научная статья по теме ВЛИЯНИЕ СЖАТИЯ ЗЕМЛИ НА ФИЗИЧЕСКУЮ ЛИБРАЦИЮ ЛУНЫ Астрономия

Текст научной статьи на тему «ВЛИЯНИЕ СЖАТИЯ ЗЕМЛИ НА ФИЗИЧЕСКУЮ ЛИБРАЦИЮ ЛУНЫ»

АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ВЕСТНИК, 2012, том 46, № 5, с. 369-379

УДК 22.654.137р30

ВЛИЯНИЕ СЖАТИЯ ЗЕМЛИ НА ФИЗИЧЕСКУЮ ЛИБРАЦИЮ ЛУНЫ

© 2012 г. Б. П. Кондратьев

Удмуртский государственный университет, Ижевск Главная (Пулковская) астрономическая обсерватория РАН, Санкт-Петербург, Россия

Поступила в редакцию 24.02.2011 г.

Новым векторным методом изучается влияние сжатия Земли на физическую либрацию Луны. С учетом гармоник второго порядка получено выражение момента гравитационных сил, воздействующих на Луну со стороны сплюснутой Земли. Члены этого выражения выстроены по порядку величины. Вклад от сферически симметричной Земли оказывается в 1.34 х 106 раз больше типичного члена, учитывающего сплюснутость. Дана линеаризованная система уравнений Эйлера, описывающих вращение Луны с учетом действия гравитационных внешних сил. Найдено полное решение дифференциального уравнения для либрации Луны в долготе. В это решение входят как ранее изученные нами произвольные и вынужденные гармоники колебаний (возмущения от сферически симметричной Земли и Солнца), так и новые гармоники от сжатия Земли. Поставлена и решена задача спин-орбитального движения об ориентации оси вращения Земли относительно осей инерции Луны при нахождении последней в произвольной точке орбиты. Выяснено, что оси вращения Земли и Луны становятся компланарными, когда Луна на орбите имеет эклиптическую долготу Ь; = 90° или Ь; = 270°. Правило компланарности дополняет известные законы Кассини движения Луны при учете собственных вращений в системе Земля—Луна. Учет влияния сжатия Земли на либрацию Луны в долготе приводит к появлению гармоники с амплитудой 0.03" и периодом Т8 = 9.300 юл. л. Эта амплитуда превышает самую заметную гармонику от Солнца почти в 2.7 раза. Влияние сжатия Земли на вариацию спиновой угловой скорости Луны оказывается незначительным.

ВВЕДЕНИЕ

В небесной механике изучение орбитального и вращательного движения Луны с полным основанием считается задачей повышенной трудности. На существование эффекта физической либрации Луны указал Ньютон и над теорией этого явления в "золотой" век небесной механики трудились Эйлер, Лагранж, Лаплас, Пуассон, Тиссеран, а в наше время — известные иностранные ученые Гартвиг, 1айн, Козиел, Экхард, Мунс (Моутсулас, 1973). Заметный вклад внесли казанские астрономы: А.В. Краснов, Т Банахевич, А.А. Яковкин, И.В. Белькович, А.А. Нефедьев и Ш.Т. Хабибул-лин (Хабибуллин, 1958 и цит. там лит.) создали и обработали уникальные ряды гелиометрических наблюдений и получили более или менее точные значения параметров физической либрации.

Но было бы преждевременно считать, что проблема собственных вращательных колебаний Луны полностью решена. Эти колебания трудны как для наблюдений, так и для теоретического описания. Даже для модели твердой Луны, обращающейся вокруг сферически симметричной Земли, полной теории физической либрации до сих пор нет. В тени остается ряд важных вопросов, и среди них — влияние возмущений от несферичности Земли. По традиции, в задаче о физической либрации Луны (в отличие от теории ее поступательного движения) гравитационными силами вследствие сжатия Земли пренебрегают. Так, в работе (Henrard,

1982) влияние сжатия Земли учитывается только на поступательное движение Луны и, между прочим, говорится, что влияние несферичности на физическую либрацию пренебрежимо мало. Тем не менее, в работах (Eckhardt, 1981; 1982) была сделана попытка учесть несферичность Земли в рамках полуаналитической модели, однако акцент в них был сделан на численном решении уравнений и коллекционировании найденных гармоник, а не на детальной аналитической проработке проблемы. Не учитывалось Экхардом и совместное влияние на спиновое вращение Луны сил от сжатия Земли и возмущений от Солнца. Найденная им единственная гармоника для либрации Луны в долготе

5т = 0.007'' sin Q

(0.(t) — долгота восходящего узла) не дает достоверной картины явления.

