Introduzione generale

La Luna è l'unico satellite naturale della Terra ed è anche il più interno fra tutti i satelliti del nostro Sistema etario, cioè il primo che si incontra procedendo dal Sole verso l'esterno. E' un astro privo di luce propria, costituito da materiali allo stato solido, la cui massa totale è pari a 1/81 di quella della Terra.

La Luna ruota intorno alla Terra con un periodo di 29,5 giorni e con un'orbita leggermente ellittica, che passa a 364.400 km dalla Terra al perigeo e a 406.730 all'apogeo. Rispetto ad un sistema di riferimento solidale con il Sole e le stelle, la Luna ruota intorno al proprio asse e per un dato punto sulla superficie si avvicendano quindi il giorno e la notte; ma poiché, rispetto alla Terra, la Luna non ruota, a parte piccole variazioni dovute a fattori come l'ellitticità dell'orbita, essa rivolge verso la Terra sempre la stessa faccia. A causa di queste relazioni la durata di un giorno lunare è di 29,5 giorni terrestri.

La massa e la grandezza della Luna, modeste rispetto a quelle di tanti altri corpi celesti esistenti nell'Universo, sono abbastanza ragguardevoli se paragonate a quelle degli altri 35 satelliti del Sistema solare. Anche se dalla Terra si osserva sempre la stessa faccia della Luna, persino a occhio nudo si ha l'impressione che essa abbia una forma sferica.

Tramite fotografie ottenute con potenti telescopi e riprese da sonde spaziali si è scoperto che la Luna, come la Terra, non è perfettamente sferica, ma ha la forma di un ellissoide a tre assi, con il diametro maggiore rivolto verso la Terra. La densità della Luna è di circa 3,34 g/cm³. Il valore della densità sembra confermare l'ipotesi che la Luna si sia originata dalla Terra, da cui si sarebbe staccata a causa della rotazione molto veloce del nostro pianeta appena formatosi e dalla forza di attrazione esercitata dal Sole; la maggiore densità della Terra sarebbe spiegata ammettendo che questa abbia conservato la parte centrale e più densa del corpo originario. Attualmente prevale però la teoria che la Luna abbia avuto un'origine simile a quella dei pianeti, tanto che il sistema Terra-Luna è considerato un pianeta doppio. A causa delle dimensioni e della massa minori rispetto a quelle terrestri, il valore della gravità sulla superficie lunare è circa 1/6 di quello esistente sulla superficie terrestre.

Un corpo celeste completamente arido:

La Luna non ha un'atmosfera gassosa e non ha presenza di acqua.

La mancanza di atmosfera e di acqua può essere spiegata considerando che, secondo la teoria cinetica, le molecole dei gas sono dotate di un movimento per cui si urtano incessantemente, spostandosi con una velocità tanto più elevata quanto maggiore è la temperatura; sappiamo anche che per ogni corpo posto ad una certa distanza da un determinato astro esiste un limite di velocità (velocità di fuga) al di là del quale il corpo non può più essere trattenuto dall'astro, ma sfugge alla sua attrazione gravitazionale disperdendosi nello spazio.

In epoche passate sulla Luna si sono avute certamente temperature tali da produrre nelle molecole degli eventuali gas presenti velocità maggiori di quella di fuga; questo perché sulla Luna, dove la gravità presenta un valore basso, la velocità di fuga è piuttosto piccola (2,4 km/s).

Allo stesso modo si spiega la mancanza di acqua sulla superficie lunare: anche solo per effetto del riscaldamento solare, l'acqua eventualmente presente sarebbe sottoposta ad un'evaporazione continua e quindi si disperderebbe nello spazio.

L'assenza di un involucro gassoso come quello che costituisce l'atmosfera terrestre fa sì che sulla Luna non si abbiano fenomeni crepuscolari, quindi il passaggio dall'illuminazione all'oscurità (e viceversa) è molto brusco.

Inoltre i periodi di illuminazione e di oscurità hanno una lunga durata (circa 15 giorni ciascuno) perché la rotazione lunare è molto lenta.

