月球

月球是一个岩石质、无大气的世界,每27.3天绕地球运行一周,从地球上看其相位变化周期为29.5天。月球直径约3,474千米,大约是地球的百分之二十七,这使得地月系统在行星及其卫星中颇为独特。相对于其母行星的大小,月球是内太阳系中最大的天然卫星,这两个天体有时被描述为双行星系统。

地球与月球之间的平均距离约为384,400千米,大约相当于三十个地球直径。光穿越这段距离需要略多于一秒钟,这就是为什么阿波罗时代与月球表面宇航员的无线电通信往返延迟虽然明显但从未成为障碍。月球是迄今为止地球之外最容易到达的世界,这一特性使其成为每个主要航天计划的首要目的地。

月球的科学重要性怎么强调都不为过。阿波罗和月球号计划带回的月岩仍然是人类亲手采集的唯一来自另一个世界的样本,它们继续改写着行星形成理论。月球的运动稳定了地球的轴倾角,进而调节了长期气候。其引力驱动着海洋潮汐,其稳定存在塑造了各大洲的历法、农业、宗教、神话和艺术。

在文化上,月球处于人类信仰和实践的庞大体系的核心。伊斯兰教、希伯来教、印度教和中国的宗教和民用时间都受阴历支配。丰收节、新年庆典以及斋月等斋戒活动都与月相周期相关。从萨福到伽利略再到当代电影制作人,艺术家和作家一次又一次地将月球作为变化、反思和人类追求的象征。它既是最近的世界,也是夜空中文化想象最密集的天体之一。

关于月球起源最广为接受的解释是大碰撞假说。约45亿年前,在太阳系历史早期,一个火星大小的天体(通常命名为忒伊亚)被认为撞击了年轻的地球。这次碰撞是斜向而非正面的,释放了巨大能量。气化岩石和熔融碎片的混合物被抛入幸存下来的、现在更大更热的地球周围的轨道。在相对较短的时间内 — 可能只有几千年到几百万年 — 这个碎片盘在自身重力作用下聚合形成了月球。

在阿波罗计划带回月球样本之前,还有其他三种假说竞相成为共识。捕获假说认为月球在太阳系其他地方形成,后来被地球的引力捕获;这一假说难以解释如此大质量的天体如何在不解体的情况下减速到稳定轨道。共同形成或凝聚假说认为地球和月球从同一物质盘中并肩吸积而成;这无法轻易解释月球相比地球铁含量较低的现象。裂变假说由George Darwin在十九世纪提出,设想快速旋转的年轻地球甩出一块自身碎片形成月球;计算机模拟显示,足以引起裂变的自转速度是不可信的。

大碰撞假说在阿波罗样本分析揭示月岩携带的氧同位素比率与地球几乎完全相同后成为主流,这种相似性是火星或外小行星带陨石所不具备的。这强烈表明月球是由地球物质形成的,而非从其他地方捕获的独立天体。同时,月球缺乏挥发性元素和铁,这与高温撞击事件一致,该事件蒸发了较轻物质,而撞击体的致密铁核大部分被地球吸收。计算机模拟的持续改进继续测试诸如忒伊亚的大小和速度等细节,但大碰撞和碎片盘月球的核心故事现在已成为教科书解释。

月球表面分为两种截然不同的地形。较暗的区域长期以来被称为月海(maria,源自拉丁语"海"的意思),是平坦的玄武岩平原,形成于大约38亿至30亿年前古代撞击盆地被熔岩淹没时。较亮、更崎岖的区域被称为月球高地或陆地(terrae),年代更为古老,由一种富含钙和铝的岩石——斜长岩组成。高地被认为是月球形成后不久从全球岩浆海洋中结晶出来的原始地壳。

整个月球表面都覆盖着月壤,这是由数十亿年微陨石撞击产生的岩石碎片和玻璃珠组成的细粉。月海上的月壤厚达数米,而在更古老的高地上可达数十米。由于没有大气、天气或板块构造来抹去它们,月球保存了极为完整的撞击坑记录。月球背面的南极-艾特肯盆地是太阳系中最大最古老的撞击结构之一,直径约2,500千米,深达13千米。

在表面之下,月球分化为地壳、地幔和核心。背面的地壳比近面更厚,这是熔岩填充的月海集中在面向地球一侧的原因之一。地幔由硅酸盐岩石构成,核心很小 — 半径只有几百千米 — 内部是固态,外部是部分熔融状态。阿波罗宇航员在表面留下的地震仪运行了多年,记录到源自浅层和地幔与部分熔融核心边界处的月震。

