[轉貼] 月球

godzilla

月球
從地球觀測到的月球

月球(Luna)俗稱月亮，古稱太陰，是指環繞地球運行的一顆衛星。它是地球唯一的一顆衛星和離地球最近的天體，與地球之間的平均距離是384,400千米。天文學上用來代表月球。

1969年尼爾·阿姆斯壯和巴茲·奧爾德林成為最先登陸月球的人類。


月球與地球距離

當年美國太空人登陸月球時曾在月球表面放置了一面鏡片，由於月球是永遠以同一面朝向地球的，那面鏡片也亦永遠面向地球了。科學家從地球向月球上的鏡片發射激光光束，再紀錄光束反射回來所需的時間，輕易便能準確計算出地球和月球間的距離。這個測距方法精度極高，地月之間遠達384,000千米的距離，誤差僅有3厘米。全靠這麼高的精度，我們才發現月球正以約每年三公分的速度遠離地球。


月球的兩面



月球是一顆同轉衛星，月球的正面永遠向著地球。另一方面，除了在月面邊沿附近的區域因天秤動而間中可見以外，月球的背面絕大部分不能從地球看見。在沒有太空探測器的年代，月球的背面一直是個未知的世界。

月球背面的一大特色是它幾乎沒有月海這種較暗的月面特徵。而當探測器運行至月球背面時，它將無法與地球直接通訊。


軌道

月球約一個農曆月繞地球運行一周，而每小時相對背景星空移動半度，即與月面的視直徑相若。與其他衛星不同，月球的軌道平面較接近黃道面，而不是在地球的赤道面附近。

相對於背景星空，月球圍繞地球運行（公轉）一周所需時間稱為一個恆星月；而新月與下一個新月（或兩個相同月相之間）所需的時間稱為一個朔望月。朔望月較恆星月長是因為地球在月球運行期間，本身也在繞日的軌道上前進了一段距離。

因為月球的自轉週期和它的公轉週期是完全一樣的，我們只能看見月球永遠用同一面向著地球。自月球形成早期，月球便一直受到一個力矩的影響引致自轉速度減慢，這個過程稱為潮汐鎖定。亦因此，部分地球自轉的角動量轉變為月球繞地公轉的角動量，其結果是月球以每年約38毫米的速度遠離地球。同時地球的自轉越來越慢，一天的長度每年變長15微秒。

月球對地球所施的引力是潮汐現象的起因之一。


公轉軌道

月球和地球是一對伴侶，組成地月系，共同圍繞著公共質心運轉不息，地月系質心離地心約4,671公里，因此，環繞質心與環繞地心的橢圓軌道相差不大。月球在環繞地球作橢圓運動的同時，也伴隨地球圍繞太陽公轉，每年一周。月球不但處於地球引力作用下﹐同時也受到來自太陽引力的影響，所以具有十分複雜的軌道運動。其中主要的軌道變化有：偏心率變化、軌道傾角變化、拱線運動、交點西退、中心差。


偏心率變化

月球軌道偏心率變化在1/15到1/23的範圍內﹐偏心率的平均值為0.0549﹐接近1/18。

嚴格來說，地球與月球圍繞共同質心運轉，共同質心距地心4'671千米（即地球半徑的2/3處）。由於共同質心在地球表面以下，地球圍繞共同質心的運動好像是在「晃動」一般。從地球北極上空觀看，地球和月球均以逆時針方向自轉；而且月球也是以逆時針繞地運行；甚至地球也是以逆時針繞日公轉的。

很多人不明白為甚麼月球軌道傾角和月球自轉軸傾角的數值會有這麼大的變化。其實，軌道傾角是相對於中心天體（即地球）而言的，而自轉軸傾角則相對於衛星（即月球）本身的軌道面。這個定義習慣很適合一般情況（例如人造衛星的軌道）而且數值是相當固定的，但月球卻非如此。


拱線運動

月球圍繞地球的橢圓軌道，在它自己的平面上也不是固定的，其橢圓的拱線（近地點和遠地點的連線）沿月球公轉方向向前移動，每8.85年移動一周。中國早在漢代，賈逵就提出月球視運動的最疾點每九年運動一周，這實際上正是拱線運動的結果。


