La Luna è l’unico satellite naturale della Terra. E’ un astro privo di luce propria, costituito da materiali allo stato solido. La Luna ha una forma ellissoidale pressoché sferica e, avendo una massa più piccola e delle dimensioni minori rispetto alla Terra, il valore della sua accelerazione di gravita corrisponde a circa 1/6 di quello sulla superficie terrestre e più precisamente:.

La Luna come sappiamo è priva di atmosfera. Ciò può essere spiegato considerando che la forza di attrazione gravitazionale presenta un valore basso, quindi la velocità di fuga ha un valore piuttosto piccolo (2,4 Km/s). Questa velocità viene superata facilmente dalle particelle dei gas che quindi si allontanano dal corpo celeste. L’assenza di un’atmosfera causa un passaggio brusco dall’illuminazione solare all’oscurità. Considerando inoltre la lenta rotazione del corpo, che causa una lunga durata dei periodi del dì e della notte, possiamo comprendere perchè il suolo lunare si riscalda fortemente durante la lunga insolazione e si raffredda sensibilmente e rapidamente durante il lungo periodo di oscurità (le temperature che vengono registrate oscillano tra i +110°C del dì e i -150°C della notte). La superficie lunare non riflette bene la luce che le arriva dal Sole, perchè il suo potere riflettente (albedo) è di circa 0,07: solo il 7% della luce solare ricevuta viene inviata verso di noi. Il restante 93% viene assorbito e trasformato in calore dal corpo celeste che poi lo disperde per rapido irraggiamento.

La massa è calcolabile matematicamente tramite l’uguaglianza tra la Forza di Newton e la Forza Peso. Consideriamo un corpo di massa sulla superficie della Luna; conoscendo il valore dell’accelerazione di gravità, del raggio lunare e la costante di gravitazione universale è possibile calcolare la massa della Luna:

La Luna è costituita da “rocce scure” simili ai basalti. Il paesaggio è costituito da mari (distese scure a fondo piatto), terre alte (zone chiare craterizzate), catene montuose, crateri e solchi ( interpretati come fessure dovute alla diminuzione di volume causata dal raffreddamento, o linee di fuoriuscita di masse gassose o canali scavati dallo scorrere di lava fusa). E’ accertata la presenza di aree chiamate mascons che provocano perturbazioni nel tragitto dei satelliti per un maggior effetto del campo gravitazionale. La sua superficie è cosparsa di regolite ossia di polvere, ceneri e detriti che sono prodotti dalla disgregazione delle rocce. Oltre la sottile crosta (fino a 100 km) l’interno della Luna è costituito da un esteso mantello (fino a 1300 km), che comprende la litosfera rigida e una limitata porzione simile all’astenosfera terrestre, e da un nucleo essenzialmente non metallico.

L’orbita lunare è inclinata di 5°09’ rispetto all’eclittica, cioè al piano dell’orbita terrestre mentre l’equatore lunare è inclinato di 1°34’ rispetto al proprio piano dell’orbita: quindi rispetto al piano dell’orbita terrestre, l’equatore lunare è inclinato di 6°40’. La Luna è da considerarsi più simile ad un pianeta che ad un satellite sia per la sua forma, sia per il rapporto che è maggiore di ogni altro rapporto analogo, sia per il fatto che nel suo moto attorno al Sole questa rivolge la sua concavità sempre dalla parte della stella.

La Luna si muove di moto di rotazione attorno al proprio asse, di moto di rivoluzione intorno alla Terra e di moto di traslazione assieme alla Terra intorno al Sole.

Nel moto di rotazione essa ruota su se stesso in senso antiorario con una durata pari al moto di rivoluzione attorno alla Terra, motivo per cui le rivolge sempre la stessa faccia. La rotazione non è perfettamente uniforme a causa della sua forma ellissoidale: l’attrazione che esercita la Terra sul rigonfiamento equatoriale è maggiore che sulle zone polari e provoca delle oscillazioni, dette librazioni, di lieve entità nel moto, a causa delle quali ci è visibile un pò più di ½ della Luna in plenilunio (59%).

