8. Наблюдения Луны

Приступая к обзору поверхности Луны, мы сразу же наталкиваемся на проблему, с которой будем постоянно встречаться в дальнейшем при изучении планет: речь идёт о проблеме наблюдения мелких деталей с помощью телескопа. Телескоп есть ключ астрономии; этот прибор, изготовленный с величайшей точностью и мастерством, даёт возможность астрономам проникнуть за запертые двери вселенной. Но даже самый совершенный телескоп в руках самого опытного наблюдателя ограничен в своих возможностях непреодолимым препятствием - земной атмосферой. Небольшое отклонение от нашей основной темы поможет нам выяснить роль этой фундаментальной трудности.

Наши представления об особенностях поверхности Луны (рис. 75) или планет могут быть получены лишь в результате изучения отражённого солнечного света, который доходит до нас, пройдя сквозь толщу земной атмосферы. Мы видели, что преломление в атмосфере отклоняет световые лучи на небольшой угол; к несчастью, нет двух участков атмосферы, обладающих в точности одинаковым показателем преломления. Поскольку в атмосфере циркулируют ветры и течения тёплого и холодного воздуха, лучи света отклоняются самым различным образом. Результат можно видеть невооружённым глазом: звёзды мерцают (Планеты редко мерцают, так как они обладают дисками конечных размеров, и часто их можно, узнать по отсутствию мерцания)). Телескоп усиливает мерцание до такой степени, что часто изображения кажутся "кипящими", как если бы мы смотрели на них сквозь нагретый воздух над поверхностью горячей печки или раскалённых песков пустыни. Эта, похожая на кипение, турбулентность атмосферы определяет так называемое "качество изображений"; качество изображений является хорошим или плохим в зависимости от того, как видны изображения звёзд в телескоп.

Рис. 75. Луна после первой четверти

Атмосфера не только искажает изображения звёзд, но, кроме того, "крадёт" около 30% падающего света и рассеивает его по всем направлениям. Если бы атмосферы не существовало, наше небо было бы гораздо чернее ночью и столь же черно днём; таким образом звёзды и планеты можно было бы наблюдать днём так же хорошо, как и ночью (В ясный день, в эпохи наибольшего блеска Венеры, её можно видеть невооружённым глазом, если стоять в тени и точно знать её положение на небе)). Только несколько человек имели случай видеть чёрное небо в ясный день. Интересны впечатления Альберта В. Стивенса, достигшего на стратостате Explorer II высоты 22 км над уровнем моря.

"Сам горизонт казался полосой белого тумана. Над ним небо было светлосиним и примерно на высоте до 20 или 30° от горизонта оно было того синего цвета, к которому мы привыкли. Но под самым большим углом, доступным нашему зрению, небо становилось очень тёмным. Я бы не сказал, что оно было совершенно чёрным; скорее оно было чёрным с едва заметным отливом в тёмно-синий. Смотреть прямо на Солнце через одно из отверстий было невозможно. Лучи Солнца были невероятно интенсивны".

Достигнув высоты 22 км, стратостат прошёл 96% массы земной атмосферы. Вне атмосферы, в пустоте межпланетного пространства, практически совсем нет рассеянного света, так что небо там казалось бы гораздо чернее, чем мы его видим ночью. На этом фоне планеты, звёзды и Млечный Путь имели бы яркость, недостижимую для лучших наблюдательных пунктов Земли.

Яркость ночного неба мало влияет на визуальные наблюдения, так как глаз недостаточно чувствителен, чтобы его мог ослепить такой слабый свет. Однако фотографическая пластинка при длительной экспозиции чернеет от освещения ночного неба. Поэтому наша атмосфера сильно затрудняет фотографирование слабых туманностей, свет от которых может оказаться слабее, чем рассеянный свет неба.

Плохое "качество изображений" ставит непреодолимую преграду как визуальному, так и фотографическому наблюдению мелких деталей на ярких небесных телах, как, например, на Луне и на планетах. Ни глаз, ни фотографическая пластинка не могут обнаружить ни одной детали меньше некоторого предельного угла (около одной десятой секунды дуги). Для ярких объектов глаз более эффективен, чем пластинка, так как он может различить детали в те редкие минуты, когда "качество изображений" почти идеально. Фотографическая же пластинка требует значительной экспозиции, за время которой "качество изображений" может измениться.

Поэтому в хороший телескоп можно видеть более мелкие детали на Луне и планетах, чем даёт фотография, хотя современная техника фотографирования достигла прямо волшебных результатов в запечатлении деталей Луны и планет.

Чтобы свести к минимуму нежелательные атмосферные помехи, астрономы изъездили Землю из края в край в поисках места с исключительно хорошим "качеством изображений". Над вершинами гор, возвышающимися над пылью и водяными испарениями более низких областей, обычно бывает более прозрачное небо, но "качество изображений" на горе, выбранной наугад, может быть хуже, чем на уровне моря.

