月球

月球

月球(Moon)

地球北半球所见的刚过满月的月球。
轨道参数
近地点 363104公里(0.0024天文单位)
远地点 405696公里(0.0027天文单位)
半长轴 384399公里(0.00257天文单位)
离心率 0.0549
轨道周期 27天7小时43.1分
会合周期 29天12小时44分2.9秒
平均轨道速度 1.022公里/秒
轨道倾角 5.145°(与黄道)
(与地球赤道倾角在18.29°-28.58°间)
升交点黄经 每18.6年在公转轨道上退行一周
近地点参数 每8.85年在公转轨道上顺行一周
隶属天体 地球
物理特征
平均半径 1737.10公里(0.273地球半径)[1]
赤道半径 1738.14公里(0.273地球半径)[1]
半径 1735.97公里(0.273地球半径)[1]
扁率 0.00125
周长 10921公里赤道的)
表面积 3.793 × 107公里2(0.074地球表面积)
体积 2.1958 × 1010 公里3(0.020地球体积)
质量 7.3477 × 1022公斤(0.0123地球质量)
平均密度 3.3464 公克/公分3
表面重力 1.622 /秒2 (0.165 4 g
2.38公里/秒
恒星周期 27.321582(同步)
赤道自转速度 4.627米/秒
转轴倾角 1.5424° (对黄道)
6.687°(对轨道平面)
反照率 0.136[2]
表面温度 最低 平均 最高
赤道 100 220 开 390 开
85°N[3] 70 开 130 开 230 开
视星等 −2.5至−12.9[nb 1]
−12.74 (平均满月)[1]
角直径 29.3至34.1 弧分[1][nb 2]
大气特征[4][nb 3]
表面气压 10−7 (白天)
10−10帕(夜晚)
成分

月球,俗称月亮,古时又称太阴玄兔[5],是地球唯一的天然卫星[nb 4][6],并且是太阳系第五大的卫星。月球的直径是地球的四分之一,质量是地球的1/81,相对于所环绕的行星,它是质量最大的卫星,也是太阳系内密度第二高的卫星,仅次于木卫一

一般认为月亮形成于约45亿年前,地球出现后的不长时间。有关它的起源有几种假说;最被普遍认可的解释是,它形成于地球与火星般大小的天体-“忒伊亚”之间一次巨大撞击所产生的碎片。

它的自转公转同步潮汐锁定),因此始终以同一面朝向着地球;正面标记着黑暗的火山熔岩,中间夹杂着明亮和古老地壳的高地和显目的陨石坑。它是天空中除了太阳之外最亮的天体,尽管它呈现非常明亮的白色,但其表面实际很暗,反射率仅略高于旧沥青。由于月球在天空中非常显眼,再加上规律性的月相变化,自古以来就对人类文化如语言历法、艺术和神话等产生重大影响。月球的引力影响造成地球海洋的潮汐和每一天的时间延长。月球现在与地球的的距离,大约是地球直径的30倍。而月球与太阳的大小比率与距离的比率相近,使得它的视大小与太阳几乎相同,在日食时月球可以完全遮蔽太阳而形成日全食

月球是第一个人类曾经登陆过的地外星球。前苏联月球计划在1959年发射了第一艘登月的无人太空船,而美国NASA阿波罗计划是到目前为止,唯一实现的载人登月任务。阿波罗8号在1968年曾载人环绕月球,1969年阿波罗11号首次载人登陆月球,至1972年人类共六次登月成功。这些任务总共带回了超过380公斤的月球岩石,其中有些被用于研究月球的地质,以了解月球的起源(通过相关的研究提出月球形成于45亿年前的巨大撞击假说),月球内部结构形成以及月球形成后的历史。在1972年阿波罗17号之后,只有无人太空船继续拜访月球,其中最值得一提的是苏联月球步行者漫游车。自从2004年,日本、中国、印度、美国和欧洲空间局都发射了绕月卫星。这些太空探测器确认了月球极区上永久阴暗的坑穴的土壤中有水冰的存在。现在人类有载人重新登陆探测月球的计划,但尚未成行;现在在外太空条约下,月球依然是所有国家以和平的用途可以自由前往探测的场所。

名称和语源

月食期间呈淡红色的月球

中文的月为象形文字,在甲骨文像一弯眉月的样子。东汉许慎在《说文解字》一书中分析的字型时说:月,阙也。人们经过观察,发现月圆的时间少,(弦月或眉月等)的时间多,于是就照眉月的样子创造出这个象形字。

在英语中月的专有名称是“the Moon”[7][8]。该名词源于原始日耳曼语的“mǣnōn”[9],在725年之前的古英语被称为"mōna",1135年为“mone”,大约在1380年变为“moone”,之后再变成现在的写法。月球在现代英语的主要形容词是“lunar”,源自拉丁文的“Luna”。另一个比较不常用的形容词是“selenic”,则源自古希腊文的“Selene”(Σελήνη),是衍生自字首“seleno-”(像是“selenography”)[10]。古希腊塞勒涅(Selene)和古罗马的狄安娜(Diana)或称辛西娅(Cynthia)[11] 的女神都是月球的名字。辛西娅和塞勒涅是反映月球处于不同轨道期如远月点近月点的专门术名,狄安娜一名连接死亡,意指白天

月球也有“地卫一”的称唿。

月球
月球北极
月球南极

形成

播放媒体
月球的演变和月球之旅
大碰撞说的动画示意图,忒伊亚在地球的L5点形成,然后摇摆着进入碰撞轨道。该动画以一年为步进,地球位置不变。视角为从地球南极看去。

有数种机制都认为月球形成于45.27亿± 0.10亿年之前[nb 5],即大约是太阳系诞生之后的3000万至5000万年[12]。这些机制包括分裂说、捕获说和地月同源说(挛生说)等。分裂说认为月球是由于离心力从地壳分裂出去[13],但要产生如此大的离心力,需要地球在诞生初始时有超高速的自转[14]。捕获说则认为月球是在成型时被地球引力场捕获的天体[15],但这种假说需要地球拥有一个有非常大的大气层消耗月球通过时的能量,减缓月球运动速度[14]。同源说认为地球和月球形成于同一原生吸积盘,但这种假说无法解释月球上金属铁的匮乏[14],也不能解释地月系统的高角动量[16]

