Глава 20
Огромный скачок для… лунатиков
ЧЕЛОВЕЧЕСТВО ВСЕГДА ПОНИМАЛО, как важна Луна. Она частенько светит нам по ночам, что бывает крайне полезно. Кроме того, она изменяется, а в небесах редко что меняется. Некоторые верят, что там до сих пор живут наши предки. Последнее утверждение вряд ли выдержит экспериментальную проверку, но в целом люди не ошибаются. Луна протянула к нам свои невидимые щупальца – гравитацию и свет. Она даже может быть нашим защитником в определенных обстоятельствах.
Волшебники не зря беспокоятся о том, что забыли дать Круглому миру луну, хотя они, как обычно, беспокоятся вовсе не о том, о чем следует.
Луна – спутник Земли: мы кружимся вокруг Солнца, а Луна кружится вокруг нас. Она находится там давным-давно, и исподволь, как бы незаметно, выполняет множество различных дел. Луна притягивает к себе людей точно так же, как и черепашат, главным образом она делает это, вызывая приливы. У нее есть и иные, менее очевидные способы продемонстрировать нам свою власть. Существует множество поверий, связанных с Луной, хотя большая их часть с научной точки зрения довольна спорна. Например, женский менструальный цикл повторяется примерно каждые четыре недели, то есть приблизительно столько же, сколько требуется Луне, чтобы обогнуть земной шар. Кстати, обратите внимание, что слово «месяц» – это еще одно название Луны. Согласно распространенному суеверию, это совпадение не случайно (отсюда проистекает народное название менструации – «месячные»). В общем, Луна – это воплощенная предсказуемость, она надежна, как дата Рождества, чего никак нельзя сказать о менструальном цикле. А еще под Луной приятно вздыхать, сидя на скамейке, когда ты влюблен… Другой укоренившийся предрассудок утверждает, что во время полнолуния люди сходят с ума, а некоторые особо к тому предрасположенные индивидуумы даже превращаются в волков.
Так, легенда о вервольфах лежит в основе романа «К оружию! К оружию!». Большую часть времени констебль Ангва, служащая в страже Анк-Морпорка, – это фигуристая платиновая блондинка. Однако едва на небе появляется полная луна, она тут же превращается в волчицу, которая может почуять цвет предмета и играючи перекусить чью-нибудь яремную вену. Из-за этих небольших отклонений у Ангвы не заладилось с личной жизнью: «Отрастающие каждое полнолуние клыки и шерсть были непростой проблемой. Несколько раз в прошлом она думала, что вот наконец-то ей повезло… но потом оказывалось, что немногим мужчинам нравится поддерживать отношения с женщиной, которая вдруг обрастает шерстью и начинает выть на луну». По счастью, эти ее периодические трансформации не смутили лейтенанта Моркоу. Ему нравятся девушки, получающие удовольствие от длительных ночных прогулок.
Луна – весьма необычна, и вполне вероятно, что, не будь ее, не было бы и нас. Не потому, правда, что влюбленным негде было бы вздыхать, они бы нашли подходящее местечко. Луна защищает Землю от неблагоприятных воздействий, которые в противном случае помешали бы появлению жизни на планете, или по крайней мере заморозили бы ее развитие на уровне примитивных форм. Луна необычна не потому, что она – спутник: луны имеются у всех планет Солнечной системы, за исключением Меркурия и Венеры. Но наша Луна отличается от них тем, что она – большая по сравнению с матушкой-Землей. Лишь спутник Плутона Харон, открытый в 1978 году Джимом Кристи, имеет аналогичный размер относительно своей планеты. Так что выражение «Мы живем на половинке двойной планеты» отчасти оправданно.
Мы знаем, что Луна по всем своим параметрам сильно отличается от Земли. Гравитация Луны слабее, и если бы у нее была атмосфера, она не смогла бы ее удерживать. Так что сейчас никакой атмосферы там нет. Поверхность Луны – это сплошной камень, покрытый каменной же пылью. Морей нет, поскольку вода, испаряясь, тоже легко преодолевает ее гравитацию. Впрочем, в 1997 году НАСА обнаружило заметное скопление водяного льда на лунных полюсах, в тени кратеров, куда не достигают лучи Солнца. Это хорошая новость для будущих лунных колоний, которые станут базой для дальнейшего исследования Солнечной системы. В самом деле, начинать такую миссию лучше всего с Луны, для старта с которой космическим кораблям потребуется намного меньше топлива. Чего не скажешь о Земле, сила притяжения которой гораздо больше. Выбрать столь неудобное место для эволюционирования… Это так характерно для нас, людей!
