Определение расстояния от земли до луны при помощи луча лазера

Измерить расстояние Земля-Луна с помощью лазера сложнее, чем вы думаете

Как измерить расстояние Земля-Луна? Какие результаты измерений и зачем их вообще делать? Вот ответы на эти интересные вопросы.

Одним из аргументов, используемых для опровержения теории о ложной посадке на наш естественный спутник, является информация об измерении расстояния Земля-Луна лазерным лучом. Для сторонников теории заговора нет таких свидетельств, как фотогалерея Аполлона, но научное значение измерений очень важно.

Напомним, первые геометрические попытки оценить расстояние Земля-Луна, хотя и ошибочные из-за несовершенства методов измерения, были предприняты Аристархом Самосским более 2000 лет назад.

Но вернемся в наше время. Лазерный луч излучается в специальные световозвращатели, оставленные на Луне миссиями Аполлон 11 , 14 и 15, а также Луноходами 1 и 2, установленными на советских луноходах. Благодаря этим измерениям мы знаем, например, что наш космический спутник удаляется от Земли со скоростью примерно 3,8 сантиметра в год. За это ответственны приливные силы, те же силы, которые вызывают приливы и отливы в земных морях и океанах.

Чем дальше Луна от Земли, тем длиннее наш день

За время жизни одного человека Луна удалится на 3 метра от Земли. Это немного. Когда мы начнем накапливать эти знания, они станут более важными. С началом эпохи великих географических открытий расстояние увеличилось на 20 метров. С момента появления на Земле первых гоминидов прошло 152 километра. Конечно, мы говорим о среднем расстоянии Земля-Луна, потому что из-за эллиптической орбиты мгновенное расстояние от Земли до Луны изменяется примерно на 50 000 километров в течение месяца. В настоящее время это в среднем 386 тысяч километров.

Изменение расстояния также влияет на Землю. Чем дальше находится Луна, тем медленнее Земля вращается вокруг своей оси. Продолжительность земного дня увеличивается. Конечно, в ходе человеческой жизни и даже существования нашей цивилизации изменения очень незначительны. За столетие день увеличивается всего на 2 миллисекунды. Это изменение не следует путать с расхождениями, возникающими в результате измерения времени с использованием атомных и астрономических часов — оно является результатом дополнительной секунды и не связано с замедлением скорости вращения Земли вокруг своей оси.

Мы не можем рассчитывать на 25 часов в нашей жизни. Есть модели, которые предполагают, что около 1,4 миллиарда лет назад, когда жизнь на Земле достигала уровня отдельных клеток, сутки длились 18 часов. Они также показывают, что темпы удаления изменчивы, поэтому трудно экстраполировать 3,8 сантиметра в год на геологическую шкалу времени.

Измерения расстояний и внутреннее строение Луны

Изменения продолжительности земных суток — не единственное ценное заключение, которое следует из измерений расстояний. Сегодня мы знаем, что у Луны, скорее всего, жидкое ядро. Теперь цель исследования — уточнить результаты и ответить на вопрос, является ли внутренняя часть ядра твердой, как Земля. Вся эта информация окажется бесценной для отслеживания истории лунного магнитного поля. Оно когда-то существовало и было сильным, а сегодня находится в зачаточном состоянии.

Как работает измерение расстояния Земля-Луна?

Самая большая светоотражающая панель, которую оставили позади астронавты Аполлона-15, имеет размеры 105 х 65 сантиметров. Это не плоское зеркало, а поверхность, покрытая угловыми отражателями, используемыми в лазерных измерениях (первые два имеют 100 таких отражателей, третье 300). Одиночные такие рефлекторы также размещаются на марсоходах, но они используются только для измерений с орбиты Марса.

Они работают так, что независимо от направления, с которого свет падает на панель, наблюдатели имеют гарантию, что он будет отражен обратно в направлении, параллельном направлению прихода. В случае обычного зеркала только свет, падающий прямо перед собой, мог бы вернуться к наблюдателю, и такое точное размещение объекта на поверхности Луны относительно передатчика на Земле было бы чудом.