现今主流的地月系统形成理论是大碰撞说:一颗火星大小的天体(被称为忒伊亚,神话故事中月球女神塞勒涅的母亲)与原生地球碰撞,爆裂出的物质进入环绕地球的轨道,经由吸积形成月球[17]

假说虽然不是很完美,但也许是最好的解释。在1984年10月有关月球起源会议召开前的18个月,比尔·哈特曼(Bill Hartmann)、罗杰·菲利普斯(Roger Phillips)和杰夫·泰勒(Jeff Taylor )挑战月球科学家同事们:“你们有十八个月的时间,下定决心,回到阿波罗数据,回到电脑中,做所有你们必须做的事。不要来参加我们的会议,除非你们有了有关月球诞生的话要说”。1984年夏威夷科纳的会议上,大碰撞假说成为最受欢迎的理论。

在会议之前,有三种“传统”理论学派,加上少数开始认真思考大撞击理论的人,大量的是认为辩论永远不能解决问题的中间派。会后,学术界实质上只分为两派:大碰撞阵营和不可知论者[18]

大碰撞理论认为:在太阳系诞生的早期,巨大的撞击是很常见的。计算机模拟的大碰撞模型表明,这样的撞击后产生的双星系统具有充分的角动量匹配目前地月系统的轨道参数,而且也可以解释月球具有相对较小核心的原因。此外,大碰撞说还可以合理解释地月成分的不同:月球的大部分组成成分都来自撞击前的天体,而并不是原生的地球[19]。但是这个假说仍然不是很完善,例如对陨石的研究却显示内太阳系的其他天体,如火星灶神星等,其氧和钨的同位素成分和地球不同,而地球和月球有非常相似的同位素成分。一个合理的解释是导致地月系形成的撞击混合了地球和月球形成时挥发的物质,有可能导致两个天体之间同位素的组成变得均衡[20],但这种解释仍有争议[21]

大碰撞中所释放的大量能量和之后在地球轨道上再作用的物质会熔化地球的外壳,形成岩浆海[22][23]。新形成的月球也会产生自己的月球岩浆海,估计它的深度范围为500公里至1737公里(1079英里),相当于月球自身的半径[22]

尽管它准确地解释许多证据,但大撞击假说很难完全解释一切,其中大部分涉及月球的组成成分[24]

另外一种假说则认为大碰撞产生了两颗在同一轨道上的卫星,一个就是月球,而另外一个较小,直径只有约1000公里。在数千万年后,两个卫星缓慢相撞,最后合二为一。这种假说解释了月球一面地势平坦,另一面则地势起伏不平的原因[25][26]

古裂谷-矩形结构(可见–地形–圣杯号)
古裂谷– 背景
古裂谷–特写(艺术想像图).

2001年,华盛顿卡耐基研究所的一个研究团队报告了对月球岩石同位素最精确的测量值[27],研究小组惊讶地发现,阿波罗计划所带回岩石的同位素特征,与地球岩石相同,而不同于太阳系几乎所有的天体。这完全出乎于以前认为的进入轨道形成月球的大部分物质都来自于忒伊亚的想法。2007年加州理工大学研究人员宣布,忒伊亚同位素特征与地球相同的概率低于1%[28]。2012年发表的阿波罗月球样品的钛同位素分析同样表明,月球和地球的组成成分相同[29],这完全有悖于大碰撞假说预期的月亮形成于远离地球的轨道或来自忒伊亚。

物理特性

内部构造

月球的结构
月球表土的化学成分(由月面的岩石推导得出)[30]
化合物成分 型式 成分(wt %)
高地
二氧化硅 SiO2 45.4% 45.5%
氧化铝 Al2O3 14.9% 24.0%
氧化钙 CaO 11.8% 15.9%
氧化铁 FeO 14.1% 5.9%
氧化镁 MgO 9.2% 7.5%
二氧化钛 TiO2 3.9% 0.6%
氧化钠 Na2O 0.6% 0.6%
总计 99.9% 100.0%

月球是一个已经分异的天体,即它拥有地壳地幔、和核心。月球的内核富含固态铁,半径大约为240公里,此外还有一个流体的外核,主要成分是液态铁,半径大约为300公里。核心周围是部分熔融的边界层,约有500公里的宽度[31]边界层结构是在45亿年前月球形成不久之后,由月球岩浆海通过分离结晶形成的[32]。岩浆海的结晶可以经由沉淀形成由镁铁质和沉积的橄榄石斜辉石斜方辉石等矿物组成的地幔。四分之三的岩浆海结晶之后,可能形成密度较低的斜长石并浮在地壳的顶部[33]。最后才由液体结晶的部分会被夹在地壳和地幔之间,并且含有大量不相容和发热的元素[34]和之相符的是从月球轨道上遥感绘制的月球地质化学图也显示其地壳几乎都是由斜长岩组成[4]。通过对部分熔融的地幔喷发出的熔岩流冷凝下来的月岩样本的研究,科学家确认地幔含有比地球更丰富的铁,其主要成分是镁铁质[34]。通过地球物理技术发现月球地壳的平均厚度约为50公里左右[34]

月球是太阳系内密度第二高的卫星,仅次于埃欧[35]。但是月球的内核并不大,半径大约是350公里甚至更小[34],只占月球大小的约20%,相较之下,其它地球型天体的比例约为50%。它的组成尚不是完全清楚,可能是由金属铁组成,同时含有少量。对月球随着时间变化转动的分析显示月球核心至少仍有部分是熔融的[36]

表面地质

月球背面,和正面的不同之处在于缺少黑暗的月海[37]
月球的地形。

月球是地球的同步自转卫星,它绕轴自转的周期与绕地球的公转周期是相同的,这使得它几乎永远以同一面朝向地球。它之前以较快的速度旋转,在后来由于地球产生潮汐摩擦,让其自转速度减慢,直到最后以同一面持续面对地球,即潮汐锁定[38]。我们将月球朝向地球的一面被称为正面,而相对的另一面则称为背面,背面通常也称为"暗面",但是事实上它如同正面一样会被照亮。当月相为新月时,我们看到月球的正面是黑暗的,而月球的背面则被太阳照亮[39]