軌道傾角變化

月球軌道（白道）對地球軌道（黃道）的傾角變化在4°57～5°19之間﹐平均值為5°09。

月球的軌道平面（白道面）與黃道面（地球的公轉軌道平面）保持著5.145 396°的夾角，而月球自轉軸則與黃道面的法線成1.5424°的夾角。因為地球並非完美球形，而是在赤道較為隆起，因此白道面在不斷進動（即與黃道的交點在順時針轉動），每6793.5天（18.5966年）完成一周。期間，白道面相對於地球赤道面（地球赤道面以23.45°傾斜於黃道面）的夾角會由28.60°（即23.45°+ 5.15°） 至18.30°（即23.45°- 5.15°）之間變化。同樣地，月球自轉軸與白道面的夾角亦會介乎6.69°（即5.15° + 1.54°）及3.60°（即5.15° - 1.54°）。月球軌道這些變化又會反過來影響地球自轉軸的傾角，使它出現±0.002 56°的擺動，稱為章動。


交點西退

白道與黃道的交線﹐其空間位置並不固定﹐而是不斷地向西運動﹐每18.6年運行一周。這一現象早在東漢末年就為劉洪發現﹐並用於月食預報計算中。
白道面與黃道面的兩個交點稱為月交點－－其中升交點（北點）指月球通過該點往黃道面以北；降交點（南點）則指月球通過該點往黃道以南。當新月剛好在月交點附近時，便會發生日食；而當滿月剛好在月交點附近時，便會發生月食。


中心差

由於月球軌道是橢圓而不是圓形，月球公轉速度並不均勻。月球運動同均勻的圓周運動比較，時而超前，時而落後，其半振幅為6°.29，週期為27.55455日。


幾何天秤動

由於月球軌道為橢圓形，當月球處於近日點時，它的自轉速度便追不上公轉速度，因此我們可見月面東部達東經98度的地區，相反，當月處於遠日點時，自轉速度比公轉速度快，因此我們可見月面西部達西經98度的地區。這種現象稱為經天秤動。又由於月球的自轉軸傾斜於公轉軌道平面（白道面），而白道與黃道又有約5度的交角，因此月球繞地球公轉一周時，極區會作約7度的晃動，這種現象稱為緯天秤動。再者，由於月球距離地球只有60地球半徑之遙，若觀測者從月出觀測至月落，觀測點便有了一個地球直徑的位移，可多見月面經度1度的地區。這種現象稱為周日天秤動。


月球的起源

月球的起源問題非常古老，也是科學界爭論不休的題目。月球的形成有以下幾個觀點：


分裂說

這是最早解釋月球起源的一種假設。早在1898年，著名生物學家達爾文的兒子喬治·達爾文就在《太陽系中的潮汐和類似效應》一文中指出，月球本來是地球的一部分，後來由於地球轉速太快，把地球上一部分物質拋了出去，這些物質脫離地球後形成了月球，而遺留在地球上的大坑，就是現在的太平洋。這一觀點很快就收到了一些人的反對。他們認為，以地球的自轉速度是無法將那樣大的一塊東西拋出去的。再說，如果月球是地球拋出去的，那麼二者的物質成分就應該是一致的。可是通過對阿波羅12號飛船從月球上帶回來的岩石樣本進行化驗分析，發現二者相差非常遠。


俘獲說

這種假設認為，月球本來只是太陽系中的一顆小行星，有一次，因為運行到地球附近，被地球的引力所俘獲，從此再也沒有離開過地球。還有一種接近俘獲說的觀點認為，地球不斷把進入自己軌道的物質吸積到一起，久而久之，吸積的東西越來越多，最終形成了月球。但也有人指出，像月球這樣大的星球，地球恐怕沒有那麼大的力量能將它俘獲。