Недавно (Кондратьев, 2011) был развит новый, гибкий и информативный векторный подход, позволивший пересмотреть прежнюю теорию физической либрации. В данной работе векторный подход применяется для изучения влияния сжатия Земли на собственные вращательные колебания Луны. Получено аналитическое выражение момента сил, воздействующих на Луну со стороны Земли. Выводится и решается уравнение для либрации Луны в долготе. Учет возмущений на либрацию в долготе от несферичности Земли приводит, в частности, к появлению

Луна

Ф = О

М

Б

■ +

(С - А) (.

2 2 х1 + х2

2x3,)

(1)

менты инерции тела относительно экваториальной и полярной осей.

Считая Землю симметричной относительно оси максимума инерции Ох3, представим ее моделью с потенциалом (1). Введем единичный вектор ю, направленный вдоль оси вращения Земли, а также вектор Б, направленный из центра Земли в пробную точку (рис. 1). Тогда Бю = х3 и потенциал (1) запишем в виде

Земля

Рис. 1. Взаимное расположение Луны и Земли. Объяснения векторов даны в тексте.

заметной гармоники с амплитудой 0.03" и периодом Т8 = 9.306 юл. л. Эта амплитуда, несмотря на очень малое значение момента сил, все же превышает самую заметную гармонику от Солнца в 2.7 раза и при современной точности наблюдений ее следует принимать во внимание. Для выяснения смысла этой гармоники решена задача спин-орбитального движения Луны. Установлено, что оси вращения Земли и Луны становятся компланарными в тот момент времени, когда Луна на орбите имеет эклиптическую долготу Ь£ = 90° или Ь£ = 270°. В ходе расчетов возникает малый знаменатель, который и играет роль в появлении указанной амплитуды гармоники.

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ И НАХОЖДЕНИЕ МОМЕНТА СИЛ

Для изучения собственного вращения Луны необходимо знать момент внешних сил. Здесь ограничимся учетом влияния на Луну гравитационных сил от Земли и Солнца. Но если Солнце как возмущающее тело есть просто материальная точка, то с Землей дело обстоит иначе: вследствие ее близости к Луне нельзя заранее пренебрегать даже такими "мелочами", как отклонение формы Земли от сферы. Влияние такого отклонения мы и хотим выяснить в данной работе.

Внешний гравитационный потенциал тела с вращательной симметрией относительно оси Ох3 может быть разложен в ряд и с точностью до вторых гармоник имеет вид

= О

М®

Б

(С - А)® (Б2 - 3 (Бш)2)'

(2)

Вектор Б зависит от положения пробной точки внутри Луны, именно:

Б = г - И,

(3)

где Я — вектор, соединяющий центры Луны и Земли.

Для упрощения вывода выражения для момента сил разлагаем степени Б по селеноцентрическим координатам пробной точки (т.е. по степеням г) с точностью до членов второй степени:

Б = (Я2 - 2гИ

'/ 2

= я'

г2 - 2 Я2

= Я'

1 + '(г2 -2ги) + п(п-2)(гИ)

Я

(4)

Далее нам понадобятся значения

Б-1 = Я-1

1 -

- 2гИ + 3 (гИ)2

2Я2

2Я4

Б-3 = Я-3

Б-5 = Я -5

^ - 3(г2 - 2гИ) + 15(гИ)2 2Я2 2Я 4

1 - 5 (г2 - 2гИ) + 35 (гИ)2

(5)

2Я4

С учетом формул (5) внешний потенциал Земли (2) принимает вид

Фе = ОМ -

1 + 2гИ - г2 + 3 (гИ)2

Я 2Я

3 (2гИ - г2) 15 (гИ)2

где О — гравитационная постоянная, М — масса тела, (х1, х2, х3) — координаты пробной точки в сиг> I 2 , 2 стеме главных осей инерции, Б = ух1 + х2 + х3 —

расстояние этой точки до центра тела, А и С — мо-

5 (2гИ - г2

(Ига - гга)2 У =

3 (ги)2

2Я3

3 (гИ - г

1 15(гК)2

Я5

2Я'

(Иш)2 + 4 (Кш)М-2Я9 Я5

30 (гК)(Кш)(гш) 3 (гш)2

Я'