科学家曾经使用激光测高仪和立体影像分析对月球表面的地形进行测量[40]。月球表面最明显的地形特征是位于背面的巨大撞击坑南极-艾托肯盆地,其直径有2,240公里,是月球上最大的陨石坑,也是太阳系中已知最大的[41][42]。它的底部是月球上海拔最低的地方,深度达到13公里[41][43]。而月球海拔最高的地点则正好就在它的东南方,有人认为这个区域是造成南极-艾托肯盆地的撞击所形成的隆起[44]。月球上的其它大撞击盆地,如雨海澄海危海史密斯海东方海等,也都拥有低海拔的区域和高耸的边缘[41]。月球背面的平均高度比正面高1.9公里[34]

表面地理[编辑]

月球是一个南北极稍扁、赤道稍许隆起的扁球。它的平均极半径比赤道半径短500米。南北极区也不对称,北极区隆起,南极区洼陷约400米。但在一般计算中仍可把月球当作三轴椭圆体看待。物理天平动的研究有助于解决月球形状问题。通过天平动研究还表明,月球重心和几何中心并不重合,重心偏向地球2公里。这一结论已为阿波罗登月获得的资料所证实。

火山地形[编辑]

在月球表面上用肉眼可以清楚看见有黑暗的,相对平坦的平原,我们称之为月海,这是因为古代的天文学家认为这些地方充满了[45]。现在,我们知道这些黑暗部分是古代火山爆发后熔岩浆在洼地凝结成的广大玄武岩。和地球的玄武岩类似,月海中的玄武岩含有丰富的铁,而完全缺乏因水流过而出现的矿物[46][47]。大多数喷发的熔岩浆流入与撞击盆地相连接的洼地,形成月海。现在科学家已经在月球正面的月海中发现几个拥有盾状火山和火山穹顶的地质分区[48],这些是熔岩浆凝结形成月海的证据。

月球火山活动的证据

几乎所有的月海都位于月球正面,占正面面积的31%[49],相较之下,在月球背面只有少数的月海,只涵盖了背面2%的面积[50]。这被认为和通过月球探勘者的伽玛射线光谱仪所描绘的月球化学图上所看见在月球正面地壳下的生热元素的浓缩有关。生热元素的浓缩会造成地幔下的温度上升,部分熔解,并上升到表面造成喷发[33][51][52]。大部分玄武岩的喷发都出现在30至35亿年前的雨海纪,但也有少部分样本的辐射定年显示其形成于更古老的42亿年[53],也有一些相对年轻的样品,最年轻的喷发物经由撞击坑计数测定年限发现其发生在12亿年前[54]

月球上较亮的部分被称为“高地”,因为它们高于大多数的月海。经由辐射定年测定它们是于44亿年前形成的,这意味着这些高地可能是在月球岩浆海形成时的斜长岩堆积所产生的[53][54]。月球上没有任何一个主要的山脉被认为由地质构造事件产生的,这和地球的情况刚好相反[55]


撞击坑[编辑]

在月球背面的代达罗斯坑。

另一个会影响月球表面地形的主要地质事件是撞击坑[56]小行星彗星撞击月球表面时都会形成陨石坑,现在估计单在月球正面直径大于1公里的陨石坑就大约有300,000个[57],其中有些陨石坑以知名的学者、科学家、艺术家和探险家的名字命名[58]月球地质年代是根据月面上的重大陨石撞击事件进行分界,包括在酒海雨海东方海等的撞击事件。这些撞击事件的结构特征是产生多层物质隆起的环,通常是由数百至数千公里直径的围裙状喷发物沉积形成一个区域性的地层视界[59]。由于月球没有大气层、天气变化,在最近几十亿年也没有地质活动,大部分环形山都保存得很完好。虽然有几个多环盆地明显的已经很久远,它们还是能用于分派相对的年龄。由于撞击坑是以恒定的速率累积,计算单位面积内的撞击坑数目可以用来估计表面的年龄[59]阿波罗任务收集撞击熔化的岩石以辐射测定年龄,群集在38亿和41亿年的年龄:这已被用来建议撞击的后期重轰炸期[60]

覆盖在月球地壳上的是高度粉碎的(碎裂成更小的颗粒)和撞击园艺下的表面层称为风化层,是由撞击过程形成的。最细微的风化层,是二氧化硅的月球土壤玻璃状物体,有着像雪一样的纹理和闻起来像用过的火药[61]。较老的风化层表面一般比年轻的表面厚;在高地的厚度在10-20米之间,在海的厚度则是3-5米。[62] 在细致的粉碎风化层下面是“粗风化层(megaregolith)”,厚达数公里高度碎裂的基岩[63]

水的存在[编辑]

克莱门汀号拍摄的月球南极马赛克图:请注意极地的永久阴影。

月球的表面不存在液态水,因为太阳辐射会使水被光解并快速逸入太空。但从1960年代以来,科学家假设由彗星撞击所带来的水、或者来自太阳风的氢和含氧丰富的月岩反应所产生的水,都可能以冰的型态沉积下来,并在月球两极撞击坑低温的永久阴影区留下可以追踪得到的痕迹[64][65]。电脑模拟月面的永久阴影区约有14,000公里2[66]。在月球上可用水的数量是一个重要的因素,可以决定建设一个月球适居区计划的成本效益,因为从地球运水到月球的费用极为昂贵[67]

近年来,已经在月球表面发现水的特征[68]。在1994年,安装在克莱芒蒂娜太空船的双向雷达实验,显示有少量、冰冻的水存在接近表面的凹穴内。但是,后续使用阿雷西波的雷达观测,认为此一发现可能是由新撞击坑中的岩石近被撞击的岩石喷出的[69]。在1998年,月球勘探者携带的中子能谱计显示,在极地附近深度1米的风化层存在着高浓度的氢[70]。在2008年,对一颗由阿波罗15号带回的熔岩珠的分析,显示有微量的水存在于球状硅酸盐玻璃内[71]

在2008年,印度的月船1号太空船使用在载月球矿物绘图仪确认表面有水冰的存在。分光计观测在反射的阳光中侦测到羟基的通用吸收谱线,提供了有大量水冰在月球表面的证据。太空船显示浓度可能高达1000PPM[72]。在2009年,LCROSS送了一个2,300公斤的撞击器到极区永久阴暗的环形山,并且从喷出的羽状物质中至少检测到100公斤的水[73][74]。LCROSS另一个实验的数据显示侦测到的水量,更靠近155公斤(± 12公斤)[75]

