Луна-Спутник
Луна — это, пожалуй, единственное небесное тело, в отношении которого с древнейших времён ни у кого не было сомнений, что оно движется вокруг Земли. Во II в. до н. э. Гиппарх определил наклон лунной орбиты к плоскости эклиптики и выявил ряд особенностей движения Луны. Он создал весьма совершенную для своего времени теорию её движения, а также теорию солнечных и лунных затмений.
Теорию движения Луны вокруг Земли значительно развил александрийский астроном Клавдий Птолемей (II в.), посвятивший ей одну из книг своего капитального сочинения «Альмагест». В дальнейшем эта теория неоднократно совершенствовалась и уточнялась, а после открытия Исааком Ньютоном закона всемирного тяготения, управляющего движением всех небесных тел (1987 г.), из чисто кинематической (описывающей геометрические свойства движения) она становится динамической (рассматривающей движение тел под действием приложенных к ним сил).
Если рассматривать обращение вокруг Солнца какой-нибудь планеты (например, Марса), то основной силой, направляющей её движение, является притяжение Солнца. Влияние других планет во много раз слабее солнечного, потому что их массы в тысячи, десятки и сотни тысяч раз меньше массы Солнца. Дополнительные ускорения, сообщаемые Марсу притяжением других планет (Земли, Венеры, Юпитера), очень малы, и их можно рассматривать каждое в отдельности, а затем сложить.
Вид луны в телескоп
Другое дело Луна. Для построения сколько-нибудь точной теории её движения приходится учитывать притяжение, как Земли, так и Солнца. Из-за эллиптичности земной орбиты воздействие Солнца изменяется в течение года, из-за движения Луны по орбите — ещё и в течение месяца. Кроме того плоскости лунной и земной орбит не совпадают, хотя и наклонены друг к другу под небольшим углом (5°9′). Вот далеко не полный перечень сложностей, встающих перед исследователями. Поэтому не удивительно, что построение точной теории движения Луны было одной из труднейших задач небесной механики на протяжении столетий.
Сегодня параметры лунной орбиты известны с высокой точностью. Полный оборот вокруг Земли Луна совершает за 27,32166 суток (сут.), или 27 сут. 7 ч 43 мин. Это её звёздный, или сидерический, месяц (период движения Луны на небе относительно звёзд).
Период смены лунных фаз, или синодический месяц, надвое с лишним суток длиннее сидерического, потому что фазы Луны зависят от её положения относительно Солнца, а оно в течение года перемещается по эклиптике (из-за годового движения Земли). Продолжительность синодического месяца нетрудно вычислить по формуле:
1/P = 1/S — 1/T,
где Р, S и Т — соответственно продолжительность синодического, сидерического месяцев и сидерического года, т. е. периода обращения Земли вокруг Солнца. По этой формуле находим, что синодический месяц составляет 29,530588 суток, или 29 сут. 12 ч 44 мин.
Астрономы различают ещё драконический и аномалистический месяцы. Драконический месяц — это период обращения Луны относительно узлов её орбиты, т. е. точек пересечения ею плоскости эклиптики. Он играет важную роль при предвычислении солнечных и лунных затмений Аномалистический месяц — это период обращения Луны относительна перигея, ближайшей к Земле точке ее орбиты. Длительность драконического месяца — 27,21222 суток, или 27 сут. 5 ч 5 мин; аномалистического — 27,55455 суток, или 27 сут. 13 ч 18 мин.
Из этих чисел видно, что драконический месяц короче сидерического, а аномалистический, наоборот, длиннее его. Это связано с тем, что линия узлов лунной орбиты медленно поворачивается навстречу движению Луны, совершая полный оборот за 18,6 года, тогда как большая ось лунной орбиты поворачивается в ту же сторону, куда движется Луна, с периодом 8,85 года. Причину этих движений объяснил Ньютон: всё дело оказалось в Солнце.
Солнце вызывает ещё целый ряд периодических возмущений в движении Луны. По традиции, идущей ещё со времён Птолемея, их называют неравенствами, хотя смысл этого понятия (отклонения от невозмущённого движения) совсем иной, чем в математике.
Астрономы давно уже прозвали систему Земля — Лупа двойной планетой. Ведь не только Луна обращается вокруг Земли, но и Земля под действием притяжения Луны описывает небольшую орбиту вокруг их общего центра масс. Только эта орбита в 81 раз меньше, чем лунная. Центр масс системы Земля — Луна находится внутри Земли, на расстоянии 4750 км от центра планеты. И всё же это небольшое движение Земли астрономы учитывают при точных расчётах.