Даже при наилучшем "качестве изображений" астроном хотел бы освободиться от атмосферы, чтобы полностью реализовать возможности своих оптических инструментов. Если условия видимости хороши, большой телескоп даст наблюдателю возможность различить более мелкие детали, чем маленький телескоп. Но при плохом "качестве изображений" изображение планеты или Луны, видимое в большой телескоп, может быть даже хуже, чем в маленький, так как большая площадь объектива даёт большее изменение условий видимости. Поэтому телескопы с небольшим отверстием (от б до 20 дюймов) являются наиболее эффективными для прямых визуальных наблюдений. Большие рефлекторы применяются почти исключительно для фотографирования, при котором их огромная светоулавливающая способность имеет первостепенное значение.

Увеличение каждого телескопа может быть выбрано по желанию подбором окуляров. Большое увеличение применяется при хорошем качестве изображений, а малое - при плохом (Увеличение телескопа равно отношению фокусного расстояния объектива к фокусному расстоянию окуляра. Описание телескопов и их применения см. в книге Г. Димитрова и Д. Бэкера "Телескопы и принадлежности к ним", Гостехиздат, 1947)).

Луна, рассматриваемая в телескоп (безразлично - большой или маленький), представляет эффектное зрелище. Первым наблюдал Луну в телескоп Галилей, оставивший потомству записи своих наблюдений. Даже в его маленький телескоп ему удалось обнаружить горы, кратеры и большие тёмные области, которые в своей совокупности образуют черты "человека на Луне". Галилею тёмные области казались похожими на большие моря и потому он назвал их maria (латинское - моря).

На фотографии Луны (рис. 76), снятой вскоре после полнолуния, "моря" видны очень хорошо. Названия некоторых "морей", а также других наиболее заметных деталей лунной поверхности приведены на рис. 77. Несколько вычурным латинским названиям морей нельзя дать какого-либо рационального объяснения, хотя названия Море Спокойствия, Море Ясности и Море Холода кажутся довольно подходящими. Эти "моря", конечно, представляют собой не обширные водные пространства, а большие равнины, почти плоские (если не учитывать кривизны поверхности) и лишённые и воздуха и влаги. Море Дождей и Море Ясности (в нижней центральной части рис. 76) очень велики и имеют почти круглую форму. Наибольший диаметр Моря Дождей превышает 1100 км, а диаметр Моря Ясности больше 700 км. Часть Моря Дождей в увеличенном виде показана на рис. 78. Великолепная горная цепь, ограничивающая левую часть его, известна под названием Апеннин. Эти горы возвышаются примерно на 5400 м над поверхностью "моря"; такая высота полностью оправдывает плагиат в их названии. Перспектива, образованная тенями на рис. 78, показывает, что Апеннины представляют собой зазубренные пики, круто поднимающиеся со дна "моря", но полого спускающиеся к внешней стороне его. Видны многочисленные глубокие долины с почти вертикальными стенками. Лунные горные цепи похожи на земные, в которых Долины образовались благодаря разрушительной работе воды, однако, на Луне воды нет.

Рис. 76. Луна вскоре после полнолуния. Соответствующая карта деталей лунной поверхности дана на рис. 77

Параллельно внутреннему краю Апеннин можно видеть длинную, несколько извилистую бороздку. На Луне было найдено несколько сотен таких бороздок. Они представляют собой канавообразные углубления, часто в полтора километра глубиной, простирающиеся на расстояния до 150 км вдоль лунной поверхности. Поскольку бороздки не имеют "притоков", которые должны были бы существовать, если бы они были образованы эрозией, и поскольку стенки бороздок не поднимаются выше окружающего лунного ландшафта, их правильнее всего интерпретировать как трещины. Вполне вероятно, что во время охлаждения лунная поверхность в некоторых местах растрескалась. Длинные или глубокие трещины могли также быть заполнены или залиты расплавленным веществом, находившимся под застывшей поверхностью Луны; в этом случае должны были образоваться детали иного типа. Может быть, длинный низкий хребет вверху центральной части рис. 78 в действительности является продолжением системы бороздок, о которой мы уже говорили. Возможно, что большая трещина, возникшая когда-то у основания Апеннин, теперь имеет вид бороздки в одной своей части и вид горного хребта - в другой, а в промежутке она могла быть совершенно закрыта потоком расплавленного вещества.