月球上以冰的形式存在水,被困在月球极地附近永久阴影的陨石坑中,那里的温度极低,冰可以存在数十亿年。包括月球勘探者号、月球勘测轨道飞行器、LCROSS以及月船一号和月船三号在内的任务已确认了这种冰的存在。月球极地水冰具有巨大的实用价值,因为如果确认有足够数量,它可以为未来的载人任务提供饮用水、可呼吸的氧气和火箭推进剂。

月球总有一半被太阳照亮,但地球上的观测者在一个月的过程中只能看到被照亮半球不断变化的一部分。这就是月相的起源。从一个新月到下一个新月的完整周期,称为朔望月,平均约29.5天。朔望月比27.3天的轨道周期长,因为地球本身沿着绕太阳的轨道移动,月球必须行进更远一点才能回到相同的日-地-月对齐位置。

天文学家识别出八个命名的相位。在新月时,月球近面背离太阳,显得黑暗。随后是娥眉月,从北半球看右侧有一道细窄的亮弧逐渐增大。上弦月显示恰好一半的圆盘被照亮,然后盈凸月阶段填满更多圆盘,直到满月时整个近面都被照亮。满月之后,周期通过亏凸月、下弦月和残月反向进行,回到新月。

月球因潮汐锁定而始终以同一面朝向地球。在数十亿年的时间里,地球的引力减缓了月球的自转,直到其自转周期与轨道周期相匹配。结果是同步自转。地球上的观测者永远无法直接看到月球背面,直到1959年苏联探测器月球三号返回照片才首次拍摄到背面。由于一种称为天秤动的现象,随着时间推移可以看到少量额外地形,最多约占总表面积的百分之九,这是因为月球轨道的椭圆形状和其自转轴的倾斜而使月球在经度和纬度上轻微摇摆。

月球对地球最直接的影响是潮汐。月球的引力对最靠近它的地球一侧的拉力比对最远一侧的拉力更强,这种拉力差异将海洋拉伸成一对潮汐隆起 — 一个直接在月球下方,一个在地球的对侧。随着地球自转,每条海岸线每天大约两次穿过这些隆起,产生熟悉的高潮和低潮交替。太阳也会引起潮汐,强度约为月球引起潮汐的一半。

当太阳、地球和月球在新月或满月时排成一线,太阳潮和月球潮相互加强,产生特别大的大潮。当太阳和月球从地球上看成直角时,在上弦和下弦时,它们的潮汐效应部分抵消,产生较小的小潮。特定地点潮汐的精确高度还受当地海洋盆地的深度、形状和海岸线的进一步影响,这就是为什么潮差从一些封闭海域的几厘米到加拿大芬迪湾的十五米以上不等。

潮汐在地质时间尺度上也塑造了地月系统。地球上的潮汐拖曳非常缓慢地减慢其自转,进而将角动量向外转移,将月球推向稍高的轨道。使用阿波罗宇航员在月球上留下的激光反射器进行的测量显示,月球正以每年约3.8厘米的速度远离地球,地球的一天每世纪延长几分之一秒。对地球上的生命来说或许最重要的是,月球的引力存在使地球的轴倾角稳定,不受其他行星的大幅扰动。如果没有月球,地球的倾角可能在数千万年内混沌地漂移,产生气候剧烈波动,使复杂生命的进化变得更加困难。

当太阳、地球和月球对齐,使一个天体的影子落在另一个天体上时,就会发生日食或月食。月食发生在满月时,地球在太阳和月球之间通过,将影子投在月球表面。日食发生在新月时,月球在太阳和地球之间通过,将影子投在我们的星球上。月食从地球整个夜侧都可见,可以持续一个多小时。相比之下,日全食只能从狭窄的路径上看到,在给定地点只持续几分钟。

日食和月食有几种类型。月全食发生在月球完全进入地球的本影(影子最暗的部分)时,此时月球呈现深红色,因为折射的阳光通过地球大气层弯曲到达月球表面。月偏食发生在月球只有一部分进入本影时。半影月食发生在月球通过地球外部较淡的影子时,只产生轻微的变暗。日食同样有日全食、日偏食和日环食几种形式,最后一种发生在月球接近远地点时,其视盘不足以完全遮住太阳。

日食和月食并非每月发生,因为月球轨道相对于地球绕太阳的轨道倾斜约五度。因此大多数新月和满月都在精确的日-地连线上方或下方通过。只有当月球在新月或满月附近穿过其轨道的两个交点之一时,三个天体才会对齐得足够紧密以发生日食或月食。巴比伦、中国和希腊的古代文明发现,日食和月食在约十八年零十一天的周期中重复,这个周期被称为沙罗周期,这一发现使得在理解日食和月食的物理原因之前就能够进行预测。在许多社会中,日食和月食具有重大的文化和宗教意义,它们在现代世界仍然是最受期待的天文事件之一。

