Введение

Расстояние от центра Земли до центра Луны – навигационная единица. Мгновенное расстояние между Землей и Луной, или расстояние до Луны, – это расстояние от центра Земли до центра Луны. Лунное расстояние (LD или ), или характеристическое расстояние Земля-Луна, является единицей измерения в астрономии. В более строгом смысле, это большая полуось геоцентрической лунной орбиты. Лунное расстояние в среднем составляет приблизительно 384 400 километров, или 1,28 световых секунды; это примерно в 30 раз больше диаметра Земли или в 9,5 раз больше окружности Земли. Около 389 лунных расстояний составляют одну астрономическую единицу (примерно расстояние от Земли до Солнца). Лунное расстояние часто используется для выражения расстояния до объектов, сближающихся с Землей. Большая полуось лунной орбиты является важной астрономической величиной; точность измерений расстояния в несколько миллиметров определяет большую полуось с точностью до нескольких дециметров; это имеет значение для проверки гравитационных теорий, таких как общая теория относительности, и для уточнения других астрономических значений, таких как масса, радиус и вращение Земли. Измерение также полезно для определения лунного радиуса, а также массы и расстояния до Солнца. Миллиметровая точность измерений лунного расстояния достигается путем измерения времени, необходимого лазерному лучу для прохождения между станциями на Земле и ретрорефлекторами, установленными на Луне. Луна удаляется от Земли со средней скоростью примерно 3,8 сантиметра в год, что было обнаружено в ходе эксперимента Lunar Laser Ranging.

Изменение

Мгновенное расстояние до Луны постоянно меняется. Фактическое расстояние между Луной и Землей может изменяться на 75 километров или более всего за 6 часов из-за ее некруговой орбиты. Существуют и другие факторы, влияющие на расстояние до Луны. Формула Шапрона и Тузе для вычисления расстояния в километрах начинается со следующих членов: эффект радиационного давления Солнца вносит вклад в размере ±3,6 километра в расстояние до Луны. Хотя мгновенная неопределенность составляет всего несколько миллиметров, измеренное расстояние до Луны может отклоняться от среднего значения более чем на протяжении типичного месяца. Эти возмущения хорошо изучены, и расстояние до Луны может быть точно смоделировано на протяжении тысяч лет.

Приливная диссипация

Благодаря действию приливных сил, угловой момент вращения Земли медленно передается на орбиту Луны. В результате скорость вращения Земли постепенно уменьшается (на 2,4 единицы в год), а лунная орбита постепенно расширяется. Скорость удаления составляет 3,830. Геологические данные свидетельствуют о том, что среднее расстояние до Луны составляло около 332 000 км (или 205 000 миль) в докембрийский период, 2500 миллионов лет назад. Широко признанная гипотеза гигантского столкновения утверждает, что Луна образовалась в результате катастрофического столкновения Земли с другой планетой, приведшего к повторному аккрецированию обломков на начальном расстоянии в 24 000 км (или 15 000 миль). Согласно этой теории, первоначальное столкновение произошло 4,5 миллиарда лет назад.

Параллакс

Самый старый метод определения лунного расстояния заключался в одновременном измерении угла между Луной и выбранной опорной точкой из нескольких местоположений. Синхронизация могла достигаться путем проведения измерений в заранее установленное время или во время события, наблюдаемого всеми участниками. До появления точных механических хронометров в качестве синхронизирующего события обычно использовалось лунное затмение или момент прохождения Луны через меридиан (если наблюдатели находились на одной долготе). Эта техника измерения известна как лунный параллакс. Для повышения точности измеренный угол можно корректировать с учетом преломления и искажения света при прохождении через атмосферу.

Лунное затмение

Ранние попытки измерить расстояние до Луны использовали наблюдения лунных затмений в сочетании со знанием радиуса Земли и пониманием того, что Солнце находится гораздо дальше Луны. Наблюдая геометрию лунного затмения, расстояние до Луны можно вычислить с помощью тригонометрии. Первые известные записи о попытках измерения расстояния до Луны этим методом принадлежат греческому астроному и математику Аристарху Самосскому в IV веке до нашей эры, а затем Гиппарху, чьи вычисления дали результат (376 000 или 233 000). Позже этот метод был использован Птолемеем, который получил результат (409 000 или 253 000) для наибольшего расстояния.

Пересечение меридианов

Экспедиция французского астронома А. К. Д. Кроммелина наблюдала прохождение Луны через меридиан в одну и ту же ночь из двух различных точек. Тщательные измерения, проведенные с 1905 по 1910 год, зафиксировали угол возвышения в момент, когда определенный лунный кратер (Mösting A) пересек местный меридиан, с использованием станций в Гринвиче и на мысе Доброй Надежды. Расстояние было вычислено с погрешностью 30, и это значение оставалось общепринятым для определения лунного расстояния на протяжении последующих полувека.

Закрытия

Записывая момент, когда Луна закрывает фоновую звезду (или, аналогично, измеряя угол между Луной и фоновой звездой в заранее определенный момент), можно определить расстояние до Луны, при условии, что измерения проводятся из нескольких точек с известным расстоянием между ними. Астрономы О’Киф и Андерсон рассчитали расстояние до Луны, наблюдая четыре оккультации из девяти точек в 1952 году. Они вычислили большую полуось в 384 407,6 (±). Это значение было уточнено в 1962 году Айрин Фишер, которая использовала обновленные геодезические данные и получила значение 384 403,7 (±).

Радар

Расстояние до Луны было измерено с помощью радара впервые в 1946 году в рамках проекта "Диана". Позже, в 1957 году, в Научно-исследовательской лаборатории ВМС США был проведен эксперимент, в котором для определения расстояния от Земли до Луны использовали эхо от радарных сигналов. Радарные импульсы длительностью 2 микросекунды были переданы с радиолокационной антенны диаметром 15 метров. После того, как радиоволны отразились от поверхности Луны, был обнаружен обратный сигнал и измерено время задержки. На основе этого измерения можно было рассчитать расстояние. Однако на практике отношение сигнал/шум было настолько низким, что надежное точное измерение получить не удалось. Эксперимент был повторен в 1958 году в Королевском Радарном Учреждении в Англии. Радарные импульсы длительностью 5 микросекунд передавались с пиковой мощностью 2 мегаватт и частотой повторения 260 импульсов в секунду. После того, как радиоволны отразились от поверхности Луны, был обнаружен обратный сигнал и измерено время задержки. Для получения надежного сигнала несколько сигналов были суммированы путем наложения трасс осциллографа на фотопленку. На основе этих измерений расстояние было рассчитано с погрешностью. Эти первоначальные эксперименты были предназначены для подтверждения принципиальной возможности и длились всего один день. Последующие эксперименты, продолжавшиеся в течение месяца, позволили определить большую полуось орбиты в 384 402 (±), что было самым точным измерением расстояния до Луны на тот момент.

Лазерная дальность

Эксперимент по измерению времени прохождения лазерных импульсов в обе стороны, отраженных непосредственно от поверхности Луны, был проведен в 1962 году командой из Массачусетского технологического института и советской группой в Крымской астрофизической обсерватории. В ходе миссий "Аполлон" в 1969 году астронавты установили на поверхности Луны уголковые отражатели для повышения точности и прецизионности этой методики. Измерения продолжаются и проводятся с использованием нескольких лазерных комплексов. Мгновенная точность экспериментов по лазерной локации Луны может достигать миллиметрового разрешения, и это наиболее надежный метод определения расстояния до Луны. Большая полуось определена как 384 399,0 км.