Considerando che il suolo lunare non solo non è protetto né da un'atmosfera, né da vegetazione o da nubi, ma è costituito da materiali che trattengono una parte dell'energia ricevuta dal Sole, si comprende come esso si riscaldi fortemente durante il periodo di illuminazione e si raffreddi rapidamente durante il periodo di oscurità. Perciò il suolo lunare presenta temperature che durante il dì superano i 110°C e durante la notte possono scendere bruscamente al di sotto dei -l50°C.

La luminosità totale della Luna durante le fasi di "Luna piena" è circa 400.000 volte inferiore a quella del Sole.

Ciò perché il potere riflettente (albedo) della superficie lunare è di circa 0,07, quindi solo il 7% della luce solare ricevuta viene rinviata verso di noi, mentre il rimanente 93% viene assorbito dal suolo lunare, trasformato in calore e poi disperso per rapido irraggiamento a causa dell'assenza di atmosfera.

Le meteoriti ed il vento solare:

Il vento solare consiste principalmente di protoni (nuclei di idrogeno) espulsi dal Sole alla velocità media di 500 km/s. mentre la superficie della terra è protetta da queste particelle dannose dal suo campo magnetico, il campo magnetico della Luna non è abbastanza intenso per costituire una qualsiasi protezione.

I danni dovuti a singoli urti di queste particelle sulla superficie lunare sono modesti, ma l'effetto cumulativo degli urti sulla superficie delle rocce è notevole. I protoni possono penetrare solo per qualche millimetro, danneggiando nel loro cammino la struttura cristallina dei minerali; questo processo superficiale è simile a quello dell'erosione da agenti atmosferici sulla Terra.

Il principale agente erosivo sulla Luna è il continuo bombardamento di frammenti di rocce di differenti dimensioni, che colpiscono la superficie a velocità elevate.

Inoltre appare inevitabile che la terra e la Luna siano colpite di tanto in tanto, nel corso della loro storia geologica, da corpi molto grandi, del diametro di parecchi chilometri.

Sulla Luna sia le particelle grandi sia quelle piccole colpiscono la superficie ad alte velocità, bucherellandola con crateri di dimensioni che giungono fino a quelle micrometriche. 

Mari di polvere scuri e terre alte chiare:

Uno degli aspetti caratteristici del paesaggio lunare è rappresentato dalla presenza di grandi macchie scura, chiamate mari (e talvolta oceani).

I mari si estendono per aree molto ampie, a fondo quasi piatto e coperto da una polvere soffice, che si suppone sia stata in buona parte lanciata dai crateri, caduta a distanza, rimescolata dai numerosi impatti dei meteoriti che hanno prodotto i crateri minori e leggermente elaborata dal "vento solare".

La polvere dei mari è un miscuglio di particelle provenenti da vari luoghi vicini e lontani. La sabbia o polvere lunare è chiamata regolite, per analogia con il materiale detritico terrestre proveniente da rocce fortemente disgregate e frammentate.

Ancora più estese dei mari sono le terre alte, regioni più chiare, che nel complesso coprono all'incirca l'85% della superficie lunare. Esse vengono indicate anche come altopiani, anche se non sono uniformi e monotone.

I rilievi lunari hanno forme diverse (catene montuose, orli di circhi e di crateri, colline) ed altitudini che superano anche i 9000 metri.

I crateri e i circhi, che costellano tutta la superficie lunare, hanno due possibili spiegazioni: o sono buchi imbutiformi creati dalla caduta di meteoriti o sono dovuti all'intensa azione vulcanica avvenuta durante la consolidazione della Luna. I crateri possono avere diametri di tutte le misure.

Forme tipiche della superficie lunare sono anche i solchi, fatti a trincea, dritti o sinuosi, in pendio o in pianura; essi sono stati interpretati come fessure per diminuzione di volume dovuta a raffreddamento, o linee di fuoriuscita di masse gassose, o canali scavati dallo scorrere di lava fusa, o vere e proprie faglie.Vi sono poi le creste o dorsali, alte poche centinaia di metri. Esse sono presenti soltanto nei mari e spesso sono affiancate da colline tondeggianti, chiamate cupole o domi, considerate come una testimonianza della passata attività vulcanica sulla Luna.

