Путешествия к Луне

1.1. Луна – наше второе Солнце

«Джентльмены, каждый из вас, конечно, видел Луну или, по крайней мере, слышал о ней», – такими словами президент Барбикен из романа Жюля Верна начал свою знаменитую речь перед членами «Пушечного клуба» в Балтиморе (штат Мэриленд), доказывая целесообразность посылки снаряда на Луну. Не прошло и ста лет с момента публикации замечательного произведения французского мечтателя «С Земли на Луну» (1865 г.), как к Луне действительно были посланы «снаряды», подтвердившие не только идею, но и многие технические детали, рожденные фантазией писателя. А спустя еще полвека, то есть в наши дни, уже ведутся разговоры не только об исследовании Луны, о сооружении на ней постоянно действующих научных станций, но также и об эксплуатации ее ресурсов и даже – чего бы очень не хотелось! – о разделе лунной территории. И это при том, что наши современники, за исключением настоящих любителей астрономии, знают о Луне не больше, чем люди XIX в. Яркое городское освещение мешает многим из нас замечать на небе Луну, так что едкая реплика Барбикена «…или, по крайней мере, слышал о ней» не потеряла актуальности.

А в самом деле, так ли уж важна для городского жителя Луна? Сегодня мы, наверное, и не заметили бы ее исчезновения с небосклона, но еще недавно… Мудрый Козьма Прутков говорил, что Луна важнее Солнца, ибо Солнце светит днем, когда и без того светло… В этой шутке виден глубокий смысл: когда-то Луну называли «ночным светилом»; для многих людей она действительно была, а для некоторых и сегодня остается важнее Солнца. Например, жители южных степей и пустынь высоко ценят лунные ночи, дающие им возможность путешествовать, не страдая от дневного зноя.

Рис. 1.1. Восход полной Луны – незабываемое зрелище! Фото: Stefan Seip.

Чем внимательнее мы изучаем окружающую природу, тем больше пользы замечаем от присутствия Луны рядом с Землей. Биологи даже предполагают, что вызванные Луной морские приливы способствовали выходу жизни из вод на сушу, а значит, и нашему с вами появлению. Астрономические расчеты показывают, что в далеком прошлом Луна была значительно ближе к Земле, чем сегодня, вызванные ею приливы были намного выше и оказывали более сильное влияние на жизнь прибрежной полосы.

Благотворное влияние Луны заметно и в наши дни: астрономы выяснили, что под действием гравитации Луны постоянно замедляется вращение Земли и тем самым удлиняются сутки. В отдаленном прошлом земные сутки длились всего несколько часов. В будущем же Луна обеспечит нам сутки продолжительностью более нынешнего месяца. Если в ту далекую эпоху кофе еще будет в изобилии, то за такой длинный день мы станем успевать многое, а в течение столь же длинной ночи обязательно найдем время, чтобы полюбоваться Луной. Возможно, появятся даже особые туристические маршруты в то полушарие Земли, над которым постоянно будет видна Луна: ведь ее бег относительно земной поверхности в далеком будущем остановится.

Рис. 1.2. Две ночные красавицы – Венера и Луна. Фото: Jay Ouellet.

Прошу у читателя прощения за шутливый тон. Просто я очень люблю эту загадочную планету, волею судьбы расположенную так близко от нас. Впрочем, если вы держите в руках эту книгу, значит, и вам Луна не безразлична. Трудно угадать, когда и как Луна впервые привлекла ваше внимание. Каждый из нас по-своему «лунатик»; у каждого был свой путь к Луне…