Но как же появилась Луна? Может, сформировалась из первичного газопылевого облака вместе с Землей? Или сконденсировалась независимо от нее, а потом была поймана гравитацией планеты? Что такое лунные кратеры? Остывшие вулканы или следы от врезавшихся в Луну небесных тел? О Луне мы знаем намного больше, чем о других объектах Солнечной системы, потому что мы там были. В апреле 1969 года Нил Армстронг шагнул на ее поверхность, пробормотал несколько слов и… вошел в историю. С 1968 по 1972 год десять американских кораблей из серии «Аполлон» слетали к Луне и обратно. При этом «Аполлоны» 8, 9 и 10-й вообще не были приспособлены к посадке. «Аполлон-11» совершил первое прилунение, а 13-й сесть не смог, взорвавшись в полете и став протагонистом замечательного фильма.
«Аполлоны» под номерами с 11 по 17-й совершили посадки и вернулись на Землю, доставив в общей сложности 800 фунтов (400 кг) лунного грунта. Бо́льшая его часть находится в Хьюстоне, в лаборатории Космического центра имени Линдона Джонсона НАСА. Значительная часть лунного грунта никогда серьезно не анализировалась, однако те образцы, которые исследовались, дали нам множество сведений о происхождении и природе Луны.
Луна находится от Земли на расстоянии примерно в четверть миллиона миль (400 000 км). В среднем ее плотность чуть меньше, чем у Земли, и приближается по значению к плотности земной мантии, – вполне возможно, это не случайное совпадение. Несмотря на незначительные колебания, Луна всегда повернута к Земле одной и той же стороной. Темные пятна на ее поверхности называются «морями», хотя никакие это не моря, конечно, а просто пыльные каменные равнины, бывшие когда-то потоками жидкой лавы, вытекшей из вулканов. Почти все кратеры являются следами от врезавшихся в Луну метеоритов. Их великое множество, потому что в космосе – великое множество камней, а у Луны нет атмосферного щита, в котором они сгорали бы от трения. Нет на Луне и климатических явлений, воздействие которых могло бы сровнять кратеры с поверхностью. Тогда как земная атмосфера прекрасно нас защищает, хотя геологи отыскали 160 ударных кратеров, что весьма интересно, поскольку они исчезают в результате эрозии под действием ветра и дождя. Мы еще к ним вернемся, когда будем писать о динозаврах.
Сейчас Луна всегда обращена к нам одной стороной. Это означает, что период ее обращения вокруг своей оси составляет один месяц, то есть ровно столько, сколько ей требуется для одного оборота вокруг Земли. (Если бы Луна вообще не вращалась, она всегда бы смотрела в одну сторону, но не по отношению к Земле. Представьте, что кто-то ходит вокруг вас по кругу, все время глядя, скажем, на север. Он не всегда будет оказываться к вам лицом, напротив, вы сможете рассмотреть этого человека со всех сторон.) Однако Луна не всегда была обращена к Земле одной стороной. За сотни миллионов лет приливные силы замедлили вращение и Луны, и Земли. Когда вращение Луны синхронизировалось с ее обращением вокруг Земли, система наконец стабилизировалась. Прежде Луна находилась немного ближе к Земле, но с течением времени она отодвинулась подальше.
В период между XVII и XX веком были сформулированы три теории происхождения Луны, последовательно входившие в моду и забывавшиеся. Сторонники первой считали, что Луна образовалась в одно время с Землей, в процессе конденсации газопылевого облака, сформировавшего Солнечную систему (Солнце, планеты, их спутники – словом, все одним махом). Но, как и остальные теории происхождения Солнечной системы, эта «срезалась» на угловом моменте: Земля, как и Луна, вращается слишком быстро, чтобы считать Луну порождением газопылевого облака. (Заметим, ранее мы ввели вас в заблуждение, утверждая, что теория газопылевого облака объясняет происхождение спутников. Она объясняет происхождение большинства из них, но вовсе не нашей загадочной Луны. Сейчас пришло время отложить в сторону «враки детям» – вы уже готовы к следующему уровню сложности.)
Вторая теория считает Луну куском, отколовшимся от Земли в те времена, когда планета была совершенно расплавленной и вращалась много быстрее. Эта отправилась в мусорное ведро потому, что никто так и не смог объяснить, каким путем что-то, хотя бы отдаленно соответствующее Луне, может отделиться от вращающейся расплавленной Земли, даже если подождать, пока все это немного остынет.