Sotto i mari si sono rivelate zone a maggiore densità, dette mascons; queste masse sommerse sono state rivelate in quanto determinano anomalie gravimetriche e anomalie nelle traiettorie dei satelliti posti in orbita intorno alla Luna.

Ritornando ai mari, successivamente all'epoca della loro formazione, vi è stata assai poca evoluzione geologica sulla luna, a parte la formazione di ulteriori crateri da impatto con una frequenza sempre minore. La storia lunare può essere allora così riassunta:

1. accrescimento e successiva fusione globale
2. separazione crostale e concomitante bombardamento meteoritico massiccio
3. fusione parziale in profondità e "messa in posto" delle noriti
4. bombardamento in diminuzione, ulteriore fusione in profondità e successiva "messa in posto" dei basalti dei mari
5. cessazione del vulcanismo e graduale raffreddamento interno

La composizione superficiale e l'interno della Luna:

Fra i risultati principali delle missioni lunari, forse il più importante è rappresentato dalla raccolta di polveri e rocce portate sulla Terra e analizzate: sono i primi campioni di materiali extraterrestri giunti a noi intatti, e non caduti come meteoriti modificate dall'attraversamento dell'atmosfera.

In questi materiali lunari non sono state rinvenute tracce di vita, né sostanze organiche che possano far pensare ad un'evoluzione verso la nascita di esseri viventi, ma solo composti organici semplici (composti del carbonio come carburi e metano). Si pensa che il carbonio, presente in quantità piuttosto modeste, provenga in parte da fonti esterne alla Luna e in parte da fonti localizzate su di essa.

Esaminando le rocce lunari si è potuto stabilire che quelle dei mari hanno una composizione chimica e mineralogica simile a quella delle nostre rocce ignee effusive, o lave, povere in SiO₂ e ricche in silicati di Al, Fe, Mg, Ca; i mari lunari sono costituiti in prevalenza da basalto.

Le rocce delle terre alte sono più chiare e mostrano caratteri delle rocce ignee intrusive; ricche di un silico-alluminato di Ca (anortite). Simili rocce, chiamate anortositi sono piuttosto rare sulla Terra.

In base alle osservazioni stereoscopiche delle fotografie eseguite dalle sonde spaziali, è stata costruita una carta geologica della Luna nella quale, oltre alle differenze di costituzione chimica o morfologica, si vedono anche vari tipi fondamentali di attività vulcanica e meteoritica distanziati nel tempo.

Alcune scoperte interessanti sono state fatte per mezzo degli strumenti lasciati sulla Luna.

Per esempio i sismografi hanno rivelato diverse scosse, che potrebbero essere dovute a frane o a veri e propri assestamenti tettonici; altre scosse si registrano periodicamente quando la Luna si trova alla minima e massima distanza dalla Terra e si possono quindi spiegare con deformazioni prodotte dall'attrazione terrestre sulla massa solida lunare.

L'attività sismica lunare è dunque ridotta, ma non assente; è minore di quella terrestre poiché l'interno della Luna è più rigido e meno eterogeneo, tuttavia si pensa che al di sotto di una "litosfera" rigida, oltre i 1.000 km di profondità, esista una astenosfera plastica, una zona semifluida relativamente calda, ma meno estesa e attiva di quella presente all'interno della Terra.

L'origine e l'evoluzione della Luna:

Le principali ipotesi e teorie formulate sull'origine della Luna si possono raggruppare schematicamente in tre categorie principali, che tentano di spiegare la nascita di questo corpo celeste secondo meccanismi diversi: fissione, cattura e accrescimento.

Terra si trovasse allo stato fuso e ruotasse su se stessa molto velocemente; in tali condizioni essa avrebbe potuto scindersi in due corpi e una grossa goccia di materiale fuso si sarebbe staccata dalla Terra dando origine alla Luna. Tale teoria fu abbandonata quando si dimostrò con i calcoli che le resistenze di attrito nell'ipotetico materiale fuso terrestre non avrebbero consentito alla marea di raggiungere l'altezza necessaria per un distacco.

