктах наблюдений, расположенных на экваторе Луны в полосе восходов и заходов Земли.  Видно, что  с удалением от  центра диска все большая часть эллипса опускается под горизонт, а меньшая его часть  остается над горизонтом наблюдателя (Л, Л1, Л2, Л3, Л4, Пр, Пр1, Пр2, Пр3,Пр4).  В точках пересечения эллипса с горизонтом один раз в лунные сутки происходят восходы и заходы Земли. В пунктах Л4 и Пр4 эллипс полностью уходит под горизонт.

От пункта наблюдения Л до пункта Л4 и от пункта Пр до Пр 4  кульминации Земли над горизонтом все ниже, восходы происходят все позже, а заходы все раньше, значит, уменьшается время видимости Земли над горизонтом лунного наблюдателя. При этом расстояние между точками восхода  и захода  с удалением наблюдателя от центра диска сначала увеличивается от нуля в пункте Л  до 13 градусов в пункте Л2, а затем снова уменьшается до нуля в пункте Л4, аналогично в правой стороне Луны. Восход и заход происходят в одной и той же стороне горизонта – в направлении на центр видимого диска Луны.

На рис. 3  видно,что на всех широтах Луны оси эллипса, по которому происходит видимое на небе Луны движение Земли, наклонены к горизонту тем больше, чем больше широта места наблюдения. На полюсах эллипс «лежит». На средних широтах  касается горизонта или пересекается с ним в наклонном положении, поэтому дуги восхода  и захода несимметричны. В любом направлении с удалением от центра диска все меньшая дуга эллипса остается над горизонтом, и время видимости Земли уменьшается. На всех лунных широтах картина восхода и захода Земли разворачивается в стороне горизонта, направленной к центру видимой стороны Луны.

С удалением от экватора положение земных серпиков (и других фаз)  по отношению к горизонту наблюдателя изменяется от горизонтального до вертикального. Ведь выпуклая сторона освещенной части Земли всегда обращена к Солнцу, а Солнце над экватором  суточым движением поднимается почти вертикально, а вблизи полюсов Луны – катится по горизонту. (Приведенная выше фотография Земли сделана не с поверхности Луны, а с орбиты космического аппарата).

Описание всех рассмотренных явлений намного усложнится, если учесть, что либрации  Луны – суммарный результат действия многих явлений, происходящих с разными периодами.

Двигаясь по орбите, Луна, действительно, покачивается, так как под  влиянием приливов и отливов со стороны Земли, приобрела яйцевидную форму. Это физическая либрация.

Причина либрации по широте  в том, что ось суточного вращения Луны наклонена к плоскости эклиптики.  Благодаря либрации по широте для земного наблюдателя то открывается, то закрывается 13 градусов поверхности Луны над верхним и нижним краями ее диска.

С Земли видно, что Луна одновременно испытывает либрацию по долготе  и по широте. В результате этих двух покачиваний центр видимого  с Земли диска Луны описывает небольшой эллипс. Поэтому лунному наблюдателю, который находится в центре видимого диска и вместе с ним перемещается по эллипсу, кажется, что на  его небе Земля описывает подобный эллипс.

Менее значительные либрации происходят потому, что движение Луны по орбите – очень сложное,  например,  изменяется наклон плоскости лунной орбиты к плоскости эклиптики,  сама орбита  Луны вокруг Земли непрерывно поворачивается в своей плоскости. С Земли наблюдаются и многие другие особенности движения Луны. Вследствие этого  параметры эллипсов, по которым происходит видимое движение Земли на небе Луны, из месяца в месяц непрерывно изменяются, эллипсы не замыкаются,  а переходят один в другой, образуя сложную спираль.

Видимая и обратная стороны Луны разделяются линией, окаймляющей диск, когда с Земли видно ровно 50 % повехности Луны. На этой линии находятся пункты наблюдения Л2 и Пр2 (рис. 2 указанной статьи). В результате либрации Луна колеблется по долготе вокруг своей оси на угол +-7 град 54 мин. Когда левый край диска Луны поворачивается от Земли на обратной стороне открывается область в 7 град 54 мин. Затем поворот происходит в обратном направлении, закрывая эту область и еще 7 град 54 мин видимой стороны Луны. То же происходит и на правом краю диска, но в противофазе. Поэтому надо разделять понятия “обратная сторона “Луны и невидимая с Земли в определенный момент либрации. Поворот в одном направлении на 15 град 48 мин занимает 2 недели, столько же поворот в обратном направлении.