В направлении зеркал излучается лазерный луч, который после отражения возвращается на Землю и регистрируется. Измеряется задержка, оценивается расстояние.
Почему все кажется простым, а на самом деле это не так?

В настоящее время измерения расстояния от Земли до Луны производятся с точностью до одного миллиметра. Сигнал, отправленный на Луну, отраженный от рефлектора, возвращается на Землю через 2,5 секунды. Возвращается, но не всегда! И неудивительно, ведь все это измерение расстояний очень сложно.

Первая проблема — это когерентность пучка. Относительно сфокусированный лазерный луч, который даже на Земле довольно большой, потому что он должен быть достаточно сильным, чтобы проникнуть в атмосферу Земли (дважды), на расстоянии Луны он даже 2 километра в ширину. Если его можно будет направить на отражатель, несколько фотонов в луче попадут в него, и еще меньше, вероятно, будет зарегистрировано обратно на Землю.

По данным НАСА, вероятность того, что одиночный фотон, излучаемый с Земли в направлении отражателя, оставленного Аполлоном 11. Вероятность того, что каждый из этих счастливых фотонов вернется на Землю и будет зарегистрирован, составляет 1/25 000 000, составляет 1/25 000 000. .

Поэтому, хотя измерения проводятся регулярно, это сложная задача. Есть еще одна проблема. На Земле принимается только 1/10 ожидаемого сигнала обратной связи. Предполагается, что панели каким-то образом загрязнились. Кажется, что на Луне сложно найти пыльную бурю, ведь ее атмосфера похожа на лучший вакуум, когда-либо созданный на Земле. Действительно, пыльной бури масштаба Марса не будет. Однако пыль, поднятая с поверхности, например, падающими метеороидами, даже на Луне может быть проблемой. Сделан первый шаг к прояснению трудностей измерения. Поэтому НАСА в сотрудничестве с французскими учеными решило использовать рефлектор на лунном рекоассансном орбитальном аппарате (LRO), чтобы выяснить суть проблемы. Этот отражатель размером с небольшую книгу, сам орбитальный аппарат все еще находится в движении, поэтому задача огромна. В итоге, однако, удалось зарегистрировать сигнал обратной связи после многих попыток. Чтобы повысить точность измерения, во французском центре в Грассе вместо зеленого лазерного луча использовались менее чувствительные инфракрасные и импульсные лазеры.

Сегодня известно, что что-то не так с ретрорефлекторами, отражающими лазерные лучи на Луне. И ученые прилагают максимум сил, чтобы точно определить, что на самом деле является причиной этих проблем.

Источник

Лунный лазерный эксперимент — Lunar Laser Ranging experiment

Lunar Laser Ranging (LLR) — это практика измерения расстояния между поверхностями Земли и Луны с помощью лазерной локации . Расстояние может быть вычислено по времени обхода из лазерных световых импульсов , распространяющихся на скорости света , которые отражаются обратно на Землю по поверхности Луны или с помощью одного из пяти отражателей , установленных на Луне во время программы Apollo ( 11 , 14 , и 15 ), а также миссии Луноход-1 и 2 .

Хотя можно отражать свет или радиоволны непосредственно от поверхности Луны (процесс, известный как EME ), гораздо более точное измерение дальности может быть выполнено с помощью ретрорефлекторов, поскольку из-за их небольшого размера временной разброс отраженного сигнала очень велик. меньше.

Доступен обзор Lunar Laser Ranging.

Лазерные измерения дальности также можно выполнять с помощью ретрорефлекторов, установленных на спутниках, находящихся на орбите Луны, таких как LRO .

СОДЕРЖАНИЕ

История

Первые успешные испытания для определения местоположения Луны были проведены в 1962 году, когда Луи Смуллину и Джорджио Фиокко из Массачусетского технологического института удалось наблюдать лазерные импульсы, отраженные от поверхности Луны, с помощью лазера с длительностью импульса 50 Дж 0,5 миллисекунды. Аналогичные измерения были получены позже в том же году советской группой в Крымской астрофизической обсерватории с использованием рубинового лазера с модуляцией добротности .