La teoria della fissione sostiene che l'origine della Luna sia attribuibile al processo di formazione del nucleo terrestre. Cosicché, quando il materiale più pesante si concentrò verso il centro della Terra, questa aumentò la propria velocità di rotazione; in tal modo la Terra primordiale sarebbe divenuta instabile ed avrebbe modificato la propria forma da quella di uno sferoide schiacciato a quella di una pera, finché il collo della pera si sarebbe rotto, per formare la Luna.

Secondo le ipotesi e teorie della cattura, un tempo la Luna era un corpo indipendente che si muoveva liberamente nel Sistema solare; ad un certo momento essa sarebbe giunta tanto vicina alla Terra da esserne attratta e messa in rotazione su un'orbita ellittica, secondo le "leggi di Keplero".

Queste ipotesi presentano il vantaggio di risolvere il problema della diversità di composizione fra la Terra e la Luna, ma presentano anch'esse notevoli difficoltà, poiché ipotizzano un processo dinamico molto improbabile. Difatti, il fenomeno della cattura richiede un avvicinamento della Luna alla Terra con una velocità relativa inferiore ad 1 km/s e fino a una distanza minore di 2 raggi terrestri dalla superficie della Terra; i calcoli dimostrano invece che la Luna nel punto di minor distanza non può aver oltrepassato il "limite di Roche", pari a 2,86 raggi terrestri: a questa distanza l'attrazione gravitazionale terrestre diviene maggiore della forza di gravità propria della Luna, provocandone la frantumazione. Per superare questa difficoltà si può pensare che ci sia stata soltanto una disgregazione parziale, limitata allo strato superficiale della Luna; i grossi frammenti così formatisi potrebbero essere poi ricaduti sulla Luna quando essa ha incominciato a ruotare intorno alla Terra. In tal modo si spiegherebbe la formazione dei grandi "bacini marini".

Per i sostenitori delle teorie dell'accrescimento la Luna si sarebbe formata, dopo la Terra, dall'unione di materiali diversi che un tempo erano in orbita attorno al nostro pianeta. Queste ipotesi, che superano molti dei problemi già esaminati, non escludono un fenomeno di cattura; infatti, la Luna potrebbe essersi formata per accrescimento da materiali localizzati fuori del campo di gravità terrestre, e potrebbe essere stata catturata dalla Terra in un secondo momento. Sulla base delle ricerche più recenti possiamo solo affermare che certamente la Terra e la Luna si sono formate nella stessa regione del Sistema solare.

Conclusioni: poiché i pianeti di tipo terrestre ( Mercurio, Venere, Terra, Marte) si devono essere formati nella nebulosa solare per aggregazione di piccoli frammenti minerali, cominciando da quelli a più elevato punto di fusione (che perciò solidificarono a temperature più alte), è probabile che in un primo tempo attorno alla Terra siano rimasti dei frammenti minerali e che in una seconda fase tali frammenti si siano aggregati nell'unico satellite terrestre. In definitiva la Luna non si è staccata dalla Terra, non è nemmeno stata catturata da quest'ultima quando già era un pianeta, ma si è formata nella stessa zona del sistema solare. Questa è però solo una teoria su tante. Ultima nota: sulla Luna non esiste campo magnetico.

I movimenti della Luna

Se osserviamo il nostro satellite nel corso di un giorno possiamo vedere che la Luna compie un movimento analogo a quello del Sole e degli astri della Sfera celeste, sorgendo a levante e tramontando a ponente. Questo movimento però è solo apparente, dovuto alla rotazione terrestre.

Se prolunghiamo la nostra osservazione nel tempo, prendendo in considerazione le diverse posizioni che la Luna assume rispetto alle stelle, ci rendiamo conto che essa compie anche un altro movimento, descrivendo sulla Sfera celeste, in poco più di 27 giorni, un circolo massimo da ponente a levante: la Luna compie un moto antiorario intorno alla Terra, descrivendo un'orbita ellittica di cui la Terra occupa uno dei fuochi, secondo le leggi di Keplero.