Согласно третьей теории, Луна сформировалась в другой области Солнечной системы и блуждала себе, пока не попала в гравитационный захват Земли. Эта точка зрения была очень популярной, несмотря на то что гравитационный захват – чрезвычайно тонкая операция: представьте, что вы должны так ловко стукнуть по мячику для гольфа, чтобы он стал вращаться по краю лунки. Обычно же или мячик падает внутрь (то есть Луна сталкивается с Землей), или, к огорчению гольфиста, на миг попадает внутрь, а потом вылетает обратно (Луна уходит, вырвавшись из гравитационного захвата).
Образцы породы, доставленные «Аполлонами», лишь подлили масла в огонь тайны происхождения Луны. По некоторым характеристикам, лунные камни похожи на земные. Если бы они были похожи больше, можно было бы сделать вывод об общности их происхождения, и мы могли бы под иным углом взглянуть на теорию, согласно которой оба небесных тела сконденсировались из одного и того же пылевого облака. Однако лунные камни похожи только на земную мантию. Современная концепция, сформулированная в 80-х годах прошлого века, полагает, что Луна – это осколок земной мантии, отделившийся от нее не в процессе вращения, а в результате того, что около четырех миллиардов лет назад ее задело гигантское небесное тело, сравнимое по размеру с Марсом. Компьютерные расчеты показывают, что подобное столкновение при определенных условиях может оторвать от Земли большой кусок мантии и словно бы размазать ее в окружающем пространстве. На все про все потребуется около 13 минут. (Классные у нас компьютеры, не правда ли?) Затем выброшенная расплавленная мантия начинает собираться в кольцо камней различных размеров. Некоторые из них конденсируются в огромные глыбы, своеобразную прото-Луну, к которой быстро притянется большая часть остальных камней. Излишки тоже не исчезают так просто, но в течение ста миллионов лет почти все врезаются в Луну или Землю, притянутые их гравитацией.
Первые модели, пытавшиеся доказать эту теорию, имели один общий недостаток: в частности, для получения реального углового момента Луны они датировали столкновение очень ранними этапами формирования Земли. Но если бы катастрофа произошла так давно, то и Луна аккумулировала бы в результате дальнейших столкновений большое количество железа, как это случилось с Землей. Но ни на поверхности Луны, ни в ее недрах железа почти нет. Позднейшие работы показали, что и более поздняя датировка времени столкновения может сохранить нужный угловой момент Луны и избежать этой проблемы. Согласно им, около 80 % врезавшегося в Землю небесного тела должно было стать Луной. Для того чтобы Луна походила на земную мантию, это гипотетическое тело также должно было обладать мантией, подобной наземной.
Однако такое направление уводит в сторону, потому что сама теория столкновения создавалась в первую очередь для объяснения сходства двух небесных тел. Любая теория, требующая объяснения того, почему «нападавший» был похож на земную мантию, типа «небесное тело сформировалось на том же расстоянии от Солнца, что и Земля», может быть с успехом применено и к самой Луне без привлечения дополнительных сущностей. Может быть, и Луна, и земная мантия были вырваны чем-то откуда-то еще в результате какого-то другого столкновения.
Поскольку на Земле имеется такой феномен, как погода (а в ее прошлом вот уж была погода так погода!), все ударные кратеры подверглись эрозии и исчезли. На Луне погодных явлений нет, и почти все лунные кратеры остались на своих местах. Привлекательность этой теории еще и в том, что она одним ударом объясняет все странности Луны: сходство с земной мантией; тот факт, что четыре миллиарда лет назад, судя по всему, ее поверхность резко и сильно нагрелась; наличие кратеров; размер, вращение, даже «моря», образовавшиеся в результате медленного охлаждения прото-Луны. На ранних этапах своего существования Солнечная система была не слишком приятным местом.
В общем, неудавшееся «солнце» Декана может вполне еще пригодиться…
Мы точно знаем пару-тройку способов, с помощью которых Луна влияет на земную жизнь, а вполне возможно, существует еще десяток, о которых мы пока имеем весьма смутное представление.