人类对月球的理解可以追溯到最早的文明。早在公元前第二个千年,巴比伦天文学家就在楔形文字泥板上保存了详细的月球记录。中国古代天文学家为历法改革而追踪月球运动,公元前五世纪和三世纪的希腊思想家包括阿那克萨哥拉和萨摩斯的阿里斯塔克斯提出月球通过反射阳光而发光,并估算了其大小和与地球的距离。望远镜的发明改变了月球观测。1609年,伽利略·伽利雷将他改进的折射望远镜对准月球,绘制了其山脉、陨石坑和月海,证明月球是一个有自己地貌的世界,而不是光滑的天球。

系统的测绘和摄影在十九和二十世纪初相继出现,但月球直到太空时代才被触及。苏联的月球号计划率先到达。1959年1月,月球一号成为第一个离开地球引力的人造物体,飞掠月球;同年稍后的月球二号成为第一个到达月球表面的探测器,按计划撞击;几周后的月球三号返回了月球背面的首批照片,显示其与近面截然不同,月海少得多。随后的月球号任务实现了1966年月球九号的首次软着陆,并从1970年起返回首批机器人土壤样本。

美国以1960年代的游骑兵号、勘测者号和月球轨道器计划作为回应,这些计划又为阿波罗计划铺平了道路。1969年7月20日,阿波罗11号登月舱鹰号在静海着陆,宇航员Neil Armstrong和Buzz Aldrin成为首批在另一个世界行走的人类,而Michael Collins在上方轨道运行。随后成功进行了五次着陆 — 阿波罗12号、14号、15号、16号和17号 — 直到1972年12月阿波罗17号离开后计划结束。总共有十二名宇航员在月球表面行走,阿波罗任务向地球带回了382千克月岩和土壤,这些样本至今仍在研究中。

经过漫长的停顿后,二十一世纪带来了由更广泛国家主导的新一轮月球探索浪潮。中国的嫦娥计划创造了一系列第一,包括2019年嫦娥四号在月球背面的首次软着陆,以及2020年嫦娥五号和2024年嫦娥六号带回的新鲜月球样本。印度的月船计划取得了历史性成功,2023年8月23日月船三号在月球南极地区实现了首次软着陆,随后月球车实用号开始运作。日本的SLIM航天器于2024年1月实现了精确着陆。商业和国际任务继续进行,美国阿尔忒弥斯计划正在努力实现载人重返月球表面。

很少有自然景观像月球一样激发了如此多的神话、仪式和艺术。几乎每一种传统文化都确认了月神并为月球的相位变化赋予了故事。在古希腊宗教中,塞勒涅人格化了月球,驾驶银色战车穿过夜空。在中国民间传说中,嫦娥是喝了长生不老药并飞升到月球与玉兔同住的女神,这个故事至今仍在中秋节庆祝。在日本传统中,月读尊是月神,太阳女神天照大神的兄弟。在前伊斯兰时期的阿拉伯,名为辛的月神在哈兰城受到崇拜,而安第斯山脉的印加人崇敬名为玛玛基亚的月亮女神。

阴历已在各大洲锚定了民事和宗教生活。伊斯兰历法严格遵循阴历,其十二个月每个月都从新月牙的观测开始;神圣的斋月和开斋节都固定在这个系统中。希伯来历是阴阳历,将阴历月份与偶尔的调整相结合,以保持逾越节和住棚节与其适当季节对齐。中国传统历法同样是阴阳历,支配着农历新年和中秋节。印度历法追踪阴历月份用于排灯节、洒红节和九夜节等宗教活动。

月球一直是跨语言和跨世纪文学艺术的核心形象。希腊诗人萨福写过月光在海上的银色光辉。中世纪阿拉伯诗人如穆塔纳比使用满月作为美的象征。莎士比亚在《罗密欧与朱丽叶》中提到善变的月亮,唐代诗人李白写下至今仍被背诵的举杯邀明月、对影成三人的诗句。十九世纪浪漫主义画家和二十世纪科幻作家一次又一次地回到月球。1969年的首次登月被估计有六亿人观看,这一事件既实现又改变了人类与月球世界之间长期想象的关系。

在机械钟表发明之前,月球是天空中最可靠的大尺度时钟。其相位在大约二十九天半的周期中重复,这个周期足够长以至于实用,又足够短以便于观察。英语中的"月"(month)一词源自古英语mona,与moon同根,反映了这个时间单位与月相周期的古老对应。大多数早期历法是阴历或阴阳历,即使现代格里高利历也保留了大致(虽然不再完全)与月球节律相关的月份结构。

阴历和阴阳历至今仍在宗教用途中活跃使用。伊斯兰历法根据新月牙的观测确定斋月的开始和开斋节的日期;因为它是纯粹的阴历,不与阳历年协调,伊斯兰月份在约三十三年的周期中在季节间漂移。希伯来历、中国传统历法和印度历法使用闰月来保持其阴历月份与农业季节大致对齐,以便春季节日落在春季,收获节日落在收获时节。