Il comportamento della Luna in realtà è molto più complesso, perché il sistema Terra-Luna non si trova isolato nello spazio: oltre a girare attorno al Sole e a partecipare ai moti del Sistema solare, della Galassia e dell'Universo, subisce delle perturbazioni dovute all'azione gravitazionale degli altri corpi celesti. La Luna compie quindi diversi movimenti simultanei, tra cui il moto di rotazione intorno al proprio asse, il moto di rivoluzione intorno alla Terra, il moto di traslazione insieme alla Terra intorno al Sole.

Il movimento di rotazione si compie intorno all'asse lunare da Est verso Ovest, con una velocità angolare media di 13° al giorno; la durata di una rotazione completa della Luna è quindi di 27^d7^h43^m12^s, uguale a quella del moto di rivoluzione, per cui la Luna rivolge alla Terra sempre la stessa "faccia".

La rotazione della Luna non è perfettamente uniforme: l'attrazione che la Terra esercita in maggior misura sul rigonfiamento equatoriale della Luna provoca in essa delle oscillazioni (librazioni).

La Luna compie anche delle altre oscillazioni che ci consentono di scorgere un po' più della metà della sua superficie. Queste ultime sono dette librazioni apparenti, poiché non appartengono alla Luna, ma derivano dalle diverse posizioni e velocità con cui essa descrive la sua orbita attorno alla Terra o dallo spostamento di quest'ultima nello spazio.

L'asse di rotazione della Luna forma un angolo di 6°41¢ con la normale al piano della sua orbita; quindi dalla Terra noi vediamo alternativamente il Polo nord e il Polo sud della Luna. Inoltre, a causa della diversa velocità con cui avviene la rivoluzione lunare nei vari punti dell'orbita, la rotazione della Luna, si trova ora in anticipo ora in ritardo rispetto al moto di rivoluzione; ciò ci permette di vedere in certi momenti qualcosa di più del bordo occidentale e in altri qualcosa di più del bordo orientale della superficie lunare.

Un insieme di moti del sistema Terra-Luna:

Analogamente agli altri satelliti, anche la Luna si muove rispetto al proprio pianeta e ai vari corpi del Sistema solare e dell'Universo.

Il movimento di rivoluzione della Luna si effettua in senso antiorario lungo un'orbita ellittica di cui la Terra occupa uno dei due fuochi.

L'ellisse orbitale lunare è un po' più schiacciata di quella terrestre, ma comunque assimilabile ad una circonferenza; il valore dell'eccentricità è infatti di 0,055 circa.

Nel corso della rivoluzione la Luna non si trova sempre alla stessa distanza dalla Terra: il punto più vicino alla Terra (perigeo), è a circa 356.000 km dalla Terra e quello più lontano (apogeo), a circa 407.000 km; la distanza media si aggira intorno ai 384.000 km.

Il piano su cui giace l'orbita lunare non coincide con quello dell'orbita terrestre, ma è inclinato rispetto a questo di 5°09¢. L'orbita lunare interseca il piano dell'orbita terrestre in due punti che sono detti nodi, uniti dalla linea dei nodi.

La velocità con cui la Luna compie il suo moto di rivoluzione attorno alla Terra si aggira intorno a 1 km/s, ed è maggiore in prossimità del perigeo e minore in prossimità dell'apogeo. Per la durata della rivoluzione bisogna distinguere se essa è riferita ad una stella della Sfera celeste oppure all'allineamento Terra-Sole: nel primo caso si ha la rivoluzione siderea (o mese sidereo), nel secondo la rivoluzione sinodica (o mese sinodico o lunazione).

La rivoluzione sinodica è più lunga della rivoluzione siderea di due giorni.

Tale differenza è dovuta al fatto che quando la Luna ha terminato di compiere una effettiva rivoluzione intorno alla Terra (rivoluzione siderea), la Terra non si trova più nello stesso punto, e quindi la Luna, per ritrovarsi nello stesso punto rispetto all'allineamento Terra-Sole, dovrà percorrere un tratto supplementare della sua orbita.