Наиболее очевидное влияние Луны на Землю выражается в приливах и отливах, повергших наших волшебников в ступор. Как часто случается в науке, происхождение приливов не так просто, как можно решить исходя из элементарного здравого смысла. Здравый смысл утверждает, что гравитация Луны притягивает Землю, особенно ту ее часть, которая расположена ближе к Луне. Когда в этой части располагается суша, ничего особенного не происходит, но когда там находится вода, занимающая более половины поверхности Земли, то она начинает подниматься. Такое объяснение – всего лишь очередные «враки детям» и не соответствует реальности. Оно подводит нас к мысли, что прилив начинается тогда, когда Луна находится прямо у нас над головой, ну, или по крайней мере в наивысшей точке своей орбиты. Получается, что прилив должен происходить каждый день или, точнее, каждые 24 часа 50 минут, если принять во внимание, что система Земля – Луна все-таки несколько сложнее.
Между тем приливы происходят дважды в день с интервалом в 12 часов 25 минут. То есть в точности вдвое чаще.
И это еще не все: притяжение Луны на поверхности Земли составляет всего лишь одну десятимиллионную от гравитации самой Земли, а притяжение Солнца – около половины. Даже если сложить вместе эти две силы, их не хватит для того, чтобы поднять всю массу воды на высоту 70 футов (21 м), а именно такова высота самого большого прилива, происходящего в заливе Фанди между Новой Шотландией и Нью-Брансуиком.
До тех пор, пока Исаак Ньютон не открыл закон всемирного тяготения и не сделал необходимые расчеты, правдоподобное объяснение приливов совершенно ускользало от человечества. Впоследствии его идеи были усовершенствованы, однако основу заложил именно он.
Отбросим для простоты все, кроме Земли и Луны, и предположим, что Земля полностью состоит из воды. «Водяная» Земля вращается вокруг своей оси, на нее оказывает влияние центробежная сила, и вода будет скапливаться в районе экватора. Но кроме центробежной, на нее будут оказывать влияние еще две силы: земная гравитация и лунная.
Форма, которую принимает вода под воздействием всех этих сил, определяется свойствами жидкости. В нормальных обстоятельствах поверхность воды горизонтальна, ведь в противном случае вода, расположенная выше, просто стечет вниз. То же самое происходит и под воздействием дополнительных сил: поверхность воды располагается под прямым углом к точному направлению объединенных сил.
Если рассмотреть в деталях все три силы, то станет понятно, что вода принимает форму элипсоида, форма которого близка к форме сферы, но слегка вытянутой, причем вытянется она в направлении Луны. Центр элипсоида совпадает с центром Земли, то есть вода «встает на дыбы» не только на ближнем к Луне полушарии, но и на противоположном. Такое изменение формы только частично обусловлено влиянием лунной гравитации, притягивающей к себе близкорасположенную воду. В действительности движение происходит по большей части в стороны, а не вверх. Эти сторонние силы выталкивают воду в одни области Мирового океана, забирая ее в других. Общий эффект почти незаметен, поверхность воды поднимается и опускается всего на 18 дюймов (50 см).
Побережье, где море встречается с сушей, создает гораздо большие приливно-отливные движения. Бо́льшая часть воды движется вдоль (а не вверх), и ее движение обусловлено формой побережья. В некоторых местах вода попадает в узкие проливы и поднимается там намного выше, чем в других. Именно это происходит в заливе Фанди. Эффект усиливается тем, что прибрежные воды неглубоки, и вся энергия, перемещающая воду, концентрируется в тонком ее слое, создавая быстрые и хорошо заметные движения.
Теперь вернем в нашу модель Солнце. Его воздействие такое же, как и Луны, только вдвое слабее. Когда Солнце и Луна выстраиваются в одну линию с Землей (если они находятся по одну сторону Земли, то у нас будет новолуние, если по разные – полнолуние), их гравитационное воздействие увеличивается. Это приводит к так называемому сизигийному приливу, когда прилив намного выше обычного, а отлив – ниже. Несмотря на то, что в английском языке подобный прилив называется «весенним», ничего общего со временем года он не имеет. Когда же Солнце и Луна образуют прямой угол с Землей, мы видим половинку Луны, сила притяжения Солнца частично компенсируется. Возникает так называемый квадратурный прилив, при котором приливы и отливы меньше обычных. (Намека на существование квадратурного времени года тоже, вероятнее всего, нет.)
Таким образом, если учесть все эти эффекты и вспомнить о прошлых приливах, можно предсказывать время высоких и низких приливов, а также высоту подъема воды в любом месте Земли.
Процессы, аналогичные приливам, наблюдаются и в земной атмосфере, и на суше (в первом случае – больше, во втором – меньше). Приливные эффекты возникают и на других объектах в Солнечной системе и за ее пределами. Считается, что спутник Юпитера Ио, поверхность которой в основном состоит из серы и где имеются многочисленные вулканы, нагревается в результате повторяющегося сжатия приливными силами Юпитера.