Мои сверстники и я выросли в докомпьютерную эпоху, когда никакой «виртуальной реальности» еще не существовало и даже телевизор был редким устройством, а его черно-белое изображение – скверным. Нечасто нам попадались и детские иллюстрированные книги, поэтому с большинством природных явлений мы впервые знакомились, что называется, вживую. Моя близкая встреча с Луной произошла 40 лет назад, когда я смотрел в самодельный телескоп. Испытанное тогда потрясение было одним из мотивов, которые позже привели к выбору профессии астронома и к неугасающему желанию путешествовать по Луне. С тех пор я часто «путешествовал» по ней, сидя у окуляра уже вполне профессионального телескопа, а в последние годы – еще и у монитора, виртуально участвуя в захватывающе увлекательных экспедициях роботов и астронавтов. При этом каждый раз я думаю о том, какое это везение – наличие у Земли такого замечательного спутника. Ведь ничего подобного нет ни у одной из планет земной группы: Меркурий и Венера вообще лишены спутников, а марсианские Фобос и Деймос – просто карлики, никакого сравнения с нашей Луной! К тому же они весьма опасны: как известно, Фобос постепенно приближается к Марсу и со временем упадет на него.

А теперь давайте поговорим о Луне всерьез. В этой книге мои коллеги и я хотим рассказать о Луне самое главное, мы хотим познакомить вас с ней поближе – ведь это ближайшая к нам планета. Правда, мы называем ее спутником Земли, но это еще спорный вопрос – кто чей спутник. Ни у одной из планет, кроме нашей, нет такого относительно крупного спутника: астрономы нередко называют Землю и Луну «двойной планетой». Даже по абсолютным параметрам – размеру, массе – она не так уж сильно уступает Меркурию и Марсу. Так что, не будь она связана с Землей, Луна вполне могла бы встать в один ряд с другими планетами земной группы.

К Луне проявляют особый интерес люди нескольких профессий. В первую очередь планетологи. Ведь Луна – настоящий музей истории Солнечной системы. Вода, ветер и движение земной коры быстро уничтожают на Земле следы космических происшествий и память о собственной «жизнедеятельности» Земли, а на лунной поверхности такие следы сохраняются миллиарды лет. Мы сможем многое узнать о прошлом Земли, если будем внимательно изучать Луну. Не исключено даже, что мы найдем там древние образцы с Земли – ведь обнаруживаем мы на Земле метеориты с Луны. Есть надежда, что на Луне обнаружится и вещество комет, причем не с поверхности их ядер, а из самой их сердцевины: ведь при ударе о Луну ядро кометы должно разрушаться. Планетологи надеются, что по Луне они «прочитают» историю Солнечной системы.

И у астрофизиков свой интерес к Луне. Им, в общем-то, не очень важно, откуда она взялась; главное – ее можно использовать для научных исследований. Во-первых, Луна – отличная заслонка: это знает каждый, кто любовался солнечной короной во время затмения. Луну в качестве «ширмы» астрофизики особенно часто использовали в период развития радиоастрономии, и до сих пор используют в рентгеновской и гамма-астрономии для сканирования тех объектов, тонкую структуру которых не может разрешить телескоп. Даже в оптической астрономии, для которой характерна высокая четкость изображений, Луна еще служит полезным экраном при измерении размеров звезд и структуры тесных звездных систем: скрываясь за краем лунного диска или появляясь из-за него, звезда последовательно демонстрирует разные части своей поверхности. В ближайшее время астро-физики намерены использовать Луну как детектор космических частиц и гравитационных волн, а также для проверки общей теории относительности Эйнштейна и вообще для обнаружения тонких гравитационных эффектов. Ведь сегодня с помощью лазерного луча расстояние до Луны измеряется с точностью до нескольких миллиметров!

Рис. 1.3. Так в конце XIX в. астрономы представляли себе лунный пейзаж. В целом недалеко от истины, хотя крутизна склонов существенно преувеличена. Поверхность Луны очень древняя, поэтому рельеф там выровнялся. Художник верно передал особенность лунного неба: днем на нем можно увидеть звезды. Правда, на фотографиях, доставленных с Луны, звезд не видно: слишком коротка экспозиция. Зато астронавты «Аполлона-16» изучали их (днем!) в телескоп. Рисунок из книги «Recreations in Astronomy» (1879) Н. D. Warren D. D.