同源說

這一假設認為，地球和月球都是太陽系中浮動的星雲，經過旋轉和吸積，同時形成星體。在吸積過程中，地球比月球相應要快一點，成為「哥哥」。這一假設也受到了客觀存在的挑戰。通過對「阿波羅12號」飛船從月球上帶回來的岩石樣本進行化驗分析，人們發現月球要比地球古老得多。有人認為，月球年齡至少應在70億年左右。


大踫撞說

這是近年來關於月球成因的新假設。1986年3月20日，在休士頓約翰遜空間中心召開的月亮和行星討論會上，美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室的本玆、斯萊特裏和哈佛大學史密斯天體物理中心的卡梅倫共同提出了大踫撞假設。這一假設認為，太陽系演化早期，在星際空間曾形成大量的「星子」，星子通過互相踫撞、吸積而長大。星子合併形成一個原始地球，同時也形成了一個相當於地球質量0.14倍的天體。這兩個天體在各自演化過程中，分別形成了以鐵為主的金屬核和由矽酸鹽構成的幔和殼。由於這兩個天體相距不遠，因此相遇的機會就很大。一次偶然的機會，那個小的天體以每秒5千米左右的速度撞向地球。劇烈的碰撞不僅改變了地球的運動狀態， 使地軸傾斜，而且還使那個小的天體被撞擊破裂，矽酸鹽殼和幔受熱蒸發，膨脹的氣體以極大的速度攜帶大量粉碎了的塵埃飛離地球。這些飛離地球的物質，主要有踫撞體的幔組成，也有少部分地球上的物質，比例大致為17:3。在撞擊體破裂時與幔分離的金屬核，因受膨脹飛離的氣體所阻而減速，大約在4小時內被吸積到地球上。飛離地球的氣體和塵埃，並沒有完全脫離地球的引力控制，他們通過相互吸積而結合起來，形成全部熔融的月球，或者是先形成幾個分離的小月球，在逐漸吸積形成一個部分熔融的大月球。


成份

45億年前,月球表面仍然是液體岩漿海洋。科學家認為組成月球的礦物克裡普礦物(KREEP)展現了岩漿海洋留下的化學線索。KREEP實際上是科學家稱為「不相容元素」的合成物－－那些無法進入晶體結構的物質被留下，並浮到岩漿的表面。對研究人員來說，KREEP是個方便的線索，來明暸月殼的火山運動歷史，並可推測彗星或其他天體撞擊的頻率和時間。

月殼由多種主要元素組成，包括：鈾、釷、鉀、氧、矽、鎂、鐵、鈦、鈣、鋁 及氫。當受到宇宙射線轟擊時，每種元素會發射特定的伽瑪輻射。有些元素，例如：鈾、釷和鉀，本身已具放射性，因此能自行發射伽瑪射線。但無論成因為何，每種元素發出的伽瑪射線均不相同，每種均有獨特的譜線特徵，而且可用光譜儀測量。

直至現在，人類仍未對月球元素的豐度作出面性的測量。現時太空船的測量只限於月面一部分。例如：1992年伽利略號曾於飛掠月球時測量過元素豐度。


表面地理

月球形狀是南北極稍扁﹑赤道稍許隆起的扁球。它的平均極半徑比赤道半徑短500米。南北極區也不對稱﹐北極區隆起﹐南極區窪陷約400米。但在一般計算中仍可把月球當作三軸橢圓體看待。物理天平動的研究有助於解決月球形狀問題。通過天平動研究還表明﹐月球重心和幾何中心並不重合﹐重心偏向地球2公里。這一結論已為阿波羅登月獲得的資料所證實。

月球表面有上萬個直徑超過1千米的環形山。月球環形山大部分都有上億年的歷史，缺少大氣層和氣象活動以及缺乏近期地質活動保證了它們大部分永久性的保持原樣。

南極-艾托肯盆地為月球上也是太陽系內已知最大的環形山。這環形山位於月球的背面，接近南極的地方，直徑約2 240公里，深13公里。

那些暗色和較少特徵的月球平原叫「月海」，這是由於古代的天文學家認為上面是海洋的緣故。事實上，月海由巨大隕石撞擊後從月幔流出並覆蓋表面的玄武岩岩漿形成。較淺色的高地叫「月陸」。幾乎只有面向地球的月面才有月海，月球背面的月海寥寥可數。天文學家相信這是因為月球的質心比形心更靠近地球所導致的。