Рис. 77. Карта Луны. Указаны названия некоторых деталейв Сравните с фотографией на рис. 76

Более разбросанные горы в нижней левой части рис. 78 носят название Альп. Их наиболее заметной деталью является Долина Альп - гигантский разрез, идущий через центральную часть цепи. Долина имеет 10 км в ширину в своей наиболее широкой части и 120 км в длину; дно её гладкое. Она кончается в центре высокой части Альп, недалеко от "моря", причём это последнее обстоятельство противоречит теории о том, что Долина Альп может быть частично заполненной трещиной.

Рис. 78. Море Дождей. Луна в последней четверти

Прекрасное изображение Моря Дождей на рис. 78 по сравнению с общим однообразием рис. 76 было получено не увеличением фотографической контрастности и не эффектом увеличения. На первом снимке - Луна в полнолунии, и Солнце светит отвесно, поэтому мы не можем видеть теней. На втором снимке Солнце светит справа, давая длинные тени поперёк луча зрения. Вследствие кривизны поверхности Луны верхний левый край рис. 78 весь тёмный, за исключением высоких горных вершин. Вдоль терминатора, на границе света и тени, резкие черты лунной поверхности видны лучше всего. Большие тени выдают неровности, которые могли бы остаться невидимыми, если бы Солнце светило отвесно. Благодаря этому эффекту Луну лучше всего наблюдать вблизи первой и последней четвертей. Лучи Солнца вдоль терминатора почти перпендикулярны к нашему лучу зрения. Во время полнолуния мы можем различить только светлые и тёмные области; неровности исчезают.

С помощью теней мы можем определить высоты деталей лунной поверхности. На рис. 79 изолированный горный пик, Питон, возвышающийся в нижней левой части Моря Дождей, несколько увеличен, чтобы выделялась его тень. Длина такой тени может быть измерена, а угол, под которым падают солнечные лучи, может быть вычислен, если нам известны фаза Луны и точное положение горы. На рис. 80 показано геометрическое решение задачи об определении высоты. Метод является прямым, но вычисления довольно сложны, так как необходимо определить величину нескольких углов.

Рис. 79. Питон. Изолированный лунный пик в Море Дождей. Луна в последней четверти

Почти всюду на Луне имеются кратеры, которые становятся заметными, если видны вблизи от терминатора. Разнообразный характер кратеров особенно хорошо виден в районе Моря Дождей, где они расположены изолированно на открытой равнине. Некоторые из них кажутся гладкими и плоскими внутри, тогда как в других имеется один или более центральных пиков, часто усеянных маленькими кратерами. Внимательное изучение показывает, что поверхность Луны покрыта почти неограниченным количеством маленьких кратеров, как если бы она была обстреляна картечью (Самые маленькие кратеры, видимые на фотоснимках, имеют 3-5 км в диаметре)).

Рис. 80. Определение высоты лунных гор. По длине теней, отбрасываемых деталями лунной поверхности, астрономы измеряют высоты. Сравните с рис. 79

В зависимости от формы кратеры могут быть расклассифицированы на ряд типов. Поскольку тонкие различия могут быть продолжены до бесконечности и поскольку определения не всегда бывают краткими и однозначными, может быть, лучше не приводить названий различных типов. Многие кратеры имеют внутренние равнины, такие же плоские, как "моря", а стены их представляют собой горы, поднимающиеся отвесно вверх, ограничивая края. Уровень внутренней равнины может лежать выше или ниже общего уровня вне кратера. Поверхность некоторых "морей" также лежит ниже или выше среднего уровня поверхности. Самый большой кратер на Луне - Клавий (вверху, в центральной части рис. 81) - относится к типу "кратерных морей"; наибольший диаметр его равен 235 км. Кривизна поверхности Луны достаточна для того, чтобы скрыть горную стену высотой 6000 м от наблюдателя, стоящего в центре этого кратера.

Рис. 81. Наиболее неровные области Луны. Южная часть Луны в последней четверти

Кратер Тихо, который можно видеть немного выше центра рис. 81, представляет собой несколько другой тип кратеров (Так называемые "кольцевые горы")). Только часть его дна является плоской, кратер скорее имеет форму соусника. Внутренний склон горного вала сам состоит из нескольких колец и является как бы слоистым или уступчатым. Эти кратеры, имеющие вид кольцевых гор, обладают почти круглой формой и очень редко бывают загромождены кратерами меньших размеров и прочими деформациями. Таким образом кольцевые горы, повидимому, образовались на более поздней стадии эволюции Луны, чем "кратерные моря", на которых заметны следы последующих деформаций. В качестве других примеров кольцевых гор можно указать кратеры Эратосфен (верхний правый угол рис. 78) и Коперник (рис. 82 и 83).