La Luna e la Terra si muovono intorno ad un baricentro comune, che si trova all'interno della Terra ad una certa distanza dal suo centro, perciò il moto di rivoluzione della Luna si può considerare poco diverso da quello che si avrebbe se essa girasse realmente intorno alla Terra. Tuttavia il fatto che il baricentro del sistema Terra-Luna si trova non coincide con il centro della Terra non può essere trascurato, in quanto influisce sul fenomeno delle maree, le quali sono dovute non solo all'attrazione gravitazionale esercitata dalla Luna e dal Sole, ma anche alla forza centrifuga connessa al moto di rivoluzione del sistema Terra-Luna attorno al baricentro comune.

Nel compiere il suo moto attorno alla Terra la Luna si sposta anche intorno al Sole: ne deriva un movimento di traslazione che si effettua nello stesso senso e con la stessa velocità angolare con cui la Terra compie il suo moto di rivoluzione.

La traiettoria lunare riferita al Sole è una specie di ovale deformata, un po' sinuosa, che taglia l'orbita terrestre 24 o 25 volte. Essa viene chiamata epicicloide e ha la caratteristica di rivolgere la sua concavità sempre dalla parte del Sole: la Luna è infatti l'unico satellite del Sistema solare la cui orbita è sempre concava verso il Sole.

Esistono numerosi altri moti della Luna, simultanei ai precedenti ma molto più lenti; alcuni di essi consistono in perturbazioni dovute all'azione attrattiva del Sole. Tra i più importanti vi sono:

Il moto di regressione della linea dei nodi: essa non rimane fissa nello spazio, ma si va spostando continuamente, ruotando in senso orario con un periodo di circa 18,6 anni.

La rotazione dell'asse maggiore dell'orbita lunare: la linea che congiunge il perigeo con l'apogeo ruota in senso antiorario, come l'asse maggiore dell'orbita terrestre, compiendo un giro completo in 8,85 anni.

Naturalmente, insieme alla Terra, la Luna partecipa al movimento che il Sole e tutti i corpi del Sistema solare compiono verso la Costellazione di Ercole, e quindi anche alla rotazione della nostra Galassia e alla sua recessione, ossia all'espansione dell'Universo.

Le fasi lunari e le eclissi:

Se osserviamo la Luna in serate successive ci rendiamo conto che le sue condizioni di illuminazione non sono sempre le stesse. I diversi aspetti della Luna (fasi lunari) si ripetono con la stessa successione ogni mese sinodico; essi sono dovuti, infatti, alle varie posizioni che la Luna assume non solo rispetto alla Terra, ma anche rispetto al Sole.

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 e quindi risulta oscuro: abbiamo allora la fase di Luna nuova (o novilunio). Quando invece la Luna si trova in opposizione, la sua metà illuminata è quella rivolta verso di noi ed allora abbiamo la fase di Luna piena (o plenilunio). Le posizioni corrispondenti a queste due fasi sono dette anche sizigie.

Fra queste due posizioni se ne hanno altre due che 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 entrambi i casi dell'emisfero lunare illuminato dal Sole vediamo soltanto la metà rivolta verso di noi, quindi un quarto della superficie lunare, quindi le due fasi corrispondenti si chiamano primo quarto e ultimo quarto.

Fra queste quattro fasi principali, si hanno tutte le possibili condizioni di illuminazione intermedie. Subito dopo il novilunio dalla Terra si comincia a vedere una piccola porzione del disco lunare, a forma di falce che va crescendo di larghezza fino la plenilunio; durante questo periodo la Luna sorge e tramonta dopo il Sole e il margine esterno della falce lunare illuminata è rivolta verso ponente. Dal plenilunio al novilunio la porzione di superficie lunare illuminata si va progressivamente riducendo, fino ad assumere l'aspetto di un arco sottilissimo che poi se del tutto; in questo periodo la Luna sorge e tramonta prima del Sole e la convessità della falce è rivolta verso levante.

Osservando la Luna durante il novilunio e nei giorni prossimi a questa fase, possiamo notare che anche la parte oscura del disco lunare è rischiarata da un debole chiarore grigiastro, da una luce cinerea. Sono i raggi solari che colpiscono la Terra ad essere riflessi da questa verso la Luna la quale li rimanda verso di noi con una intensità luminosa molto ridotta.