在月殼上是一層表面呈塵埃狀的岩石層，稱為月壤，月壤並不是土壤。月殼和月壤在月面的分佈並不均勻。月殼的厚度由60公里（月球正面）至100公里（月球背面）不等，月壤則由約5米（月海）至十多米（月陸）。

在2004年，約翰·霍普金斯大學的Ben Bussey博士率領的小組從克萊門汀任務拍攝得來的照片中，發現月球北極Peary crater邊沿的4個區域經常受到日照（南極卻沒有發現類似區域）。這些終年日照區的產生是由於月球的自轉軸傾角很小，同樣道理，有很多位於兩極的隕石坑底經常沒有光照。


水的存在

自古以來，彗星和隕星不斷地撞擊月球。這些物體中的大部分都含有水分。來自陽光的能量將這些大部分的水分分解回組成它的元素，氫和氧。兩者通常都會立即飛離月球。但是，有科學家提出假說，認為還有相當含量的水在月球之上，例如在表面或深藏在月殼裏。美國克萊門汀任務顯示，一些細小的水冰冰塊（含水彗星撞擊後的碎片）可能藏在永久無日照區域的月殼裏未被融化。雖然這些冰塊很小，但總水量卻可能相當可觀（約有１立方公里）

而有些水分子，亦可能在月面彈跳其間掉進隕石坑而藏於其中。由於月球自轉軸相對於黃道面法線有1.5度的輕微傾斜，部分極區的隕石坑底部從來沒有受陽光照射，處於永久的影子中。克萊門汀任務曾測量月球南極這些隕石坑[1]並繪製成地圖[2]。科學家期望可在此類隕石坑中找到水冰，並開採及利用太陽能電力或核能來電解成氫和氧。月球上可用的水量大大影響了人類在月球上居住的成本，因為從地球運送水（或氫和氧）昂貴得不切實際。

由阿波羅號上的太空人在月球赤道附近收集的岩石並不含任何水分。月球勘探者號或其他近期研究（例如：史密森學會）均沒有找到液態水、冰或水蒸氣的直接証據。然而，月球勘探者號的結果指出在永久無日照區有氫，並可能以水冰的形式存在。


磁場

與地球相比，月球的磁場非常弱. 部分地區上的磁場相信是來自月球本身的（例如在Sirsalis月溪上的月殼），但與其他天體碰撞亦可能令它的磁場改變。而無大氣層的天體是否能透過彗星和小行星撞擊而獲得磁場，是行星科學裏一個歷久常新的問題。測量月球磁場更可提供月核大小及導電率等資料，對科學家暸解月球起源有很大幫助。若月核比地球含有較多磁性物質（例如：鐵），則月球的撞擊起源說便較不可信（不過科學家已從另外一些角度來解釋為甚麼月核含較小的鐵）


大氣

月球有極稀薄的大氣。這些大氣的來源之一是除氣作用—氣體的釋放，例如月球表面的氡氣原先就是深藏於月球內部的。有時，太陽風也會被月球的引力擄獲，成為氣體的另一重要來源。


月食

月食是一種特殊的天文現象，指當月球運行至地球的陰影部份時，在月球和地球之間的地區會因為太陽光被地球所遮閉，現看到月球缺了一塊。

也就是說，此時的太陽、地球、月球恰好（或幾乎）在同一條直線上，因此從太陽照射到月球的光線，會被地球所掩蓋。


月球與日食

機緣巧合，現時從地球觀看月球和太陽的平均視直徑幾乎一樣，兩者視覺上重疊時，更有時會出現日全食，有時會出現日環食。在日全食時，月球完全遮蓋了日面，使我們可以肉眼看見日冕。

因為地月距離在逐漸增加，月球的視直徑正在不斷減小。在數百萬年前，月球總是能夠完全遮蓋太陽，故此當時不會出現日環食。同樣道理，數百萬年後，月球將不足以遮蓋整個日面造成日全食。