Почему удобнее использовать неастрономические термины “лево-право” с точки зрения земного наблюдателя? Потому, что для лунных наблюдателей на видимой стороне правый край диска, наблюдаемого с Земли, – восток, а для наблюдателя на обратной стороне Луны этот же край диска – запад. Наблюдаемый с Земли левый край диска для лунного наблюдателя на видимой стороне Луны – запад, а на обратной стороне он же – восток.

(так же, как на Земле: для нас Европа на западе, а для Америки Европа на востоке).

Как Земля восходит и заходит на обратной стороне Луны? 

Когда левый край лунного диска начинает поворот от Земли, восход Земли начинается на стороне Луны, обращенной к Земле. Через неделю начинается период видимости Земли с обратной стороны Луны. Восход Земли произойдет в пункте наблюдения Л2. Подъем Земли над горизонтом в этом пункте будет длиться неделю. За это время от Л2 до Л4 восход Земли будет происходить все позже. Максимальной высоты Земля достигнет одновременно во всех пунктах наблюдения. На наибольшую высоту Земля поднимается в пункте Л2: всего 8 град над горизонтом.

В остальных максимум подъема Земли уменьшается и в Л4 равен 0 град.

Теперь левый край диска Луны начнет поворачиваться к Земле. Земля сразу спустится под горизонт в Л4, затем в течение недели заходы произойдут во всех пунктах от Л4 до Л2. На этом на обратной стороне Луны закончится видимость Земли за левым краем диска Луны. Земля опять появится через две недели на горизонте пункта Л2.

На правом краю видимого с Земли диска Земля на обратной стороне Луны также видна две недели, но, когда в Л2 –Л4 восход, в Пр4 – Пр2 – заход.

Интересно, что восход и заход Земли происходят в одной и той же стороне горизонта. При наблюдении с обратной стороны Луны пункты Л2 – Л4 видны на востоке, а пункты Пр2 – Пр4 – на западе. За месяц один восход и один заход. Угловое расстояние между точками восхода и захода не превышает 13 град (в пунктах Л2 и Пр2).

Время лунных суток на видимой и обратной сторонах Луны почти одно и то же, так как угол поворота Луны от Л до Л4 и от Пр до Пр4 равен всего 15 град 54 мин. В пунктах наблюдения Л – Л4 восходы Земли наблюдаются от лунного раннего утра до вечера. Заход от вечера до утра. На правой стороне диска восходы Земли с вчера до утра, а заходы от утра до вечера. На левом краю диска на обратной стороне Луны восходы с лунного полудня до вечера, заходы от вечера до полуночи. На правом – восход от полуночи до утра, заход от утра до полудня.

Фазы Земли в полосе, где можно с Луны наблюдать ее восходы и заходы, на видимой и обратной сторонах Луны выглядят одинаково. Небо Луны всегда черное. Лунным утром Земля видна почти половинкой диска, к лунному полудню –  Земля  полностью становится темной с оранжевым ореолом (на Земле ночь), до полудня и после полудня Земля выглядит серпиком.  Лунным вечером Земля опять становится половинкой. В лунную полночь Земля сияет во всю мощь, примерно в 60 раз ярче, чем у нас Луна. Особенно эффектны длинные контрастные тени (Земля низко у горизонта и нет атмосферы, рассеивающей свет).

В этой статье в первом приближении описаны явления, связанные с либрацией Луны по долготе. Не учтено, что дуги АВ и ВА лунной орбиты (рис. 1 указанной статьи) не равны друг другу, не учтены также изменения скорости движения Луны по  эллиптической орбите и многие другие особенности движения Луны.

Для точного вычисления моментов восходов и заходов Земли на видимой и обратной сторонах Луны придется немало потрудиться.

Источник: статья в точности скопирована с сайта http://spacephys.ru/, претензии к сопроводительному материалу и т.п. не принимаются