重力和磁场

月球的重力是地球的六分之一。

位于史密斯海测绘图(上图)及对应之引力图(下图)显示,这个地方有一个和地形相反的质量瘤。

月球的重力场已经通过围绕月球旋转的探测器发射无线电信号的多普勒效应所测量的。月球重力场主要的特征是拥有质量瘤,即在一些巨大的撞击盆地却反而出现较重的重力分布,这可能与组成这些盆地的玄武岩熔岩流密度较大有关系[76],这些异常对环绕月球轨道的太空船有极大的影响,如果经月球这些地域时,假如太空船与月面距离足够低,而且轨道不加修正的话,那么太空船会在数个月或数年间在月球表面坠毁。但令人困惑的是,熔岩流密度本身不足以完全解释重力异常,有一些质量瘤的存在明显和月海中的火山作用形成的熔岩流无关[77]

月球拥有一个强度不到地球磁场百分之一,范围在1至数百纳特斯拉之间的外在磁场。月球上已被发现有类似质量瘤的异常的磁场区。这些磁场区有明显不同于其他地方的磁场强度(但是原因未知)。 天体液体金属核心可以生成的全球性双极性磁场,但现在 月球的磁场并不是由液体金属核心产生的,而可能是在月球演化的历史早期被磁化而一直保留至今的地壳磁场[78][79],月球磁场另一种可能来源是在大碰撞事件期间生成的瞬态磁场残余的磁化,通过撞击产生的等离子云包围,扩大了磁场的范围,这种说法受到最大的地壳磁场撞击盆地对面出现对跖点的支持[80]

大气层

月球有一个非常稀薄、接近真空的大气层,总质量低于10公吨[81]。如此小的大气质量在月球表面产生的压力大约是3 × 10−15atm(0.3nPa),数值随着月球一天的时间不同而改变。月球大气的来源包括出气和溅射,如太阳风的离子轰极月球表面释放出的原子[4][82]。过往曾经检测到由溅射产生的原子包括,相同的情况也曾在水星埃欧的大气中发现过。月球大气的氦-4来自太阳风,氩-40氡-222钋-210则来自月球地幔相关元素放射性衰变后的溅射[83][84]。但月球大气中缺乏存在于月球表岩屑等自然元素的原子或分子,目前原因尚不清楚[83]月船1号已经在月球大气中发现水蒸气的存在,其含量随着月球纬度的不同而改变,大约在纬度为60-70度时水蒸气的含量最高。这些水蒸气可能是由月球表面表岩屑的水冰升华而生成的[85]。月球大气层的气体有些被月球的重力吸引回到表岩屑,有些由于太阳的辐射压,或者被太阳风的电离后逃逸到太空中[83]

季节

月球的转轴倾角只有1.54°,远小于地球的23.44°。由于这个缘故,太阳照射对月球季节变化的影响很小,反而是月球表面地形对季节变化有重要作用[86]。在2004年,约翰·霍普金斯大学的Ben Bussey博士率领的小组研究克莱芒蒂娜探测器在1994年获得的影像,发现位于月球北极的皮尔斯环形山边缘有4个区域在整个月球日中都被阳光所照亮,形成永昼峰,而在月球南极地区没有类似的区域。而在极区的许多环形山底部是永久黑暗的,没有受到阳光照射[66]。这些黑暗的环形山底部是极低温的:月球勘测轨道飞行器在夏天的南极环形山底部测得的最低温度是35K(−238 °C)[87],而在接近冬至时在北极测得厄米环形山的温度只有26K(−247 °C)。这个温度比冥王星的表面温度还要低,是太空船在太阳系中所测得的最低温度[86]

与地球的关系

地月系统的示意图(未依一致的比例)。

轨道

月球相对于固定的恒星以27.32天的周期完整地绕行轨道一周。更正确的说,月球的平恒星周期是27.321661天(27d 07h 43m 11.5s),和平回归周期(从分点至分点)是27.321582天(27d 07h 43m 04.7s)(“天文历书的补充解释”, 1961, at p.107)(它的恒星周期)。然而,因为地球间同时间也绕着太阳转,它对地球呈现相同相位的时间就会较长,大约是29.53天[nb 6](它的会合周期[49]。与其他行星大多数的卫星不同,月球的轨道比较接近黄道平面,而不是地球的赤道平面。月球的轨道受到太阳和地球许多小、复杂并且相互影响而难解的摄动,例如月球轨道平面的渐进转动,这影响到月球其它的运动状态。卡西尼定律以数学叙述出后续的影响[88]

其中主要的轨道变化有:偏心率变化、轨道倾角变化、拱线运动、交点西退、中心差。

地球和月球,按比例显示它们的大小和距离。黄色条表示在1.26秒中光脉冲旅行从地球到月球 (约 400,000 km or 250,000 mi) 。

偏心率变化[编辑]

太空深处气候观测卫星(DSCOVR)所拍摄到的月球从地球前方掠过的景象。

月球轨道偏心率变化在1/15到1/23的范围内,偏心率的平均值为0.0549,接近1/18。
严格来说,地球与月球围绕共同质心运转,共同质心距地心4,671公里(即地球半径的2/3处)。由于共同质心在地球表面以下,地球围绕共同质心的运动好像是在“晃动”一般。从地球北极上空观看,地球和月球均以逆时针方向自转;而且月球也是以逆时针绕地运行;甚至地球也是以逆时针绕日公转的。

很多人不明白为什么月球轨道倾角和月球自转轴倾角的数值会有这么大的变化。其实,轨道倾角是相对于中心天体(即地球)而言的,而自转轴倾角则相对于卫星(即月球)本身的轨道面。这个定义习惯很适合一般情况(例如人造卫星的轨道)而且数值是相当固定的,但月球却非如此。

拱线运动[编辑]

月球围绕地球的椭圆轨道,在它自己的平面上也不是固定的,其椭圆的拱线(近地点和远地点的连线)沿月球公转方向向前移动,每8.85年移动一周。中国早在东汉贾逵就提出月球视运动的最疾点每九年运动一周,这实际上正是拱线运动的结果。

轨道倾角变化[编辑]