Poiché una rivoluzione sinodica dura circa 29 giorni e mezzo, in un anno si hanno 12 mesi sinodici, o lunazioni, con un avanzo di circa 11^d5^h. Le fasi lunari non si ripetono sempre alla stessa data: ciò si verifica ogni 235 mesi sinodici, circa 19 anni (ciclo aureo). Il ciclo aureo permette di stabilire la data di un plenilunio o di un novilunio passato o futuro, e anche la data della Pasqua, che viene celebrata sempre la prima domenica seguente il plenilunio che si verifica dopo l'equinozio di primavera.

La Luna e la Terra possono essere considerati come corpi opachi di forma quasi sferica; essi vengono perciò illuminati solo sull'emisfero rivolto verso il Sole, mentre dalla parte opposta inviano nello spazio dei coni d'ombra la cui ampiezza dipende sia dalle dimensioni dei due corpi e da quelle del Sole che dalle distanze alla quali essi si trovano rispetto al Sole.

Se nelle posizioni di sizigie il Sole, la Terra e la Luna si trovassero realmente sulla stessa linea retta, durante ogni mese lunare nella fase di plenilunio il cono d'ombra della Terra oscurerebbe completamente la Luna e si avrebbe perciò un'eclisse di Luna, mentre nella fase di novilunio l'ombra della Luna potrebbe oscurare una porzione della superficie terrestre impedendovi la vista del Sole, provocando un'eclisse di Sole. Ma i piani dell'orbita lunare e dell'orbita terrestre non sono coincidenti, quindi le eclissi si verificano solo quando, oltre ad essere in fase di plenilunio o novilunio, la Luna viene a trovarsi in uno dei nodi (eclissi totali) o nelle vicinanze (eclissi parziali).

Le eclissi di Luna possono essere totali anche quando essa, in fase di plenilunio, trovandosi in prossimità di uno dei nodi, passa completamente dentro il cono d'ombra della Terra, molto ampio rispetto alle dimensioni del suo satellite.

Nelle eclissi parziali l'oscuramento può essere prodotto, oltre che da una parte del cono d'ombra, anche dalla zona di penombra che si allarga a ventaglio dietro la Terra; in questo caso si tratta di una vera eclisse solo se la Luna è oscurata in ¾ almeno della sua superficie.

A causa delle grandi dimensioni del Sole e della limitata estensione del cono d'ombra della Luna, le eclissi totali di Sole, che si verificano quando la Luna si trova in uno dei nodi durante il novilunio, interessano zone piuttosto ristrette della superficie terrestre. Queste eclissi sono osservabili come eclissi parziali di Sole da tutti i luoghi della Terra investiti dalla penombra, che si estende intorno all'ombra per migliaia di km.

Tra le eclissi di sole, presentano un interesse particolari le eclissi anulari, che si verificano quando la Luna si trova in uno dei nodi e contemporaneamente sta alla sua massima distanza dalla Terra. In queste condizioni il cono d'ombra della Luna non riesce a toccare la superficie terrestre e quindi essa non riesce a occultare completamente il disco solare, del quale si può vedere la parte periferica a forma di anello luminoso.

Poiché nelle eclissi solari l'occultamento del Sole è prodotto dall'ombra della Luna che si sposta velocemente sulla sua orbita, dai diversi luoghi della Terra che sono interessati successivamente al fenomeno l'eclisse può essere osservata per un periodo piuttosto breve (può superare di poco i sette minuti e mezzo per un'eclisse totale, mentre può raggiungere quasi i dodici minuti e mezzo per un'eclisse anulare). La durata del fenomeno può raggiungere complessivamente le quattro ore circa, dal momento in cui l'eclisse solare inizia a vedersi in un certo luogo al momento in cui non è più visibile in nessun luogo della Terra.