Низкая, но все же вполне ощутимая сила тяжести делает Луну привлекательной для космонавтики: там есть сырье для производства и энергия солнечного света, есть возможность укрыться под поверхностью от космической радиации и перепадов температуры. Работать на поверхности или под поверхностью Луны существенно удобнее, чем в открытом космическом пространстве, не имея точки опоры. Поддерживать физическое состояние человека на Луне значительно легче, чем в невесомости. Старт ракеты с лунной поверхности намного проще и дешевле, чем с Земли или даже с околоземной орбиты. Поэтому на начальном этапе освоения Солнечной системы, которое еще впереди, роль Луны будет очень важна.

Как видим, Луна полезна, интересна и загадочна. Но мы до сих пор мало знаем о ней, хотя и начали изучать ее раньше, чем, например, океанское дно.

Рис. 1.4. Кто бы из нас не хотел побродить по террасам этих удивительных кратеров, тем более, что рюкзак будет в 6 раз легче, чем на Земле? На обратной стороне Луны, где расположены эти кратеры (10° ю. ш., 162° в. д.), не ступала пока нога человека и даже не прилунялся ни один автомат. Фото: «Аполлон-10».

Детальные карты видимого полушария Луны были составлены в начале XIX в., а столь же детальные карты дна океанов Земли – только к концу XX в. Однако возможности наземной астрономии по изучению Луны довольно быстро оказались исчерпаны. Наступила эпоха ее прямого изучения с помощью роботов и астронавтов. Это дорогостоящие экспедиции, но результаты себя оправдывают. Важно, что ученые уже поняли: Луна – такой же доступный и интересный объект, как глубоководные разломы или купол Антарктиды. Туда можно планировать экспедиции и находить для них средства.

Не правда ли, странно, что лунные экспедиции стали реальностью практически тогда же, когда исчезли белые пятна на карте Земли? Но если задуматься, и то и другое – в прямом смысле слова дело техники. Сравнительно недавно мы поняли, что по-настоящему недоступных уголков на Земле больше нет. Прошли те жюль-верновские времена, когда кругосветное путешествие за 80 дней казалось почти фантастикой. Сегодня в любую часть Земли простой смертный может попасть всего за несколько дней. Но ведь за несколько дней можно добраться и до Луны! Еще 40 лет назад на экспедицию к Луне – туда и обратно – астронавты тратили всего неделю. Рекордно короткую командировку к Луне осуществил экипаж «Аполлона-13» в 1970 г.: туда и обратно за 5 суток и 23 часа. Правда, астронавты не прочь были бы задержаться там подольше, но так уж вышло…

Разумеется, большинству из нас не доведется побывать на Луне, равно как и в Антарктиде, и на вершинах Гималаев и даже в Новой Зеландии, но все же мы стремимся составить представление об этих экзотических уголках Земли. А вот о соседней планете – о Луне – знаем до обидного мало.

1.2. Знакомство с Луной

Итак, Луна. Кажется, только астрономы, изучающие далекие галактики и слабосветящиеся туманности, не любят ее, особенно в полнолуние: лунный свет делает невидимыми эти объекты. Все остальные жители Земли любят Луну и воспевают ее: вспомните хотя бы картину Куинджи «Лунная ночь на Днепре» или его же «Дарьяльское ущелье. Лунная ночь». Но даже не склонные к романтике естествоиспытатели небезразличны к Луне, которая, как оказалось, в целом весьма благотворно влияет на нашу планету.