只有在太陽、地球、月球三者連成直線才會出現「食」。日食只會發生在「新月」(朔)；月食只會發生在「滿月」(望)。


月球的觀察

當月球（和太陽）靠近地平線時看來較大。這純粹是心理作用。事實上，大氣折射使接近地平線的月球的影像變扁，視面積反而略為減少。有人認為人類的視覺在進化時不偏重測量頭頂物體，故此造成這種錯覺。從地球觀看，月球的視直徑大約是半度。

每個民族對月面上光暗不同的區域（主要是月海）都有不同的想像。例如：嫦娥、玉兔、螃蟹等。此外，環形山和山脈也是月面上明顯的地貌。

在滿月期間，月球的視亮度約有-12.6等（作為參考，太陽的視亮度為-26.8等。）

月球在夜間最容易察覺得到，但它有時也可在日間看見。（例如上弦月可於下午看見，下弦月可於早上看見。）

月球大約每天推遲50分鐘從東方升起。


月球的探索

第一件到達月球的人造物體是前蘇聯的無人登陸器月球2號，它於1959年9月14日撞向月面。月球3號在同年10月7日拍攝了月球背面的照片。月球9號則是第一艘在月球軟著陸的登陸器，它於1966年2月3日傳回由月面上拍攝的照片。另外，月球10號於1966年3月31日成功入軌，成為月球第一顆人造衛星。

在冷戰期間，美國和前蘇聯一直希望在太空科技領先對方。這場太空競賽在1969年7月20日第一名人類登陸月球時進入高潮。美國阿波羅11號的指令長尼爾·阿姆斯特朗是踏足月球的第一人，而尤金·塞爾南則是最後一個站立在月球上的人，他是1972年12月阿波羅17號任務的成員。參看: 阿波羅宇航員列表

阿波羅11號的太空人留下了一塊9英吋乘7英吋的不鏽鋼牌匾在月球表面，以紀念這次登陸及為有可能發現它的其他生物提供一些資料。牌匾上的文字為：

Here men from the Planet Earth first set foot upon the moon, July 1969, A.D.
We came in peace for all mankind
譯作:

公元1969年7月，從行星地球而來的人類在此首次踏足月球
我們為了全人類，和平而來
牌匾上繪有地球的兩面，並有三名太空人及當時美國總統尼克遜的簽署。

經常有人聲稱美國的登月計劃根本是虛構的，所謂登月照片是在荷里活片場裡拍攝的，並指出在照片中不少的「破綻」。但尚未有研究過月球樣本的科學家懷疑過這些樣本的真偽。

6次的太陽神任務及3次無人月球號任務（月球16、20、24號）把月球上的岩石及土壤樣本帶回地球。

2004年2月，美國總統喬治·沃克·布什提出於2020年前派人重新登月。


歐洲太空總署的智能1號探測器於2003年9月27日升空，並於2004年11月15日進入繞月軌道。它勘察月球環境及製作月面X射線地圖。2006年9月3日格林尼治時間5時42分22秒，智能1號按預定計劃擊中月球表面。


中國亦積極開展探月計劃嫦娥工程，並尋求開採月球資源的可行性，尤其是氦同位素氦-3這種有望成為未來地球能源的元素。2007年10月24日，中國首顆繞月人造衛星嫦娥一號發射升空。


日本已初步訂出未來探月的任務。見月球-A及Selene。日本宇宙航空研究開發機構甚至已著手計劃的有人的月球基地。2007年1月30日，日本宇宙開發委員會認可宇宙航空研究開發機構中止月球-A探月計劃但繼續開發穿透式著陸器的決定。2007年9月13日，日本月球人造衛星月亮女神發射。


印度則會先發射無人繞月探測器月球初航一號。2006年5月9日，印度空間研究組織和美國宇航局簽署諒解備忘錄，合作進行月球探測。印度的無人駕駛月球探測器「月船1號」將搭載兩台來自美國宇航局的儀器設備，其中1台是小型合成孔徑雷達，用來探測月球兩極地區是否存在水源，另外1台是月球礦物繪圖儀，用於了解月球表面礦物的分佈。