Почему Луна меняет форму: фазы Луны

Вечером над горизонтом висит тонкий серп, а через несколько дней на его месте появляется заметно более широкий светлый участок. Кажется, будто кто-то постепенно дорисовывает небесный диск. На самом деле Луна всё время сохраняет шарообразную форму, включая часть, которая не видна ярко освещённой. Меняется геометрия: куда падает солнечный свет и с какой стороны мы смотрим на спутник.

Это простое объяснение связывает несколько знакомых явлений. Оно показывает, почему полная Луна обычно заметна всю ночь, почему молодой серп встречается вечером и почему обычное убывание не является затмением. Фазы позволяют читать движение небесных тел прямо по виду ночного неба, если различать форму Луны и форму освещённого участка.

1Откуда берётся лунный свет

Луна видна главным образом благодаря отражённому солнечному свету. Её каменистая поверхность рассеивает падающее излучение, и часть этого света достигает Земли. Спутник не светит подобно звезде: за привычной яркостью лунного диска стоит освещение от Солнца.^[1] Место Луны в общей небесной семье помогает представить статья Планеты Солнечной системы по порядку.

В обычных условиях Солнце освещает приблизительно половину лунного шара. На второй половине в это время ночь. Граница между освещённой и тёмной поверхностью называется терминатором. Мы видим её проекцию на лунный диск, поэтому она может выглядеть дугой или линией, разделяющей видимый круг на две части.

Есть важное различие между тёмным участком и обратной стороной. Обратной называют сторону, в основном отвёрнутую от Земли; она тоже получает солнечный свет. Ночная половина определяется направлением на Солнце и постепенно перемещается по поверхности. Это разные способы разделить один шар, которые не следует смешивать.

На тонком серпе иногда различим слабый контур остального диска. Его освещает солнечный свет, сначала отражённый Землёй, а затем лунной поверхностью. Такое явление называют пепельным светом. Тёмная часть поэтому может быть заметна, хотя прямой солнечный свет ещё не освещает её для земного наблюдателя.

2Три тела и один меняющийся ракурс

Луна обращается вокруг Земли, а Земля вместе с Луной — вокруг Солнца. По мере движения спутника угол между направлениями на Солнце и Луну на земном небе меняется. Наблюдатель видит то небольшую долю освещённой половины, то большую, то почти всю. Эта доля и определяет фазу.^[2]

Полный цикл от одного новолуния до следующего занимает около двадцати девяти с половиной суток. Он длиннее оборота Луны относительно далёких звёзд. Пока спутник движется вокруг Земли, сама Земля успевает продвинуться по солнечной орбите. Луне требуется дополнительное время, чтобы восстановить прежнее расположение относительно направления на Солнце.

Для объяснения достаточно воображаемого светильника и шара, но реальные расстояния гораздо больше размеров тел. Обычная схема с крупной Землёй и соседней Луной показывает взаимные направления, а не точный масштаб. Иначе может возникнуть ошибочное впечатление, будто Земля должна закрывать солнечный свет при каждом обороте спутника.

Время в таблице дано как ориентир, а не расписание. Видимость зависит от широты, сезона, положения орбиты и местного горизонта. Луна также бывает заметна днём: тёмное небо помогает увидеть её, но не является обязательным условием.

3Новолуние, серп и первая четверть

Вблизи новолуния Луна находится на небе примерно в том же направлении, что и Солнце. Основная освещённая половина обращена от нас, поэтому яркого диска обычно не видно. Сам спутник никуда не исчезает: его положение просто делает наблюдение с Земли неудобным, а освещение — почти невидимым.

После новолуния появляется растущий серп. С каждым днём доля освещённого диска увеличивается, и спутник всё дальше отходит на небе от направления на Солнце. Молодая Луна обычно видна в вечерней части неба. Слова «растущая Луна» относятся к освещённой доле, а не к увеличению физического размера небесного тела.