Нужно признать, что в современном человеке мало осталось того благоговейного чувства, с которым наши предки относились к Луне. Для них она служила мерой многих вещей. Не случайно на санскрите Луна называется «мас», то есть измеритель, не случайно латинское mensis — месяц – тесно связано со словом mensura – мера. Все древние календари работали от «лунного механизма». Наши месяцы и недели – прямые потомки лунного (синодического) месяца и лунных фаз – так называемых четвертей. Возраст Луны в отдельных фазах от момента новолуния следующий:

первая четверть…….7 суток

полнолуние……….15 суток

последняя четверть……22 суток

Смена лунных фаз вызвана изменением взаимного расположения Луны и Земли при их движении относительно Солнца. Угловое расстояние между направлениями Луна – Земля и Луна – Солнце принято называть фазовым углом. Это один из важнейших параметров в фотометрических исследованиях Луны (см. главу 2). Полный цикл смены лунных фаз называют синодическим месяцем; его продолжительность (29,53 сут.) немного больше периода обращения Луны вокруг Земли (сидерический месяц, 27,32 сут.), поскольку сама система Земля-Луна обращается вокруг Солнца. Период вращения Луны вокруг оси равен периоду ее обращения вокруг Земли, поэтому Луна всегда повернута к Земле одной стороной.

Рис. 1.5. Фотографии Луны в различных фазах: 1 – молодая Луна (лунный серп, полумесяц), своей выпуклой стороной он всегда обращен в сторону Солнца; 2 – первая четверть; 3 – растущая Луна; 4 – полнолуние; 5 – убывающая Луна; 6 – последняя четверть.

Спустя несколько дней после новолуния вечером на западе виден яркий лунный серп. В это время, приглядевшись, можно заметить слабое свечение темной части лунного диска, так называемый пепельный свет Луны: это солнечный свет, отраженный дневным полушарием Земли, слабо освещает темную сторону Луны. Впрочем, этот свет не очень-то слаб: полная Земля освещает Луну примерно в 60 раз сильнее, чем полная Луна освещает ночную Землю. Фактически на видимой стороне Луны не бывает темных ночей. Даже в отсутствие Солнца там можно гулять, читать и работать при свете Земли. Этим видимая сторона выгодно отличается от обратной. Хотя для астрономов по этой же причине привлекательна именно обратная сторона Луны.

Вокруг своей оси Луна вращается с постоянной скоростью, а вот вокруг Земли она обращается по эллиптической орбите неравномерно: в перигее – быстрее, в апогее – медленнее. К тому же экваториальная плоскость Луны наклонена к плоскости ее орбиты в среднем на 6° 41′. А кроме этого, сам наблюдатель движется в результате вращения Земли. Все это приводит, с точки зрения земного наблюдателя, к небольшим видимым покачиваниям Луны по долготе и широте, так называемым либрациям. В результате либраций земной наблюдатель в течение месяца может увидеть почти 60 % площади лунного шара. Но оставшиеся 40 % с Земли не видны никогда.

Рис. 1.6. Последовательные положения Земли и Луны на своих орбитах и соответствующие им фазы Луны с точки зрения земного наблюдателя.

В течение года высота Луны над горизонтом в наших средних широтах заметно меняется: зимой она поднимается значительно выше, чем летом. Вызвано это тем, что Луна перемещается вблизи эклиптики, наклоненной к небесному экватору на 23,5°. Поэтому в фазе полнолуния, когда положения на небе Луны и Солнца противоположны, Луна видна на 23,5° выше экватора зимой и ниже его – летом. К этому добавляется еще небольшой наклон лунной орбиты к эклиптике, примерно на 5°, так что полный размах в высоте Луны над горизонтом достигает у нас ±29°. Отчасти именно этим объясняется известная погодная примета «Луна на небе – к морозу». Летом полная Луна видна недолго, поздно восходит и рано заходит за горизонт, да и поднимается невысоко. Поэтому летом мы ее почти не видим. Зато зимой Луна видна всю ночь и стоит высоко в небе. Прибавьте к этому тот факт, что в ясную ночь, когда Луна видна, земля и воздух быстро остывают из-за потерь тепла в виде инфракрасного излучения. Вот вам и научное объяснение народной приметы.

