Луна отдаляется от Земли примерно на 3,8 сантиметра ежегодно. Ученые отслеживают это движение, используя лазерные импульсы, отправленные с Земли на отражатели, установленные на лунной поверхности. Этот метод позволяет измерять расстояние между Землей и Луной с исключительной точностью.
Ключ к этому процессу представляют собой лунные отражатели — оптические устройства, которые возвращают свет в направлении его прихода. Три комплекта были установлены астронавтами миссий Аполлон-11, Аполлон-14 и Аполлон-15. Аналогичное оборудование было доставлено двумя советскими миссиями: Луна-17 с ровером Луноход-1 и Луна-21 с Луноход-2.
Процедура выглядит просто: наземная обсерватория направляет лазерный импульс на отражатель. Оборудование возвращает небольшую часть света, которая затем фиксируется на Земле. Исследователи рассчитывают пройденное светом расстояние, измеряя интервал между отправкой и возвращением импульса. Поскольку скорость света известна, малейшие отклонения во времени полета указывают на изменение положения Луны.
На практике задача весьма сложна. В среднем Луна находится на расстоянии около 385 тысяч километров от Земли, и лазерный луч рассеивается при прохождении через атмосферу. Только ничтожно мало света, отправленного, достигает наземного оборудования.
Тем не менее, десятилетия наблюдений позволяют следить за лунным движением с высокой точностью. Отражатели продолжают использоваться в исследованиях динамики системы Земля-Луна и гравитации. Оборудование Луноходов также имеет интересную историю: отражатели, установленные на двух советских роверах, были произведены во Франции и доставлены на поверхность Луны советскими миссиями. Ровер Луноход-1, который долгое время находился без точного местоположения, был обнаружен в 2010 году, что позволило снова проводить лазерные измерения с его отражателя.
Отдаление Луны связано с приливами, вызванными в основном гравитационным притяжением Луны к земным океанам. Поскольку Земля вращается быстрее, чем Луна завершает свою орбиту, распределение приливов немного опережает положение спутника. Эта конфигурация способствует передаче части углового момента — величины, связанной с вращательным и орбитальным движением — от Земли к Луне.
По сути, Земля медленно теряет часть своей скорости вращения, а Луна, в свою очередь, приобретает орбитальную энергию и занимает немного более удаленную орбиту. Результатом, наблюдаемым сегодня, является среднее отдаление примерно на 3,8 сантиметра в год. Важно понимать, что это не означает, что Луна просто покидает гравитационное поле Земли; она остается связана с Землей гравитацией и продолжает вращаться по орбите. Изменение происходит крайне медленно.
Аналогичный процесс влияет и на продолжительность суток. Приливное трение замедляет вращение Земли, способствуя постепенному увеличению длительности дней. Вклад, связанный с приливами, оценивается примерно в 2,3–2,4 миллисекунды за столетие. Однако это не означает, что все дни имеют именно такую дополнительную продолжительность, поскольку вращение Земли также подвержено влиянию других явлений, включая изменения в атмосфере, океанах, ядре планеты, а также распределению льда и воды. В повседневной жизни эта разница незаметна, но инструменты, способные измерять время и вращение Земли, фиксируют эти незначительные колебания. Таким образом, комплект оборудования, установленный на Луне более пятидесяти лет назад, продолжает помогать ученым отслеживать изменение, которое также происходит медленно в естественных часах Земли.