月球轨道(白道)对地球轨道(黄道)的交角(黄白交角)变化在4°57~5°19之间,平均值为5°09。
月球的轨道平面(白道面)与黄道面(地球的公转轨道平面)保持着5.145 396°的夹角,而月球自转轴则与黄道面的法线成1.5424°的夹角。因为地球并非完美球形,而是在赤道较为隆起,因此白道面在不断进动(即与黄道的交点在顺时针转动),每6793.5天(18.5966年)完成一周。期间,白道面相对于地球赤道面(地球赤道面以23.45°倾斜于黄道面)的夹角会由28.60°(即23.45°+ 5.15°)至18.30°(即23.45°- 5.15°)之间变化。同样地,月球自转轴与白道面的夹角亦会介乎6.69°(即5.15° + 1.54°)及3.60°(即5.15° - 1.54°)。月球轨道这些变化又会反过来影响地球自转轴的倾角,使它出现±0.002 56°的摆动,称为章动

交点西退[编辑]

白道与黄道的交线,其空间位置并不固定,而是不断地向西运动,每18.6年运行一周。这一现象早在东汉末年就为刘洪发现,并用于月食预报计算中。

中心差[编辑]

由于月球轨道是椭圆而不是圆形,月球公转速度并不均匀。月球运动同均匀的圆周运动比较,时而超前,时而落后,其半振幅为6°.29,周期为27.55455日。

几何天秤动[编辑]

由于月球轨道为椭圆形,当月球处于近地点时,它的自转速度便追不上公转速度,因此我们可见月面东部达东经98度的地区,相反,当月处于远地点时,自转速度比公转速度快,因此我们可见月面西部达西经98度的地区。这种现象称为经天秤动。又由于月球的自转轴倾斜于公转轨道平面(白道面),而白道与黄道又有约5度的交角,因此月球绕地球公转一周时,极区会作约7度的晃动,这种现象称为纬天秤动。再者,由于月球距离地球只有60地球半径之遥,若观测者从月出观测至月落,观测点便有了一个地球直径的位移,可多见月面经度1度的地区。这种现象称为周日天秤动

如同绝大多数天体运行,月球绕地球的长期轨道痕迹是一个甜甜圈,月球轨道远离的现象会到目前轨道的大约1.4倍为止,然后再慢慢绕回来。

相对大小

5,000万公里的距离上拍摄的地球和月球大小的比较[89]

月球相对于地球的大小是最大的:直径是四分之一,质量是1/81[49]。就卫星与行星的相对大小比例来说,它是太阳系最大的卫星(虽然凯伦矮行星冥王星相对来说更大)[90]

然而,地球和月球仍然被认为是一种行星-卫星系统,而不是双行星系统,因为它们的质心,一般所谓的质量中心,位于地球表面之下1,700公里(大约是地球半径的四分之一)[91]

从地球看月球

月球有着异常低的反照率,它的数值与煤炭相当。尽管如此,它仍是天空中继太阳之后第二亮的天体[49][nb 7]。这一部分是因为对冲效应的增强效果;在弦月时,月球只有十分之一的亮度,而不是满月一半的亮度[92]。此外,由于视觉系统的颜色恒常性重新校准天体的颜色和周围环境的关系,因为周围的天空比较黑暗,会觉得被太阳照射的月球是比较明亮的天体。满月的边缘感觉上会比中心明亮,并没有周边昏暗的效应,这是月球土壤的反射特性,它反射向太阳方向的光多于其它的方向。月亮出现在靠近地平线时会显得比较大,但这纯粹是一种心理上的影响,也就是所谓的月球错觉,最早的叙述出现在公元前7世纪[93]

月球被太阳照射的方向和从地球看见的一个月的变化,结果是月球的相位。

月球在天空中最高的高度变化:虽然它有与太阳相同的限制,在一年当中它会随着季节与月相变化,满月在冬天到达最高的位置。18.6年的焦点周期也有些影响:当月球的升交点春分点,月球每个月的的纬度可以到达28°。这意味着月球会出现在赤道到纬度28°之间的天顶,反过来 (降交点在春分点)则只有18°。月球的新月方向也取决于观测者的纬度:接近赤道的观测者,可以看见微笑状的新月[94]

月球的表面是否会随着时间改变,在历史上仍有争议。今天,许多这些主张被认为是虚幻的,是在不同光线条件下观察的结果,不良的视宁度,或不当的绘图。但是,偶尔会出现出气现象,还有小部分的报告可以归因于瞬变月面现象。最近,有人认为月球上一个3公里直径的区域在一百万年前被释放出的气体改变[95][96]。月球的外观,像太阳一样,也会受到地球大气层的影响:常见的是当月光通过高空的卷层云时,会受到冰晶的折射形成22°的晕环,通过薄云也会有相似的冕环[97]

潮汐效应

地球上的潮汐主要是来自月球牵引地球两侧引力强度的渐进变化,潮汐力,造成的。这在地球上造成两处隆起,最清楚的是海潮,海平面的升高[98]。由于地球自转的速度大约是月球环绕地球速度的27倍,因此这个隆起在地球表面上被拖曳的速度比月球的移动还快,大约一天绕着地球的转轴旋转一圈[98]。海潮会受到一些影响而增强:水经过海底时的摩擦力与地球自转的耦合,水移动时的惯性,接近陆地的平坦海滩,和不同海洋盆地之间的振荡[99]。太阳的引力对地球海潮的影响大约是月球的一半,它们相互的引力影响造成了大潮和小潮[98]

单独一个月的天秤动

月球和靠近月球一侧隆起的重力耦合对地球的自转产生了一个扭矩,从地球的自转中消耗了角动量和转动的动能[98][100]。反过来,角动量被添加到月球轨道,使月球加速,使得月球升到更高的轨道和有更长的轨道周期。结果是,月球和地球的距离增加,和地球的自转减缓[100]。通过阿波逻任务安装在月球表面上的月球测距仪,测量月球到地球的距离,发现地月距离每年增加38毫米[101](虽然每年只是月球轨道半径的0.1 ppb)。原子钟也显示地球的自转的一天,每年约减缓15微秒[102],在UTC的缓慢增加被闰秒加以调整。 潮汐拖曳会继续进行,直到地球的自转速度减缓到与月球的轨道周期吻合;然而,在这之前,太阳已经成为红巨星,吞噬掉地球[103][104]