Еще несколько цифр, характеризующих Луну. Размер Луны почти вчетверо меньше земного. Площадь поверхности лунного шара составляет всего 7,4 % поверхности Земли, то есть незначительно превышает площадь Африканского материка. Сила тяжести на Луне в 6 раз меньше, чем на Земле; это сильно облегчает разведку ее поверхности автоматическими и пилотируемыми экспедициями. Вторая космическая скорость на поверхности Луны 2,4 км/с; именно с такой скоростью падает на нее исследовательский зонд при неуправляемом спуске. Скорость спутника на низкой круговой окололунной орбите 1,7 км/с; именно такую скорость должен набрать взлетающий с Луны аппарат, чтобы выйти на промежуточную орбиту, а чтобы с нее отправиться к Земле, ему придется еще добавить 0,7 км/с. Взлет с Луны облегчается отсутствием у нее атмосферы, но посадка на Луну по этой же причине затруднена: невозможно использовать парашют.

Стоя на ровной поверхности Земли, например на берегу океана, мы видим горизонт примерно на расстоянии 5 км. На Луне же до линии горизонта всего 2,6 км, хотя найти там ровное место труднее, чем на Земле. Близость горизонта затрудняет радиосвязь на больших расстояниях, ведь на отражение радиоволн от ионосферы рассчитывать не приходится. Вообще отсутствие атмосферы осложняет работу на лунной поверхности: требуется защита от солнечного ультрафиолета, космических лучей и микрометеоритов. Не приходится рассчитывать на воздух как на охлаждающий агент, не говоря уже о дыхании. К тому же почти отсутствует рассеянный свет, отчего пейзаж выглядит очень контрастным. В верхнем слое грунта велики суточные перепады температуры: от +(100…120) °С днем до – (150…170) °С ночью. Но лунный реголит – очень хороший теплоизолятор. На глубине более 1 метра ниже поверхности суточные колебания температуры почти не ощущаются: там постоянно -40 °C в средних широтах и -25 °C в районе экватора. Но на полюсах значительно холоднее. Сезонных колебаний «погоды» на Луне нет, поскольку ее экватор лежит практически в плоскости эклиптики, то есть максимальная высота Солнца над горизонтом в течение года не меняется.

Таковы суровые условия на лунной поверхности. Тем не менее приятно то, что эта поверхность оказалась достаточно твердой для работы на ней автоматов и человека; ведь накануне космической эры поверхность Луны представлялась некоторым исследователям как толстый слой пыли, способный поглотить любого, рискнувшего опуститься на него.

1.3. Луна как объект астробиологии

Астрономы полагают, что невидимое полушарие Луны по своему устройству совершенно сходно с видимым… Но что если атмосфера существует именно на той стороне? Что если воздух и вода породили жизнь на этих материках? Что если там еще существует растительность? Что если благодаря всем этим условиям там живет и человек? Сколько интересных вопросов можно было бы разрешить, если бы хоть одним глазком взглянуть на невидимое полушарие! Сколько загадок было бы разгадано на основании подобных наблюдений! И какое было бы наслаждение хоть мельком полюбоваться миром, доселе скрытым от человеческих взоров!

Из всех небесных светил только Луна в течение тысячелетий демонстрировала людям свой явный планетный облик; все остальные планеты выглядели как звезды. Появление телескопа и обнаружение с его помощью гор и долин на Луне только укрепило мнение о ней как о месте, подобном Земле. Издревле люди «населяли» Луну душами умерших, а в XV–XVIII вв. появилось немало книг с фантазиями о путешествиях с Земли на Луну и о возможных обитателях Луны – селенитах (от греч. selene, луна).