Вскоре после этого аспирант Принстонского университета Джеймс Фаллер предложил разместить на Луне оптические отражатели, чтобы повысить точность измерений. Это было достигнуто после установки световозвращающей решетки 21 июля 1969 года экипажем Аполлона-11 . Еще две группы ретрорефлекторов были оставлены миссиями Аполлон-14 и Аполлон-15 . Успешные измерения дальности до ретрорефлекторов лунным лазером были впервые доложены 1 августа 1969 года на 3,1-метровом телескопе в обсерватории Лик . Наблюдения Air Force Cambridge Research Laboratories Lunar Ранжирование обсерватории в Аризоне, то Пик — дю — Миди обсерватории во Франции, Токио астрономической обсерватории и обсерватории Мак — Дональд в Техасе вскоре последовали.

Советские марсоходы « Луноход-1» и « Луноход-2» без экипажа несли группы меньшего размера. Первоначально отраженные сигналы были получены от Лунохода-1 Советским Союзом до 1974 года, но не западными обсерваториями, у которых не было точной информации о местоположении. В 2010 году НАСА «s Lunar Reconnaissance Orbiter находится на Луноход 1 ровер на изображениях и в апреле 2010 года команда из университета Калифорнии варьировались массив. Луноход 2 «s массив продолжает возвращать сигналы на Землю. Решетки Лунохода страдают от снижения производительности под прямыми солнечными лучами — фактор, который учитывается при размещении отражателя во время миссий Аполлон.

Массив Аполлона 15 в три раза больше массивов, оставленных двумя предыдущими миссиями Аполлона. Его размер сделал его целью трех четвертей выборки измерений, сделанных в первые 25 лет эксперимента. С тех пор усовершенствования технологий привели к более широкому использованию небольших массивов такими объектами, как Обсерватория Лазурного берега в Ницце , Франция; и Операция по лазерной локации в обсерватории Апач-Пойнт (APOLLO) в обсерватории Апач-Пойнт в Нью-Мексико .

В 2010-х было запланировано несколько новых световозвращателей . MOONLIGHT отражатель, который должен был быть размещен в частной MX-1E шлюпке, была разработана , чтобы повысить точность измерений до 100 раз по сравнению с существующими системами. MX-1E должен был быть запущен в июле 2020 года, однако по состоянию на февраль 2020 года запуск MX-1E был отменен.

Принцип

Расстояние до Луны приблизительно рассчитывается по формуле: расстояние = (скорость света × продолжительность задержки из-за отражения) / 2 . Поскольку скорость света является определенной константой, преобразование между расстоянием и временем полета может быть выполнено без двусмысленности.

Чтобы точно рассчитать лунное расстояние, необходимо учитывать множество факторов в дополнение к времени прохождения туда и обратно, составляющему около 2,5 секунд. Эти факторы включают расположение Луны в небе, относительное движение Земли и Луны, вращение Земли, лунную либрацию , полярное движение , погоду , скорость света в различных частях воздуха, задержку распространения в атмосфере Земли , расположение наблюдательная станция и ее движение из-за движения земной коры и приливов , а также релятивистских эффектов . Расстояние постоянно меняется по ряду причин, но в среднем составляет 385 000,6 км (239 228,3 миль) между центром Земли и центром Луны. Орбиты Луны и планет численно интегрированы вместе с ориентацией Луны, называемой физическим освобождением .

На поверхности Луны луч имеет ширину около 6,5 километров (4,0 мили), и ученые сравнивают задачу наведения луча с использованием винтовки, чтобы поразить движущуюся монету в 3 километрах (1,9 мили). Отраженный свет слишком слаб, чтобы его можно было увидеть человеческим глазом. Из 10 21 фотонов, направленных на отражатель, только один принимается обратно на Землю даже при хороших условиях. Они могут быть идентифицированы как исходящие от лазера, потому что лазер очень монохроматический .

