月球（地球的天然卫星）

▌简介

月球是围绕地球旋转的球形天体，同时也是地球的天然卫星。在汉语中被俗称为月或月亮，古时又称为太阴、玄兔、婵娟、玉盘。月球是太阳系中体积第五大的卫星，其平均半径约为1737.10千米，相当于地球半径的0.273倍；质量则接近7.342×1022千克，相当于地球的0.0123倍 。月球的表面布满了可能由小天体撞击形成的撞击坑。月球与地球的平均距离约38.44万千米，大约是地球直径的30倍。

▌月球形成

有数种机制都认为月球形成于45.27亿± 0.10亿年之前，即大约是太阳系诞生之后的3000万至5000万年。这些机制包括分裂说、捕获说和地月同源说（孪生说）等。分裂说认为月球是由于离心力从地壳分裂出去，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。捕获说则认为月球是在成型时被地球引力场捕获的天体，但这种假说需要地球拥有一个有非常大的大气层来消耗月球通过时的能量，减缓月球运动速度。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，也不能解释地月系统的高角动量。

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（被称为特亚，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。

该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。

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。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。

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。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。

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，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%。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，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。

▌物理特征

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。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。

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。

▌表面地形

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。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。它的底部是月球上海拔最低的地方，深度达到13公里。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。月球上的其它大撞击盆地，如雨海、澄海、危海、史密斯海和东方海等，也都拥有低海拔的区域和高耸的边缘。月球背面的平均高度比正面高1.9公里。

▌表面地质

月球表面的化学元素分布极不均。按照其丰度依次为：氧、硅、铁、镁、钙、铝、锰、钛。氧的含量估计为42%（按重量）。碳和氮只有痕迹，似乎只存在于太阳风带来的微量沉积中，氢主要集中在月球的两极。

▌内部结构

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。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、斜辉石和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。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。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。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。

月球是太阳系内密度第二高的卫星，仅次于木卫一埃欧。但是月球的内核并不大，半径大约是350公里甚至更小，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，同时含有少量硫和镍。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。

▌重力和磁场

月球表面的引力约为地球的六分之一。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，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。

月球拥有一个强度不到地球磁场百分之一，范围在1至数百特士拉之间的外在磁场。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。 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，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。

▌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。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。过往曾经检测到由溅射产生的原子包括钠和钾，相同的情况也曾在水星和木卫一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和钋-210则来自月球地幔相关元素放射性衰变后的溅射。但月球大气中缺乏存在于月球表岩屑的氧、氮、碳、氢和镁等自然元素的原子或分子，目前原因尚不清楚。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。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。

▌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，和平回归周期是27.321582天。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。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而有许多小、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。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。

▌月食现象

月食是一种特殊的天文现象。指当月球行至地球的阴影后时，太阳光被地球遮住。也就是说，此时的太阳、地球、月球恰好（或几乎）在同一条直线，因此从太阳照射到月球的光线，会被地球所掩盖。

以地球而言，当月食发生的时候，太阳和月球的方向会相差180°。要注意的是，由于太阳和月球在天空的轨道（称为黄道和白道）并不在同一个平面上，而是有约5°的交角，所以只有太阳和月球分别位于黄道和白道的两个交点附近，才有机会连成一条直线，产生月食。

月食可分为月偏食、月全食两种（没有月环食，因为地球比月球大）。当月球只有部分进入地球的本影时，就会出现月偏食；而当整个月球进入地球的本影之时，就会出现月全食。至于半影月食，是指月球只是掠过地球的半影区，造成月面亮度极轻微的减弱，很难用肉眼看出差别，因此不为人们所注意。

月球直径约为3476千米，大约是地球的1/4。在月球轨道处，地球的本影的直径仍相当于月球的2.5倍。所以当地球和月亮的中心大致在同一条直线上，月亮就会完全进入地球的本影，而产生月全食。而如果月球始终只有部分为地球本影遮住时，即只有部分月亮进入地球的本影，就发生月偏食。月球上并不会出现月环食，因为月球的体积比地球小的多。

太阳的直径比地球的直径大得多，地球的影子可以分为本影和半影。如果月球进入半影区域，太阳的光也可以被遮掩掉一些，这种现象在天文上称为半影月食。由于在半影区阳光仍十分强烈，月面的光度只是极轻微减弱，多数情况下半影月食不容易用肉眼分辨。一般情况下，由于较不易为人发现，故不称为月食，所以月食只有月全食和月偏食两种。

另外由于地球的本影比月球大得多，这也意味着在发生月全食时，月球会完全进入地球的本影区内，所以不会出现月环食这种现象。

每年发生月食数一般为2次，最多发生3次，有时一次也不发生。因为在一般情况下，月亮不是从地球本影的上方通过，就是在下方离去，很少穿过或部分通过地球本影，所以一般情况下就不会发生月食。

据观测资料统计，每世纪中半影月食，月偏食、月全食所发生的百分比约为36.60%，34.46%和28.94%。

▌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的潮汐力造成的。这在地球上造成两处隆起，最明显的是海潮和海平面的升高。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。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。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。

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。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。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。原子钟也显示地球的自转的一天，每年约减缓15微秒，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。

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。来自地球噵致的量是天平动，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。天平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。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。