Улучшение качества телескопов и внимательное изучение с их помощью лунной поверхности, с одной стороны, указало на отсутствие у Луны плотной атмосферы и открытых водных поверхностей, а с другой – выявило множество интересных мелких деталей лунной топографии, например извилистых узких долин, напоминающих речные русла. Чем более мелкие детали становились доступными телескопу, чем большее число наблюдателей напрягало свое зрение в поисках интересных образований на Луне, тем больше было… ошибок и заблуждений. Например, немецкий врач и астроном Франц Паула фон Груйтуйзен (1774–1852) заявил, что 12 июля 1822 г. в центре видимого полушария Луны, под кратером Шрётер, он наблюдал систему прямолинейных стен, расположение и сложность которых внушила ему мысль, что это творение разумных существ. Опубликованное на страницах ежедневных газет, это сообщение разрослось в фантастические рассказы о военных укреплениях, о городе, обнесенном стеной, и все, имевшие зрительные трубы, пытались отыскивать предполагаемые крепости. И действительно их «находили». Первым подтвердил сообщение Груйтуйзена князь Меттерних в Вене, вторым – профессор Боненбергер, а третьим стал известный астроном-любитель Генрих Швабе, по профессии фармацевт, известный тем, что несколько десятилетий регулярно наблюдал Солнце и открыл периодичность количества солнечных пятен. Как видим, даже столь опытные наблюдатели оказались жертвой самообмана. Как пишут Клепешта и Лукеш (1959), «здесь мы имеем доказательство того, как люди могут быть введены в заблуждение и как, основываясь на одном наблюдении, делают совсем не обоснованные выводы».

В 1826 г. Груйтуйзен стал профессором астрономии Мюнхенского университета, а в 1836 г. вышла в свет его книга под названием «Естественная история звездного неба». В ней он рассказывал невероятные вещи – например, что видел на Луне не только укрепления и дороги, но даже звериные тропы, что замечал большие караваны обитателей обратной стороны, движущиеся на место, откуда можно было наблюдать великую луну, то есть нашу Землю. Кстати, обратная сторона Луны, недоступная земному наблюдателю, позволяла некоторым фантазерам «строить замки на песке». В то время как видимая сторона очевидно была безводной и безвоздушной, обратную сторону некоторые считали гораздо более похожей на Землю. Предполагалось, что она напоминает собой болотистые джунгли. Понятно, что жизнь в таких условиях могла процветать.

Если Груйтуйзен верил в существование жизни на Луне, то он был более чем убежден в существовании жизни на Венере. «В те времена уже хорошо было известно, что Венера по своим размерам и массе почти ничем не отличается от Земли. Астрономы знали, что Венера, вращающаяся вокруг Солнца по меньшей орбите, чем земная, должна быть теплее Земли.

Климат и растительность на этой планете должны быть похожи на климат и растительность наших тропиков. Пепельный свет на не освещенной Солнцем Венере Груйтуйзен объяснял как результат «иллюминации во время всеобщего фестиваля в честь восхождения нового императора на трон планеты». Подумать же о явлениях, подобных нашим северному и южному полярным сияниям, было для Груйтуйзена чем-то уж слишком простым» (Лей, 1961, с. 29).

Рис. 1.7. Франц Паула фон Груйгуйзен

Быть может, профессор Груйтуйзен таким оригинальным образом пытался привлечь внимание студентов к астрономии? Современники считали Груйтуйзена «упорным, но некритическим наблюдателем». Вероятно, он был последним из профессиональных ученых, подозревавших разумную жизнь на Луне. А вот о Венере еще не менее 100 лет у астрономов сохранялись совершенно неверные представления.

Отметим, что интерес к Луне в первой половине XIX в. был всеобщим. В поисках сенсаций этим не преминули воспользоваться газетчики. В 1835 г. Ричард А. Локк начал публиковать в «New York Sun» сообщения, якобы полученные им от Джона Гершеля, который в это время в Южной Африке изучал небо при помощи большого рефлектора своего славного отца. Локк весьма детально описывал, каких чудовищ с крыльями летучих мышей видел Гершель на Луне. Нужно признать: мистификация удалась, тираж газеты возрос невероятно. Вообще, в те годы подобные проделки журналистов были в порядке вещей. Многие люди верили этим причудливым рассказам, как теперь часто верят в рассказы об НЛО. Впрочем, газетные фантазии об обитателях Луны и Марса спустя некоторое время переросли в соответствующий литературный жанр, и читатели с удовольствием стали следить за фантастическими приключениями героев Герберта Уэллса («Первые люди на Луне»), Алексея Толстого («Аэлита»).