Первая четверть соответствует примерно половине освещённого видимого диска. Название кажется неожиданным: почему четверть, если видно половину? Оно обозначает пройденную часть цикла от новолуния, а не долю площади круга. После этой фазы Луна продолжает расти, становясь выпуклой, пока не приблизится к полнолунию.

4Полный диск и убывание

При полнолунии Земля находится примерно между Солнцем и Луной. С Земли видна почти вся освещённая сторона спутника. Луна расположена на небе в стороне, противоположной Солнцу: поэтому она обычно восходит около заката и заходит около восхода. Точное совпадение с этими моментами не гарантировано.^[3]

Затем освещённая доля уменьшается. Сначала диск остаётся выпуклым, после последней четверти превращается в убывающий серп. В последней четверти снова видна примерно половина круга, но теперь цикл приближается к завершению. Убывающий тонкий серп обычно встречается на утреннем небе перед восходом Солнца.

В Северном и Южном полушариях привычная ориентация фаз различается. Кроме того, положение изображения меняется при повороте камеры или наблюдательного прибора. Поэтому правило о «правой» и «левой» светлой стороне имеет ограниченные условия применения. Надёжное определение опирается на последовательность изменений и взаимное положение Луны и Солнца.

Фаза не объясняет, почему Луна возле горизонта иногда кажется огромной. Это отдельное явление восприятия, известное как лунная иллюзия. Увеличение освещённой доли также не означает пропорционального изменения яркости: свойства поверхности и углы освещения делают эту зависимость сложнее.

5Чем фазы отличаются от затмений

Обычные фазы не возникают из-за земной тени. Ночная половина Луны существует потому, что солнечный свет приходит с одной стороны. Лунное затмение происходит в особой ситуации, когда спутник действительно проходит через тень Земли. Тогда меняется освещение поверхности, которая без затмения была бы видна полной.^[4]

Почему это не случается каждое полнолуние? Плоскость лунной орбиты наклонена к плоскости земной орбиты. Чаще всего при полнолунии Луна проходит выше или ниже земной тени. Для затмения требуется подходящее выравнивание тел около точек пересечения этих плоскостей. Обычный рисунок фазы такого выравнивания не требует.

Солнечное затмение связано с другой тенью: Луна закрывает Солнце для наблюдателей на части Земли. Оно возможно около новолуния, но тоже не при каждом новолунии. Таким образом, фазы повторяются регулярно, а затмения возникают лишь при дополнительном совпадении геометрических условий.

6Что открывается на лунной поверхности

На лунном диске выделяются светлые области и тёмные равнины, традиционно называемые морями. Эти моря не заполнены водой: они представляют собой обширные участки древних вулканических пород. Через телескоп становятся заметны кратеры, горные цепи и другие детали.^[5] История такого взгляда на небо описана в статье Кто изобрёл телескоп и что увидел Галилей.

Возле терминатора рельеф особенно выразителен: низкое над местной поверхностью Солнце создаёт длинные тени. Один кратер в разные фазы может выглядеть совершенно по-разному, хотя его форма за несколько дней не изменилась. При полнолунии многие тени сокращаются, и рисунок поверхности становится более плоским на вид.

Луна обращена к Земле преимущественно одной стороной, поскольку время её вращения вокруг оси совпадает со временем обращения вокруг Земли. Небольшие изменения видимого ракурса позволяют постепенно увидеть немного больше половины всей поверхности.^[6] Фотографии сохраняют эти различия; принцип регистрации света объясняет статья Как работает цифровая камера.

Цикл фаз легко спутать с годовым циклом, если связывать оба только со словом «периодичность». Но Почему меняются времена года описывает другой механизм — изменение освещения Земли из-за наклона её оси. Лунные фазы показывают ракурс освещённого спутника. Два знакомых небесных ритма создаются разными геометрическими причинами.

7См. также

• Планеты Солнечной системы по порядку
• Кто изобрёл телескоп и что увидел Галилей
• Как работает цифровая камера
• Почему меняются времена года