In un anno si possono avere dalle due alle sette eclissi: nel primo caso sono entrambe di Sole, nel secondo caso cinque di Sole e due di Luna; eccezionalmente se ne possono avere quattro di Sole e tre di Luna. Le eclissi di Sole sono quindi più frequenti di quelle di Luna. Tuttavia, dato che eclissi solari interessano sempre porzioni limitate della superficie terrestre, il tempo necessario perché da un punto della Terra si possano osservare due successive eclissi totali di Sole è in media di 360 anni circa. Nonostante il movimento di regressione della linea degli equinozi, esiste una certa periodicità del fenomeno delle eclissi: durante 233 lunazioni, cioè in poco più di 18 anni (ciclo delle eclissi) si verificano in media 43 eclissi solari e 28 eclissi lunari; e dato che dopo 233 lunazioni le posizioni reciproche del Sole, della Luna e dei nodi si ripetono quasi in maniera identica, le eclissi verificatesi precedentemente si ripetono più o meno con la stessa successione e alle stesse distanze di tempo.

La Luna e le maree:

Anche se tra qualche controversia, fin dall'antichità le maree vennero associate al movimento della Luna nel cielo. La teoria quantitativa delle maree si deve però a Isaac Newton: essa prevede che l'attrazione gravitazionale lunare sulle diverse parti del nostro pianeta, non perfettamente bilanciata dalla forza centrifuga (dovuta al movimento della Terra), provochi due 'rigonfiamenti' del globo terracqueo, che restano sempre all'incirca allineati con la linea che congiunge il centro della Terra e la Luna. Come risultato, si sviluppano negli oceani terrestri due onde di alta marea che girano intorno alla Terra 'inseguendo' la direzione della Luna: in ogni data località la marea si ripete ogni 12 ore e 25 minuti, che è la metà dell'intervallo di tempo dopo il quale la Luna ritorna più o meno nella stessa posizione nel cielo. Le due onde di alta marea, allineate approssimativamente con la direzione della Luna, incontrano attrito nel loro moto intorno alla Terra: i continenti poi sono ostacoli non aggirabili. Si ha quindi un rallentamento della rotazione terrestre dovuto alle onde di marea e nello stesso tempo, le stesse onde mareali vengono 'trascinate' in avanti. Questo fenomeno provoca due conseguenze importanti. In primo luogo, la durata del giorno terrestre aumenta costantemente di una piccola quantità, circa due millesimi di secondo ogni secolo.

Su periodi di tempo molto lunghi, la crescita della durata del giorno è stata determinata da osservazioni di tipo paleontologico su alcuni antichi organismi marini, come i coralli e i microrganismi, che costituiscono gli attuali fossili o sedimenti stratificati. Notando gli strati di spessore variabile la cui variabilità è dovuta a vari fenomeni tra cui la durata del giorno e l'ampiezza delle maree, si è visto che circa 300-400 milioni di anni fa il giorno era più corto di circa il 15-20% di quello attuale, il che conferma le ultime rilevazioni effettuate sul tasso di incremento di durata del giorno terrestre.

La seconda conseguenza dell'attrito delle maree è la variazione a lungo termine della distanza media Terra-Luna. Il motivo sta nel principio di azione-reazione: la Terra reagisce al 'freno' delle maree lunari 'spingendo' la Luna in avanti, e quindi provocando un allargamento graduale della sua orbita. Anche questo fenomeno, per quanto minuscolo, è oggi misurabile direttamente grazie alle rilevazioni di distanza Terra-Luna permesse dagli 'specchi' lasciati dalle missioni Apollo sulla superficie lunare. Dopo circa vent'anni di rilevazioni si è notato che mediamente la Luna si allontana di circa un centimetro l'anno.

Un'altra teoria per la descrizione delle maree è dovuta a G.H. Darwin che considera la Terra e la Luna come un unico sistema ruotante intorno al Sole. Il centro di tale sistema si troverebbe nella Terra a circa 2/3 dal centro del pianeta dalla parte della Luna. Considerando perciò due punti sulla Terra A e A' diametralmente opposti, si avrebbe che le acque poste in A si solleverebbero per diretta attrazione lunare, mentre quelle poste in A' per la maggiore forza centrifuga dovuta alla rotazione del sistema; in corrispondenza dei punti B e B' la bassa marea sarebbe dovuta invece alla maggiore forza centripeta.

Queste due teorie non esauriscono tutte le possibilità e vi sono molteplici altre opinioni che coinvolgono il Sole, l'inclinazione degli assi terrestri e lunari, le correnti ed altro ancora.