Рис. 82. Лучи. Системы лучей исходят из кратера Коперник (слева) и кратера Кеплер (справа). Луна почти в полнолунии

Некоторые участки лунной поверхности (рис. 81) полностью покрыты хаотическим нагромождением кратеров внутри кратеров и кратеров на кратерах. Все они имеют совершенно беспорядочный вид, как будто новые кратеры возникали совершенно независимо от того, что было на этом месте раньше. Части старого вала могли сохраниться неразрушенными после образования нового кратера, а этот новый в свою очередь мог быть покрыт, как оспой, маленькими кратерами ещё более недавнего происхождения.

Рис. 83. Кратер Коперник. Луна после последней четверти. Сравните с рис. 82

Через эти изрытые кратерами области Луны и через обширные равнины тянутся гигантские системы лучей или светлых полос, которые хорошо заметны в полнолуние и почти исчезает в частных фазах Центр самой заветной системы лучей лежит, в кратере Тихо (рис. 76); расходящиеся из него лучи могут быть прослежены почти вокруг всей Луны. На рис. 81 лучи едва различимыми кратер Тихо является одним из обычных кратеров, вовсе не самым заметным из всех. Лучи не отбрасывают теней и могут быть обнаружены только по своей светлой окраске. Они не прерываются ни горами, ни какими-либо другими особенностями лунной топографии. Объяснение их происхождения до сих пор было совершенно неудовлетворительным. Предполагалось, что лучи образовались при конденсации паров, поднимавшихся из длинных невидимых трещин, причём эти трещины возникли при формировании кратеров, с которыми лучи связаны.

Каково бы ни было их происхождение, лучи являются поразительной особенностью лунной поверхности. Обратите внимание на сложную структуру лучей вокруг кратеров Коперник и Кеплер на рис. 82. Светлая окраска лучей характерна и для кратеров, с которыми они связаны, а также для валов многих кратеров. На первый взгляд область вокруг кратера Коперник на рис. 82 в полнолуние мало похожа на туже область на рис. 83 в более поздней фазе. Однако кратеры со светлыми валами, видимые на последнем снимке, вскоре удаётся обнаружить и на первом снимке, тогда как некоторые большие кратеры стушевались и стали невидимыми. Тщательное сравнение двух снимков весьма поучительно. Второй по величине кратер на рис. 83, Эратосфен, с трудом может быть найден на рис. 82, хотя по типу он очень похож на Коперник.

Слева от кратера Коперник на рис. 83 имеется большое число кратеров-колодцев, образующих сложный узор. Отсутствие внешних теней указывает на то, что стенки их не возвышаются над уровнем "моря". Такие кратеры-колодцы очень часто встречаются на поверхности Луны. Они особенно заметны при наблюдениях в большой телескоп и при хороших условиях видимости. Маленькие кратеры отличаются от кратеров-колодцев тем, что их стенки отбрасывают внешние тени.

Рис. 84. 'Прямая стена'. а) Луна в последней четверти

На плоских равнинах рис. 83, а также на Море Дождей (рис. 78) заметны длинные змеистые гребни. Эти низкие гребни, очевидно, являются следами потоков, несомненно образовавшихся в ту эпоху, когда дно "морей" находилось в горячем вязком состоянии. Сдвиг оставит такой же след на плоской поверхности смолы, в особенности если смола слегка нагрета и резкие края сглаживаютя.

Рис. 84. 'Прямая стена'. b) Луна в первой четверти

Другое интересное лунное образование показано на рис. 84; это Прямая Стена, тянущаяся примерно на ПО км в длину. Первый снимок представляет собой часть рис. 81, ниже кратера Тихо. Солнце светит справа, и Прямая Стена имеет вид белой линии (справа от неё почти параллельно ей, тянется более короткая извилистая бороздка). Второй снимок сделан сейчас же после первой четверти, так что Солнце светит слева. Прямая Стена теперь имеет вид тёмной линии; это доказывает, что она является длинной прямой отвесной скалой или стеной, возвышающейся от 300 до 600 м над равниной и обращенной направо. Ясно, что это сброс, при котором один край был поднят над другим. "Лунотрясения" в туманном и отдчленном прошлом были, вероятно, связаны с появлением этой и других стен, видимых на Луне. Такие же сбросы, хотя и меньшего размера, часто встречаются на Земле - это фокусы землетрясений. На поверхности Луны имеется так много интересных образований, отдельных кратеров с необычной структурой, своеобразных бороздок, лучей, "морей", гор и скал, что описание их можно было бы продолжить до бесконечности. Однако читатель, может быть, сам пожелает проделать некоторые исследования по приведённым нами фотоснимкам или с помощью телескопа. Он сможет вскоре найти все детали, описанные в настоящей главе, и обнаружить также много новых, в равной степени интересных. Те, кто пожелают выучить названия отдельных деталей, должны воспользоваться лунной картой крупного масштаба. Около пяти тысяч деталей лунной поверхности было официально зарегистрировано Международным астрономическим союзом, а ещё много тысяч было зафиксировано прилежными селенографами.