月球表面也能体验到周期约27天,振幅约10公分的潮汐,它有两种成分:因为它的同步自转,来自地球的是固定的;和来自太阳的变动[100]。来自地球噵致的量是天秤动,这是月球轨道离心率造成的结果;如果月球轨道是理想的圆,就只会有太阳造成的潮汐[100]。天秤动会改变从地球看见的角度变化,使得从地球可以看见59%的月球表面(但在任何时间看见的都略少于一半)[49]。这些潮汐力累积的应力会造成月震。虽然每次震动可以持续至一小时以上-明显的比地震的时间长-因为缺乏水来阻尼震动的振幅,但月震不如地震的频繁,也比地震微弱。月震的存在是1969年到1972年的阿波罗太空人安放在月球上的地震仪的一个意外发现[105]

1999年的日蚀
日地关系天文台-B太空船看见月球从太阳前方通过[106]
从地球看月球和太阳有相近的大小。从尾随着地球轨道的卫星看月球比太阳小了许多。

当地球、太阳和月球在一条直线上时,才会出现蚀。日食发生在(有别于新月),当月球介于地球和太阳中间。对照过来,月食发生在满月,当地球介于太阳和月球中间。从地球看月球的角视直径和太阳的角视直径变化的范围是重叠的,因此日食时会有日全食日环食的可能性[107]。在日全食,月球会将太阳的盘面完全遮蔽掉,因此以肉眼就能看见日冕。由于地球和月球的距离缓慢的在逐渐增加中[98],月球的角视直径逐渐减小。这意味着在数百万年前的日食,月球都会完全遮蔽掉太阳,而没有发生日环食的可能。同样的,从现在开始大约6亿年之后,月球将不再能够完全遮蔽掉太阳,因此将只会发生日环食[108]

由于月球环绕地球的轨道相对于地球环绕太阳的轨道有大约5°的倾斜,所以不是每个新月和满月都会发生食。当食发生时,月球必须在两个轨道平面交集的附近[108]。日食和月食复发的周期性,由沙罗周期来描述,其周期大约是18年[109]

由于月球在天空中总是会遮蔽大约半度直径圆型区域的视野[nb 8][110],当一颗亮星或行星经过月球的后方时,就会发生掩星的现象:从视线中隐藏。这样一来,日食只是太阳被掩蔽。由于月球非常的靠近地球,单独一颗恒星被掩蔽的现象不是在地球上的任何地点都能见到,也不是同时见到。并且因月月球轨道的进动,每年会被掩蔽的恒星也都有所不同[111]

研究和探测

约翰·赫维留的月面图集(1647年)中转载的月面图,这是第一张包含天秤动区域的月面图。

早期的研究

在天文学发展的早期天文学家已经对月球周期有深刻的理解:如大约在公元前5世纪,巴比伦天文学家已经知道月食有大约18年的沙罗周期[112],印度天文学家已经对月球每个月的距角进行描述[113]中国天文学家石申(fl. 4th century BC)确定了一套预测日食月食的公式[114]。之后,月球的天然形状和月光的成因也被了解,古希腊哲学家阿那克萨哥拉(d. 428 BC)推断太阳和月球都是巨大的岩石球体,而且后者通过反射前者的光来发光[115][116]。虽然中国汉朝时认为月球等同于“”,他们的“辐射影响”理论解释月球光只是反射自太阳,京房(前77年—前37年)注意到月球是球体[117]。公元499年,印度天文学家阿耶波多(Aryabhata)在他的《Aryabhatiya》记录月球的耀眼光芒是反射阳光的缘故[118]。天文学家兼物理学家海什木发现月球不像镜子那样反射阳光,而是从月球表面每一个方向往所有方向发射出去[119]。中国宋朝沈括创造一个涂上白色粉末的银球反射阳光,来解释月相的变化,而从侧面看时就能呈现眉月的月相[120]

亚里士多德的宇宙的描述(On the Heavens),月亮标示出可变元素(土、水、风和火)的球和不朽的恒星(以太)之间的边界,一个有影响力的哲学主导的世纪[121]。然而,在前2世纪塞琉西亚的塞琉古的理论认为潮汐是月球引力引起的,因为朝汐的最高点都与月球相对于太阳的位置相对应[122]阿里斯塔克斯在同一个世纪计算出月球大小和距离,得知地月的距离是地球半径的20倍。托勒密进一步更正这些数值:平均距离是地球半径的58倍,直径是地球的0.29,非常接近现在个别的值60和0.273[123]阿基米德发明了可计算当时已知行星和月球运动的天象仪[124]

中世纪望远镜发明之前,已经有越来越多人认识到月球是一个球体,但许多人却认为它的表面是非常平滑的[125]。1609年,伽利略在《星际信使》中使用第一架伸缩望远镜描绘的月球,注意到它并不是光滑的,有着环形山和山。望远镜描绘出如下的月球:乔万尼·巴蒂斯塔·里乔利(Giovanni Battista Riccioli)和弗朗西斯科·格里马尔迪(Francesco Maria Grimaldi)在17世纪后期的努力产生现今使用的月球命名系统。威罕·皮尔(Wilhelm Beer)和梅德勒(Johann Heinrich Madler)在1834-6年间发展出更精确的Mappa Selenographica,并且在1837年出版相关的书Der Mond,第一次用三角法准确的研究月球特征,包括一千多座山的高度、并引导对月球研究的精确度可能如同地球的地理[126]。最先注意到的月球环形山科学家是伽利略,一直被认为是火山。直到1870年代,理查德·波达(Richard Proctor)才提出这是由撞击形成的假设[49]。这种观点在1892年获得地质学家葛洛夫·吉伯特(Grove Karl Gilbert)的实验支持,1920年至1940年的比较研究[127]引导月球地层学发展,在1950年代成为天体地质学的一个崭新且持续发展的分支[49]

第一次直接探测:1959–1976

冷战期间,美国前苏联一直希望在太空科技领先对方。这场太空竞赛在1969年7月20日第一名人类登陆月球时达到高潮。美国阿波罗11号的指挥官尼尔·阿姆斯壮是踏足月球的第一人,而尤金·塞尔南则是在上世纪站在月球上的最后一个人,他是1972年12月阿波罗17号任务的成员。

苏联的任务[编辑]