В середине 90-х годов Жак Ласкар открыл еще одно воздействие Луны на Землю: стабилизацию земной оси. Земля вращается как волчок, и в каждый конкретный момент через ее центр можно провести прямую, вокруг которой она вращается. Эта прямая называется осью. Земная ось ориентирована наклонно относительно плоскости ее вращения вокруг Солнца. Именно этот наклон вызывает смену времен года. Временами Северный полюс оказывается ближе к Солнцу, чем Южный, а через полгода они меняются местами. Когда северный конец оси наклонен в сторону Солнца, на Северное полушарие попадает больше солнечного света, чем на Южное, то есть на севере наступает лето, а на юге – зима. Шесть месяцев спустя, когда ось наклоняется в другую сторону относительно Солнца, времена года меняются.
В течение существенно более длительных периодов времени земная ось получает новую ориентацию. Вроде того, как раскачивается крутящийся волчок, при раскачивании Земли примерно за 26 тысяч лет ее ось делает полный оборот. При этом ось всегда сохраняет наклон в 23° к плоскости, перпендикулярной орбите. Это медленное движение называется прецессией, и оно оказывает небольшое влияние на смену времен года: за те самые 26 тысяч лет она смещается на один год. В общем, ничего особенного, учитывая, что большинство других планет, кроме того, меняют угол к плоскости орбиты. Например, Марс, похоже, меняет угол наклона на 90° каждые 10–20 миллионов лет, что вызывает резкие изменения климата на нем.
Предположим, что ось планеты находится под прямым углом к плоскости ее орбиты. В этом случае смены времен года не будет вообще, и везде, за исключением полюсов, день будет равен ночи. Теперь наклоните немного ось, и тут же появятся смены времен года, а дни станут длиннее летом и короче зимой. Предположим, что ось наклонена на 90°, так что в какой-то момент Северный полюс указывает прямо на Солнце. Полгода спустя на него будет направлен Южный полюс. На обоих полюсах день и ночь будут длиться по шесть месяцев, а смена времен года – совпадать со сменой дня и ночи. Полушария планеты поочередно то полгода поджариваются на Солнце, то замораживаются. Хотя жизнь и может сохраниться в таких условиях, но вопрос о возможности ее возникновения встает ребром. Живые организмы оказались бы чересчур уязвимы для резких перепадов климата, вулканической активности и падений метеоритов.
В течение очень длительных периодов времени, намного превышающих цикл прецессии, земная ось может изменять угол своего наклона, но даже за сотни миллионов лет угол остается почти одинаковым. Почему? Согласно расчетам Ласкара, устойчивость земной оси поддерживается Луной. Так что вполне можно полагать, что жизнь на Земле многим обязана ее небесной сестрице, даже если некоторых она и сводит с ума.
Еще одно воздействие Луны было открыто в 1998 году. Оказалось, что существует четкая связь между приливами и скоростью роста деревьев. Эрнест Цюрхер и Мария-Джулия Кантиани измеряли диаметры стволов молодых елей, выращенных в теплицах при постоянном освещении. За период наблюдений они изменялись синхронно приливам. Ученые объяснили этот феномен воздействием лунной гравитации на перемещение соков в стволе. Объяснить подобные колебания влиянием лунного света на процесс фотосинтеза нельзя, так как деревья выращивались при искусственном освещении. Эффект может быть аналогичен тому, который происходит с существами, живущими на берегу моря. Эволюционируя в таком месте, они учатся реагировать на приливы. Эволюция достигает этого путем возникновения внутренней динамики, идущей в ногу с приливами. Если вы перенесете такое существо в лабораторные условия, его внутренняя динамика продолжит следовать за приливами.
Луна выполняет еще одну важную роль. Вавилоняне и древние греки уже знали, что Луна – это шар, потому что смена фаз видна невооруженным взглядом, а небольшие отклонения позволяют людям видеть даже больше, чем половину поверхности Луны. Именно ее большой шар, висящий в небе, а отнюдь не солнечный диск, подсказал нам, что такие «большие шары в небе» куда лучше подходят для описания Земли и ее соседей, чем какие-нибудь «небесные огоньки».
Правда, все это очень далеко и от констебля Ангвы, и даже от женского менструального цикла, однако показывает нам, насколько мы с вами связаны со Вселенной. То, что находится Там Наверху, действительно влияет на нас, находящихся Здесь Внизу, и мы продолжаем чувствовать это всю нашу жизнь.