По состоянию на 2009 год расстояние до Луны можно измерить с точностью до миллиметра. В относительном смысле это одно из самых точных измерений расстояния, когда-либо сделанных, и оно эквивалентно по точности определению расстояния между Лос-Анджелесом и Нью-Йорком с точностью до человеческого волоса.

Список световозвращателей

Список земных станций

В таблице ниже представлен список активных и неактивных станций лунного лазерного дальномера на Земле.

Анализ данных

Данные лунного лазерного дальномера собираются для извлечения числовых значений для ряда параметров. Анализ данных о диапазоне включает динамику, земную геофизику и лунную геофизику. Проблема моделирования включает в себя два аспекта: точное вычисление лунной орбиты и ориентации Луны и точную модель времени полета от станции наблюдения до ретрорефлектора и обратно на станцию. Современные данные лунного лазерного дальномера могут соответствовать среднеквадратическому среднеквадратичному отклонению в 1 см.

• Расстояние от центра Земли до центра Луны вычисляется компьютерной программой, которая численно интегрирует лунную и планетную орбиты с учетом гравитационного притяжения Солнца, планет и ряда астероидов.

• Эта же программа объединяет 3-осевую ориентацию Луны, называемую физическим освобождением .

В модельный ряд входят

• Положение локационной станции с учетом движения из-за тектоники плит , вращения Земли , прецессии , нутации и полярного движения .

• Приливы и отливы на твердой Земле и сезонное движение твердой Земли относительно ее центра масс.
• Релятивистское преобразование временных и пространственных координат из системы координат, движущейся вместе со станцией, в систему, фиксированную относительно центра масс Солнечной системы. Лоренцево сжатие Земли является частью этого преобразования.
• Задержка в атмосфере Земли.
• Релятивистская задержка из-за гравитационных полей Солнца, Земли и Луны.
• Положение световозвращателя учитывает ориентацию Луны и твердотельные приливы.
• Лоренцево сжатие Луны.
• Тепловое расширение и сжатие опор световозвращателя.

Для наземной модели источником подробной информации является Конвенция IERS (2010 г.).

Полученные результаты

Данные лазерных локационных измерений Луны доступны в Центре лунного анализа Парижской обсерватории, в архивах Международной службы лазерных локаций и на активных станциях. Вот некоторые из результатов этого длительного эксперимента :

Свойства Луны

• Расстояние до Луны можно измерить с точностью до миллиметра.
• Луна удаляется от Земли по спирали со скоростью 3,8 см / год . Этот показатель был описан как аномально высокий.
• Жидкое ядро ​​Луны было обнаружено по эффектам диссипации границы ядро ​​/ мантия.
• У Луны есть свободные физические колебания, которые требуют одного или нескольких стимулирующих механизмов.
• Приливная диссипация на Луне зависит от частоты приливов.
• Луна, вероятно, имеет жидкое ядро ​​около 20% радиуса Луны. Радиус границы лунное ядро-мантия определяется как 381 ± 12 км .
• Полярное уплощение границы лунное ядро-мантия определяется как (2,2 ± 0,6) × 10 −4 .
• Свободное ядро нутации Луны определяется как 367 ± 100 лет .
• Точные места для световозвращателей служат ориентирами, видимыми для орбитальных космических аппаратов.

Гравитационная физика

• Теория гравитации Эйнштейна ( общая теория относительности ) предсказывает орбиту Луны с точностью до лазерных измерений.
• Свобода калибровки играет важную роль в правильной физической интерпретации релятивистских эффектов в системе Земля-Луна, наблюдаемых с помощью метода LLR.
• Вероятность какого-либо эффекта Нордтведта (гипотетическое дифференциальное ускорение Луны и Земли по направлению к Солнцу, вызванное их разной степенью компактности) была исключена с высокой точностью, что решительно подтверждает строгий принцип эквивалентности .
• Универсальная сила тяжести очень стабильна. Эксперименты ограничили изменение гравитационной постояннойGНьютона до коэффициента (2 ± 7) × 10 −13 в год.

Галерея

Аполлон-14 — Ретро-отражатель для определения дальности Луны ( LRRR )

Коллаборация APOLLO Время возврата фотонного импульса

Источник