苏联月球探测车

冷战-刺激了苏联和美国的太空竞赛,导致月球探测的加速和趣味性。一但发射器有足够的能力,这些国家就送出无人探测器进行飞越和撞击或登陆的任务。来自苏联的月球计划太空船最先完成多项目标:于1958年进行了三次未赋与名称的失败任务之后[128],第一个脱离地球的引力,并且飞越过月球的人造物体是月球1号;第一个撞击月球表面的人造物体是月球2号;第一个拍摄到通常是被遮蔽而看不见的月球背面影像的是月球3号,这全都发生在1959年。

第一艘成功执行在月球软着陆的是月球9号,第一艘环绕月球的无人太空船是月球10号,这两者都完成于1966年[49]。将月球的岩石和土壤标本带回地球的标本返回任务(月球16号月球20号月球24号)总共带回0.38公斤的月岩[129]。两个先锋的机器人太空船在1970年和1973年登陆于月球上,是苏联的月球步行者计划的一部分。

美国的任务[编辑]

阿波罗8号任务,于1968年的圣诞夜从月球看见的地球。非洲在日没的边界线上,美洲在云层之下,在边界线末端左边的是南极大陆。
在1969年7月20日人类第一次登月任务中,太空人阿姆斯壮拍摄的太空人巴兹·艾德林

美国的月球探测始于机器人任务的发展,旨在实现载人登陆月球的最终目标:喷射推进实验室测量员计划,在月球9号发射后4个月,发射第一艘登陆月球的太空船。NASA载人的阿波罗计划也在同时发展;经过无人的阿波罗太空船在地球轨道上一系列的测试之后,和苏联月球飞行能力的刺激,阿波罗8号于1968年首度执行载人环绕月球轨道的任务。在1969年人类首次登陆月球,与后续多次的登陆月球,使很多人认为是太空竞赛的最高潮[130]尼尔·阿姆斯壮是美国阿波罗11号任务的指挥官,他在1969年7月21日02:56 (世界时)踏上月球表面,成为第一位在月球上漫步的人[131]。从阿波罗11号到17号 (除了阿波罗13号中止了登陆月球的任务)的任务,总共带回382公斤、共2,196块月球岩石和土壤的标本[132]。美国登陆月球和返回使1960年代初期在的技术获得长足的进步与发展,特别是在烧蚀化学、软件工程重返大气层技术,和高阶巨大计划整合管理等领域[133][134]

在整个阿波罗任务中,许多套的科学仪器套件被建置在月球表面。能长期工作的仪器站,包括热流量探测器、地震仪磁强计,它们是阿波罗12号14151617设置的。它们将资料直接传送回地球,直到1977年才因为预算的理由而停止[135][136],但是工作站的月球激光测距回向反射器阵列是被动式的仪器,它们仍然在使用中。从地球例行测量的测站到月球基地的距离精确范围在几公分之内,并且从这些资料可以对月球核心的大小有所理解[137]

目前的时代:1990–现在

后阿波罗和月球,更多的国家已经直接参与月球的探测。在1990年,日本将太空船Hiten送到月球,成为第三个有环绕月球轨道卫星的国家。这艘太空船释放一个小探测器,Hagoromo,在月球轨道,但是发射失败,妨碍了进一步的科学应用任务[138]。在1994年,美国国防部和NASA联合发送了克莱芒蒂娜至月球轨道。这个任务首度获得几乎整个月球的全球地形图,和第一份月球表面全球的多光谱影像[139]。此后在1998年又派遣了月球探勘者任务,它的仪器显示在月球的极区有过量的氢,这可能是存在于永久阴暗的环形山内部风化层表层数米处的水冰[140]

欧洲太空船智能1号,第二艘使用离子推进的太空船,从2004年11月15日进入月球轨道直到2006年9月3日,并且第一次对月球表面的化学元素做了详细的调查[141]

月球基地想像图

中国也执行了中国探月工程探测月球,成功的发射了第一艘进入月球轨道的太空船,嫦娥一号,从2007年11月5日直到2008年3月1日在控制下撞击月球[142]。在6个月的任务期间,它获得月球表面完整的影像图。嫦娥二号于2010年10月1日发射升空,最主要的任务是为嫦娥三号预定着陆的虹湾拍照,而其分辨解析力高达1米。[143][144] 在2007年10月4日至2009年6月10日之间,日本宇宙航空研究开发机构的“月亮女神(Selene)”任务,携带了一架高明晰度电视摄影机,和两个小的无线电发射卫星,获得许多月球地理的资料和从地球轨道之外高明晰的影片[145][146]。 印度的第一次月球任务,月船1号,从2008年11月8日起环绕月球,直到2009年8月27日,创建了月球表面高解析的化学、矿物学和照片地质地图,并确认月球土壤中存在着水分子[147]印度太空研究组织计划在2013年发射月船2号,将会携带俄罗斯的机器人月球漫游车[148][149]。美国一起发射的“月球勘测轨道飞行器”(LRO)和“LCROSS”撞击器于2009年6月18日进入轨道;随后与轨道上的飞行器,在2009年10月9日一起在计划内与计划外广泛的观测LCROSS撞击Cabeus,完成他的使命[150],之后,LRO仍然继续运作,以月球高度测量术获得高分辨率的影像。

其它即将进行的月球探测任务包括俄国的月球-团块:以它们的火星福布斯-土壤的轨道器为基础的一种无人登陆器,架设地震仪,预计在2012年发射[151][152]。在2007年9月13日宣布的Google月球X大奖,激励私人资助的月球探索计划,将提供2,000万美元给任何让机器人登上月球且合于其它指定标准的人[153]

在美国总统乔治·沃克·布希在2004年1月14日宣布在2020年重返月球之后,NASA开始恢复载人任务计划[154]星座计划开始资助与测试载人太空船和发射器[155],并且研究和设计月球基地[156]。但是,2011年的政府预算已经取消了对NASA星座计划的挹注,这将迫使NASA取消在太空技术上的推行以及高推力火箭的研究[157]印度也表示希望在2020年能够送人上月球[158]

法律地位

虽然月球登陆者将苏联的旗帜散布在月面各处,美国国旗也象征性的插在阿波罗太空人登陆建立的工作站,但目前没有任何一个国家宣称月球表面的任何一部分是他们的领土[159]。苏联和美国在1967年签署的外层空间条约[160],它定义了月球和外太空是"全人类所共有的地方"[159],这份条约也限制了月球只能供和平目地的使用,明确禁止军事设施和大规模毁灭性武器的设置[161]。 1979年的月球协约限制单一国家对月球资源的创建、开发与利用,但是没有任何一个航太国家签署[162]。虽然有一些个人曾经宣称拥有月球的全部或部分,但这些没有一件是真实的[163][164][165]