Il moto di rivoluzione anch’esso in senso antiorario, ha diversa durata se riferito a una stella della sfera celeste (rivoluzione siderea) oppure all’allineamento Terra-Sole (rivoluzione sinodica). Il mese sidereo ha una durata di 27^d7^h43^m12^s mentre quello sinodico di 29^d12^h44^m3^s. La diversa durata dipende dal fatto che la Luna ruota attorno alla Terra che a sua volta ruota attorno al Sole. Il valore dell’eccentricità dell’orbita è di 0.055 circa. Il punto della sua orbita più vicino alla Terra, detto perigeo, è a 356000 Km da questa e quello più lontano, chiamato apogeo, è a circa 407000 Km. L’orbita lunare, il cui piano sappiamo essere inclinato di 5°09’ su quello dell’eclittica, la interseca in due punti detti nodi; la linea che li congiunge è detta linea dei nodi. La velocità con cui il corpo celeste compie il suo moto di rivoluzione attorno alla Terra si aggira intorno a 1 km/s considerando le variazioni in prossimità del perigeo e dell’apogeo. La Luna e la Terra ruotano intorno ad un punto comune detto baricentro o centro di massa del sistema. Esso si trova a circa 4670 Km dal centro della Terra; per questo motivo il moto di rivoluzione della Luna si può considerare poco diverso da quello registrabile se essa girasse realmente intorno al centro della Terra.

Il moto di traslazione si effettua nello stesso verso e con la stessa velocità angolare con cui la Terra compie il suo moto di rivoluzione e consiste nel moto della Luna attorno al Sole. La traiettoria lunare riferita al Sole è una specie di ovale deformata un pò sinuosa detta epicicloide.

Accanto ai tre movimenti principali esistono numerosi altri moti della Luna, anche se molto più lenti; alcuni di essi consistono in perturbazioni dovute all’azione attrattiva del Sole. Tra i più importanti ricordiamo la regressione della linea dei nodi, che ruota in senso orario con un periodo di circa 18,6 anni ed è responsabile delle nutazioni tipiche del moto di precessione degli equinozi. Vi è inoltre la rotazione dell’asse maggiore dell’orbita lunare in senso antiorario che compie un giro completo in 8,85 anni.

Quando la Luna si trova in congiunzione, ossia dalla stessa parte del Sole (rispetto alla Terra), l’emisfero che essa rivolge verso di noi non viene colpito dai raggi solari quindi risulta oscuro: abbiamo la fase di Luna nuova (o novilunio). Quando invece la Luna si trova in opposizione, cioè dalla parte opposta rispetto al Sole (sempre rispetto alla Terra) la sua metà illuminata è proprio quella rivolta verso di noi e allora abbiamo la fase di Luna piena (o plenilunio). Le posizioni corrispondenti a queste due fasi vengono dette sigizie. Altre due posizioni vengono chiamate quadrature: esse si verificano quando la Luna, la Terra e il Sole occupano i vertici di un triangolo rettangolo ideale, con la Terra situata dalla parte dell’angolo retto. In questi casi dell’emisfero lunare illuminato dal Sole vediamo soltanto la metà rivolta verso di noi, quindi un quarto della superficie lunare; le due fasi corrispondenti si chiamano infatti primo quarto e ultimo quarto. Ogni 235 mesi sinodici (@ 19 anni) le fasi Lunari si ripetono. Questo ciclo è il cosiddetto ciclo Aureo. Ciò permette anche di prevedere la data della Pasqua, poiché essa viene celebrata la prima domenica successiva al primo plenilunio che si verifica dopo l’equinozio di primavera (21 marzo).