世界各地的农民长期以来一直使用月球来安排实际工作。许多传统的年鉴建议在月亏期间种植根茎作物,在月盈期间种植叶菜作物,尽管现代农学没有发现月相直接影响植物生长的一致证据。沿海渔业社区继续为大潮做计划,大潮会暴露潮滩并改变鱼类分布。许多传统的满月命名系统 — 收获月、狩猎月、狼月、草莓月 — 将关于狩猎、采集和种植的季节信息编码成易于记忆和传递的形式。因此,月球不仅充当时钟,还充当实用的年鉴。

在阿波罗计划后的漫长停顿之后,月球已成为新探索时代的焦点。美国阿尔忒弥斯计划由美国国家航空航天局与欧洲航天局、日本宇宙航空研究开发机构、加拿大航天局以及越来越多的国际合作伙伴共同领导,旨在让宇航员重返月球表面,包括首位在月球上行走的女性和有色人种。该计划旨在建立聚焦于月球南极的持续存在,那里的永久阴影陨石坑被认为含有可获取的水冰。

阿尔忒弥斯架构的关键要素是月球门户,一个计划在月球周围高度椭圆轨道上运行的小型空间站。门户将接待载人访问,作为表面任务的中转站,并为深空条件下的科学实验提供平台。在表面上,预计将结合美国国家航空航天局根据商业月球有效载荷服务计划签约的商业着陆器、国际着陆器以及载人着陆系统来运送仪器、月球车,最终还有栖息地。

中国已表示有意在2030年前实施载人登月,并与俄罗斯一起提议建立国际月球科研站。印度在月船三号成功后,正在规划样品返回和最终的载人能力。包括美国、日本和欧洲公司在内的不断增长的商业部门正在准备小型着陆器、月球车以及月球通信和定位-导航-授时中继等服务。

更长期的愿景更具推测性,但讨论日益增多。永久月球基地的提议聚焦于熔岩管(可能提供辐射和微陨石的天然屏蔽)和极地地区(以获取冰)。一些提议将月球视为天文学平台,特别是背面的射电望远镜将免受地球射电噪声干扰。氦-3是地球上罕见但在月球表土中可检测到的同位素,有时被讨论为核聚变的潜在未来燃料;这种开采的实用性仍有争议,取决于聚变技术的成功发展。国际合作与竞争将决定这些可能性实现的速度和形式。

所有CountryReports内容的详细引用、数据参考和机构来源列在来源页面。以下政府航天机构、学术研究中心和国家博物馆是我们关于月球内容所依赖的主要权威机构。每个链接指向该机构的主页。

航天机构和政府研究

• 美国国家航空航天局 — 月球门户 — 美国国家航空航天局的月球科学、任务数据和教育材料中心,包括阿波罗和阿尔忒弥斯计划的页面。
• 美国国家航空航天局喷气推进实验室(JPL) — 由加州理工学院为美国国家航空航天局运营的联邦资助研发中心,负责机器人行星任务和太阳系动力学参考数据。
• 欧洲航天局(ESA) — 政府间航天机构,拥有包括SMART-1和对阿尔忒弥斯计划贡献在内的科学和探索项目。
• 日本宇宙航空研究开发机构(JAXA) — 日本国家航天机构,辉夜号月球轨道器和SLIM精确着陆器的运营商。
• 印度空间研究组织(ISRO) — 印度国家航天机构,月船计划的运营商,包括月船三号南极着陆。
• 中国国家航天局(CNSA) — 中国国家航天机构,负责嫦娥月球计划和计划中的国际月球科研站。
• 美国地质调查局天体地质科学中心 — 美国地质调查局中心,制作官方月球地图、月球统一地质图和行星命名。

研究机构和学术团体

• 月球与行星研究所(LPI) — 为美国国家航空航天局支持月球和行星科学的科学研究机构,包括年度月球与行星科学会议。
• 国际天文学联合会(IAU) — 制定月球特征官方命名并协调国际天文学的全球专业机构。
• 英国皇家天文学会 — 英国天文学和地球物理学学会,《皇家天文学会月刊》的出版者。
• 麻省理工学院地球、大气与行星科学系 — 在行星形成、月球地质和遥感方面拥有活跃研究项目的学术部门。
• 加州理工学院地质与行星科学系 — 研究行星内部、撞击过程和月球样本分析的学术部门。

博物馆和公共收藏

• 史密森尼国家航空航天博物馆 — 收藏阿波罗11号指令舱哥伦比亚号、阿波罗时代文物以及关于月球探索的丰富教育资源。

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