文化

在许多的国旗上都会出现眉月和星星,包括土耳其巴基斯坦
这是Lorenz Frølich图绘的一部分,是挪威神话中被人格化的太阳和月球,月神玛尼(左)和太阳神苏尔(右,1895年)。

月球规则的相位变化是一个很好的计时器,周期性增长和衰减的形式成为许多古老历法的基础。2万至3万年前骨制计数棒上的缺口被认为是月相的标记[166][167][168]阴历的一个月大约是30天。英语中的名词month和日耳曼语系与其它同源的语系来自原始日耳曼语的*mǣnṓth-,这又连结到前述原始日耳曼语的*mǣnōn,显示德国民间在使用阳历之前是使用阴历[169]

月球已经给予艺术和文学作品无数的灵感,它是许多视觉艺术、表演艺术、诗歌、散文和音乐艺术的主题。有5,000年历史的爱尔兰Knowth石刻,可能是被发现、最早的代表月球的描绘[170]。月球上明亮的高地和黑暗的海的对比,在不同的文化和民族中创造出不同的形象,像是月球上的人、兔子、野牛、嫦娥、玉兔、螃蟹和其它的等等。在许多史前和古代的文化中,月球化身为月神,或其它超自然的现象和占星图的月亮,到今天仍然被继续传播。

  • 中国嫦娥奔月的神话。
    • 中国历代以来,在诗歌文学中对于月亮,有许多不同的雅称:
      • 和满月形状有关:白玉盘、半轮、宝镜、冰镜、冰轮、冰盘、蟾盘、飞镜、飞轮、挂镜、金镜、金盆、明镜、瑶台镜、银盘、玉镜、玉轮、玉盘、玉盆、圆影、月轮。
      • 和新月形状有关:悬钩、玉弓、玉钩。
      • 和月亮光芒有关:蟾光、方晖、金波、清光、夜光、幽阳。
      • 和神话有关:白兔、蟾蜍、蟾宫、嫦娥、顾菟、广寒、桂宫、桂魄、姮娥、琼阙、素娥、兔影、银阕珠宫、玉蟾、玉京、玉栏、玉兔、圆蟾、月桂、清虚、望舒。
      • 其他:冰壶、冰鉴、冰魄、婵娟、秋影、太阴。
  • 希腊神话中,月亮女神叫做阿耳忒弥斯,月球的天文符号就像一弯新月,也象征阿耳忒弥斯的神弓。
  • 北欧神话中,玛尼是驾驶月车的神明。

精神病的联想

月球长久以来也与精神错乱和非理性相关联;精神错乱(lunacy)和疯癫(loony)这两个字都源自拉丁文的月球,“Luna”。哲学家亚里斯多德老普林尼都辩称满月容易影响个人,甚至导致精神错乱,相信大多是水分的大脑,一定会受到月球和潮汐的影响;但是月球的引力太微弱,不会影响到任何一个人[171]。即使在今天,虽然没有科学的依据,依然有人坚称精神科病患的数量、交通事故、杀人或自杀的事件,在一轮满月的期间会增加[171]

月球的观察

从比利时阿莫瓦(Hamois)拍摄到的满月景象

满月期间,月球的视亮度约有-12.6等(作为参考,太阳的视亮度为-26.8等。)

月球在夜间最容易察觉得到,但它有时也可在日间看见。(例如上弦月可于下午看见,下弦月可于早上看见。)

月球大约每天推迟50分钟从东方升起。但正史中也有一些奇怪的记载,《金史·天文志》记载:“太宗天会十一年(1133年),五月乙丑(6月15日),月忽失行而南,顷之复故。”

作品

  • 法国科幻小说作家儒勒·凡尔纳的小说《环绕月球》,利用巨型大炮将人发射到月球上去。

参见

太阳系主题
月球主题

注释

  1. ^ 在NASA的数据中给的“最大值”是-12.74,这是基于地球赤道与月球中心的平均距离378,000公里;此处是以最近的距离,并且修正地球半径6,378公里之后的最近距离350,600公里推算得到的亮度。“最小值”(对新月的距离)是建立在相同的基础上,以数据页上的最远距离,407,000公里,并且计算地球照在新月上的亮度。地球照的亮度是[地球反照率× (地球半径 /月球轨道的半径)2]相对于被直射的太阳光照亮的满月。(地球反照率= 0.367地球半径= (极半径× 赤道半径)½ = 6 367公里。)
  2. ^ The range of angular size values given are based on simple scaling of the following values given in the fact sheet reference: at an Earth-equator to Moon-centre distance of 378 000 km, the angular size is 1896 arcseconds. The same fact sheet gives extreme Earth-Moon distances of 407 000 km and 357 000 km. For the maximum angular size, the minimum distance has to be corrected for the Earth's equatorial radius of 6 378 km, giving 350 600 km.
  3. ^ Lucey et al. (2006) give 107 particles cm−3 by day and 105 particles cm−3 by night. Along with equatorial surface temperatures of 390 K by day and 100 K by night, the ideal gas law yields the pressures given in the infobox (rounded to the nearest order of magnitude; 10−7  by day and 10−10Pa by night.
  4. ^ 地球有一些共轨的近地小行星(Morais et al, 2002),但它们都不能算是真正的卫星。更多的资料可以参见地球的其它卫星;另有些观点认为月球应该算作行星,但没有得到认同。更多的资料可以参见双行星
  5. ^ 这个年代是从月岩的同位素测年计算得到的。
  6. ^ 更精确的说,月球的平会合周期(与太阳合的平均值)是29.530589天(29d 12h 44m 02.9s) (天文历书的补充解释, 1961, at p.107).
  7. ^ 太阳的视星等是−26.7,满月的视星等视−12.7。
  8. ^ 平均而言,月球在会遮蔽夜空0.21078平方度的区域

参考文献

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书目

  • Needham, Joseph. Science and Civilization in China. 3, Mathematics and the Sciences of the Heavens and Earth. Taipei: Caves Books. 1986. ISBN 0-521058015. 

外部链接

延伸读物
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