Se la Luna è in fase di plenilunio o novilunio in uno dei nodi o nelle sue vicinanze si verificano le eclissi. Nella fase di plenilunio in uno dei nodi abbiamo l’allineamento Sole-Terra-Luna e la conseguente eclissi Lunare: l’oscuramento della Luna prodotto dal cono d’ombra della Terra. Nella fase di novilunio in uno dei nodi abbiamo invece l’allineamento Sole-Luna-Terra e la conseguente eclissi di Sole: l’oscuramento del Sole. Il cono d’ombra della Luna interessa zone piuttosto ristrette della superficie terrestre (circa 270 km²). Le eclissi possono essere totali se la Luna si trova in uno dei nodi, o parziali, se la Luna si trova nelle loro vicinanze. Tra le eclissi di Sole abbiamo anche le eclissi anulari che hanno luogo al verificarsi di due condizioni concomitanti: quando la Luna si trova in uno dei nodi e alla sua massima distanza dalla Terra (apogeo); poichè il cono d’ombra non giunge a toccare la superficie terrestre, essa non riesce a occultare completamente il disco solare, del quale si può vedere la parte periferica a forma di anello luminoso. Ogni 223 mesi sinodici (@18 anni) le eclissi si ripetono. Questo ciclo costituisce il cosiddetto ciclo Saros.

Sull’origine e sull’evoluzione della Luna sono state avanzate numerose teorie. Le principali ipotesi finora prospettate si possono raggruppare in quattro tipi principali secondo meccanismi diversi: fissione, cattura, accrescimento, impatto.

Secondo l’ipotesi della fissione, (avanzata da George Darwin (1845-1912) figlio del naturalista Charles Darwin) la Terra un tempo si trovava allo stato fuso e ruotava su se stessa molto velocemente, compiendo un intero giro in circa 4 ore. In tali condizioni essa avrebbe potuto scindersi in due corpi a causa della formazione di ripetuti e alternati rigonfiamenti prodotti dall’azione gravitazionale solare. Questa ipotesi venne abbandonata, quando si dimostrò che la resistenza dell’attrito non avrebbe mai consentito alla marea altezze così elevate da permettere la scissione. Una versione più moderna di questa ipotesi sostiene che, quando il materiale più pensante si concentrò nel centro, la Terra aumentò la propria velocità di rotazione fino a compiere un intero giro in meno di 2,6 h. Così la sua forma passò da quella di uno sferoide schiacciato a quella di una “pera”, il cui collo si sarebbe rotto producendo così la formazione della Luna. Con questa teoria si spiega la densità lunare minore di quella della Terra ma non si spiega l’inclinazione dell’orbita Lunare rispetto all’eclittica; inoltre non può essere ammessa una velocità di rotazione così elevata.

Secondo l’ipotesi della cattura un tempo la Luna era un corpo indipendente che, giunto nelle vicinanze della Terra, ne fu attratta e messa in rotazione su un’orbita ellittica. Avvicinandosi al nostro pianeta essa avrebbe dovuto diminuire la propria velocità per un qualche processo dissipativo. L’effetto frenante sarebbe da individuare o nella dissipazione di energia dovuta all’attrito delle maree terrestri e lunari oppure alle numerose collisioni con materiale già orbitante attorno al nostro pianeta.

Secondo l’ipotesi dell’accrescimento la Luna si sarebbe formata dall’aggregazione di materiali diversi, che erano in orbita attorno a nostro pianeta. Ciò però non spiega il motivo per cui tali materiali dovevano essere diversi da quelli terrestri.

L’ultima teoria è l’ipotesi dell’impatto gigante: essa sostiene che 4,5 miliardi di anni fa un planetesimale delle dimensioni di Marte con una velocità di circa 5 Km/s sia entrato in collisione con la Terra. La gigantesca collisione disintegrò il corpo impattante e una parte del mantello della Terra, lanciando in orbita nello spazio una nube di gas e detriti. Il denso nucleo metallico del corpo impattante si associò alla Terra, mentre gran parte del materiale finito in orbita si riaggregò in un nuovo corpo di grandi dimensioni: la Luna. Ciò spiegherebbe le notevoli differenze riscontrate tra rocce terrestri e lunari.