Я5

(6)

Как того требует (7), умножим г векторно на градиент потенциала (8). Тогда, в силу очевидного г x г = 0, три члена исчезают, и мы находим:

+ 7 2Я7 г X gradфф = ОМф "г X И + 3 (г X И)( ги) 1_ Я3 Я5

+ 0(С -Л)е (3(г X И) + 15(г X И)^)

Г 2) 2 (Я5 Я7

;(Иш)2 15 (г X И) (Яш)2 105 (г X И) (ги) (Иш)

Я7 Я

6 (г X ш) (Иш) 30 (г X И) (Иш) (гш)

-5--1--7--

Я5 Я7

30 (г X ш)(гК)(Кш) 6 (г X ш)(гш)

Я7

Я

(9)

По определению, момент сил, воздействующих на Луну от Земли, равен

Кф = Ц|(г х gradфф)pdx1dx2dx3,

(7)

Для вычисления вектора момента сил (7) интегрируем теперь выражение (9) по объему Луны. При этом члены, зависящие от г в первой степени, исчезают как нечетные. Остаются члены, которые с точностью до постоянного коэффициента можно записать в общем виде

где р(хь х2, х3) — плотность лунного вещества и радиус-вектор г элемента массы откладывается от центра Луны. Входящий в (7) градиент потенциала фе находим, считая в (6) переменным вектор г. Учитывая вспомогательные формулы для произвольных постоянных векторов a и Ь

grad(гa) = а, grad [(га)(гЬ)] = а(гЬ) + Ь(га),

gradфф = ОМй

А _ X

я3 Я3

3И (ги )

Я5 .

0(С _ Л)@ (3И _ Зг + 15К (ги) _ 2 1Я5 Я5 Я1

2 , - /„ \2 ^.ч/т. \2

15И(Иш)2 15г (Иш)2 _ 105И(ги)(Иш)

-.7 + „7

Я Я Я

6ш(Иш) 30И (гш)(Иш)

+ Я5 + Я7 30ш (гИ) (Иш) 6ш (гш)

(8)

Я'

Я5

(г х а)(гЬ) = (х2а3 - х3а2, х3а1 - х1а3, хха2 -- ха) • (х^ + х2^2 + ХзЬЗ )

(10)

gradr = 2г,

и то, что роль постоянных векторов в (6) играют R и ю, получим:

с постоянными здесь векторами a и Ь. Ориентация системы селеноцентрических координат пока не была фиксирована, и мы принимаем ее связанной с главным осями инерции Луны. Тогда при интегрировании члены, исходящие от х1х2, х1х3, х2х3, пропадают, а интегралы от квадратов координат (моменты инерции относительно главных плоскостей) будут равны:

IОХ2Х3 = Ц|х12р^Х1^Х2^Хз = С + В Л Гц

I Охх = Ц|Х22Р^Х1^Х2^Х3 = •

!охл = Ц|хз2р^Х1^Х2^Хз =

2

Л + С - В

2

В + Л - С

(11)

Здесь и ниже А, В, С (без индексов) — главные моменты инерции Луны относительно осей. Результат интегрирования общего выражения (10) имеет вид

Л|(г X а)(гь)р^х1^х2^хз = Iохх (0, -азЪъ аЪ) +

+ 1Ох1х3 (а3Ъ2,0,-а1Ъ2 ) + 1Ох1х2 ( а2Ъ3, а1Ъ3,0) ■

С учетом (12) и сказанного выше, интегрирование выражения (9) и последующие преобразования в итоге дают:

К ф = х gradфф )pdx1dx2dx3 =

3GM R5

[(С - B)x2x3, (A - C) x1x3, (B - A)x1x2 ] +

G(C - A)s/15

2

{R5 [(C - B)x 2 x3,(A - C) xix3,

(B - A)xix2] - x

R

x [(C - B)x2x3, (A - C) x1x3, (B - A)x1x2 ] + + ^^ [(C - B) (x2®3 + *3®2) , (A - C) x x (x3ro1 + x1®3 ), (B - A) (ю2 + x2ro1)j -; [(C - B) (02Ю3, (A - C) ю1ю3, (B - A) Ю1Ю2]}.

(13)

(14)

K _ 3GMe e

(Aax2 x3, -Bp x1x3, Cyx1x2 ) -

(C - A)e » 1.1 x 10-3m(BR2,

(16)

где Яф — средн

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком