月球极简史

     本文转自朋友圈，并对原文进行编辑整理，本文原创为侠客君的侠客地理。   

      2019年1月3日“嫦娥四号”探测器成功着陆在月球背面东经177.6度、南纬45.5度附近的预选着陆区并通过“鹊桥”中继星传回了世界第一张近距离拍摄的月背影像图揭开了古老月背的神秘面纱。月球高程图如图1所示，该图以艾肯盆地为中心投影（制图/中科院空天信息研究院行星遥感团队，引自《中国国家地理》）。

图1 月球高程图，以艾肯盆地为中心投影

什么是真实的月球？它起源于何时，由什么组成？除了美丽的传说你对她了解多少？

一、认识月球

月球，俗称月亮，古时又称太阴、太阳、玄兔、婵娟、玉盘，是地球的卫星，并且是太阳系中第五大的卫星。嫦娥四号登月之地，月球南极-艾特肯盆地冯·卡门撞击坑区域坡度如图2所示（制图/中科院空天信息研究院行星遥感团队，引自《中国国家地理》）。

图2 月球南极-艾特肯盆地冯·卡门撞击坑区域坡度

月球直径大约是地球的四分之一，质量大约是地球的1/81，月球是已知的质量最大的卫星，月球表面布满了由小天体撞击形成的撞击坑，月球与地球的平均距离约38万千米。由于月球在天空中非常显眼，再加上规律性的月相变化，自古对人类文化如神话传说、宗教信仰、哲学思想、历法编制、文学艺术和风俗传统等产生重大影响。地球与月球大小对比如图3所示。

图3 地球与月球大小对比图

二、月球起源

月球可能形成于约45亿年前，在地球形成后不久。有关它的起源有几种说法，大多数学者认可的是“大碰撞起源说”。这种假说认为地球与天体“忒伊亚”在45亿前发生过一次巨大撞击，这次撞击所产生的碎片在地球外围聚集，从而形成月球。

图4 地球与天体撞击最有可能是月球形成的原因

1、从地球甩出去的

这是最早解释月球起源的一种假设。早在1898年，著名生物学家达尔文的儿子乔治·达尔文就在《太阳系中的潮汐和类似效应》一文中指出，月球本来是地球的一部分，后来由于地球转速太快，把地球上一部分物质抛了出去，这些物质脱离地球后形成了月球，而遗留在地球上的大坑，就是太平洋。

但这一观点很快就受到了一些人的反对。他们认为，以地球的自转速度是无法将那样大的一块东西抛出去的。再说，如果月球是地球抛出去的，那么二者的物质成分就应该是一致的。可是通过对“阿波罗12号”飞船从月球上带回来的岩石样本进行化验分析，发现二者相差非常远。月球表面岩石的年龄极其古老，全月球表面岩石的年龄介于30--42亿年之间，地球表面最古老的岩石年龄，只限于个别地区出露的38亿年的古老变质岩，而太平洋洋底岩石的年龄极其年轻，完全与“分裂说”的理论相违背。

图4 月球是地球甩出去的示意图

 

2、被地球俘获

这种假设认为，月球本来只是太阳系中的一颗月球大小的小行星。有一次，因为运行到地球附近，被地球的引力所俘获，从此再也没有离开过地球。

还有一种接近俘获说的观点认为，地球不断把进入自己轨道的物质吸积到一起，久而久之，吸积的东西越来越多，最终形成了月球。但也有人指出，像月球这样大的星球，地球恐怕没有那么大的力量能将它俘获。

图5 月球是被地球俘获的示意图

3、地球的兄弟

这一假设认为，地球和月球都是太阳系中弥漫的星云物质，几乎在同一个太阳星云的区域经过旋转和吸积，同时形成大小不同的天体。在吸积过程中，地球比月球相应要快一点，成为“哥哥”。

这一假设也受到了客观事实的挑战。通过对“阿波罗”飞船从月球上带回来的岩石样本进行化验分析，地球和月球的平均化学成分差别很大，人们发现月球的岩石也要比地球的岩石古老得多。

图5 月球是地球的兄弟

 

4、地球的女儿

这一假设认为，太阳系演化早期，形成了一个质量相当于现在地球质量9/10的“原地球”和另一个火星大小的天体“原月球”。这两个天体在各自演化过程中，分别形成了以铁为主的金属核和由硅酸盐构成的幔和壳。

由于这两个天体相距不远，不幸发生碰撞。剧烈的碰撞不仅使“原地球”的自转产生了偏斜，而且使“原月球”碎裂，幔和壳变热蒸发，膨胀的气体“裹挟”着尘埃和少量的幔物质飞离原月球。被分离的金属核因受膨胀气体的阻碍而减速，被“原地球”吸积并变成了地球的一部分。飞离的气体尘埃物质受地球引力的作用，通过吸积，先形成一些小天体，然后像滚雪球一样不断吸积增长，最终形成现在的月球。

这个模型清晰地解释了，月球贫铁、密度比地球低，但又有相同“基因”的诸多问题。这种假说表明月球是地球的“女儿”。45亿年来，地球一直携带着自己的女儿在身边，而月球也一直伴随着自己的母亲，共同经历了45亿年漫长而荒古的年代。“大碰撞说”，是目前大多数科学家认可的月球起源说。

图6 大碰撞学说示意图

三、月球的结构

1、亮度

月球本身并不发光，只反射太阳光。月球亮度随日月间角距离和地月间距离的改变而变化，满月时的亮度比上下弦要大十多倍。

月面不是一个良好的反光体，它的平均反照率只有9%，其余91%均被月球吸收。月海的反照率更低，约为7%。月面高地和环形山的反照率为17%，看上去山地比月海明亮。

月球平均亮度为太阳亮度的1/465000。它给大地的照度平均为0.22勒克斯，相当于100瓦电灯在距离21米处的照度。

月球到地球的距离大约相当于地球到太阳的距离的1/400，所以从地球上看月亮和太阳一样大。

图7  2014年10月8日的血月现象

2、大气环境

由于月球上没有大气，再加上月面物质的热容量和导热率又很低，因而月球表面昼夜的温差很大。白天，月球表面在阳光垂直照射的地方温度高达127℃；夜晚，其表面温度可降低到-183℃。

图8  嫦娥四号登月的着陆点，冯.卡门撞击坑区域地表粗糙度图

3、月球内部构造

和地球一样，月球也是分层结构。从月震波的传播了解到月球也有壳、幔、核等分层结构。最外层的月壳平均厚度约为60-64.7公里。月壳下面到1000公里深度是月幔，它占了月球的大部分体积。月幔下面是月核，月核的温度约为1000~1500℃，所以很可能是熔融状态的，据推测其大概是由Fe-Ni-S和榴辉岩物质构成。

图8 月球内部构造示意图

四、月球的地形

月球表面有阴暗的部分和明亮的区域，亮区是高地，暗区是平原或盆地等低陷地带，分别被称为月陆和月海。

图8 月球表面

1、月陆

在月球表面，高出月海的区域称为月陆，月陆占据了月球表面的绝大部分面积。在月球正面，月陆的面积大致与月海相等。但在月球背面，月陆的面积要比月海大得多。

如果你降落在月陆区域，你将看到那里峰峦起伏，山脉横贯。月陆是月球上最古老的地理单元，形成年龄比地球最古老的岩石（约38亿年）和月海玄武岩（31亿～39亿年）都要老，达42亿～43亿年。

月球山脉主要分布在月球的正面和背面月海的边缘，最大的山脉叫亚平宁山，长6400千米。

1994年，美国的克莱门汀月球探测器曾得出月球最高点为8000米的结论，根据“嫦娥一号”获得的数据测算，月球上最高峰高达9840米。月面上6000米以上的山峰有6个，5000-6000米20个，3000-6000米则有80个，1000米以上的有200个。嫦娥四号登月着陆区的艾肯盆地三维地形图如图9所示（制图/中科院空天信息研究院行星遥感团队，引自《中国国家地理》）。  

图9 嫦娥四号登月着陆区的艾肯盆地三维地形图

2、撞击坑

撞击坑这个名字由伽利略所起。是月面的显著特征，几乎布满了整个月面。最大的撞击坑是南极附近的贝利环形山，直径295千米，比海南岛还大一点。小的环形山甚至可能是一个几十厘米的坑洞。直径不小于1000米的大约有33000个。占月面表面积的 7%-10%。

撞击坑的形成现有两种说法：“撞击说”与“火山说”

图10 NASA公布首张月球表面3D地形图

3、月海

月球正面分布着大量巨大撞击坑，形成了广阔的平原，称为“月海”。

月海是月球表面的主要地理单元，总面积上约占全月面积的25%。迄今已知的月海有22个，绝大多数月海分布在面向地球月球的正面。正面月海约占半球面积的一半；月球背面只有东海、莫斯科海和智海共3个，而且面积很小，占半球面积的2.5%。

月海虽叫做“海”，实际上它滴水不含，它的表层覆盖类似火山喷发形成的玄武岩，即月海玄武岩。

图11 月海分布图

最大的月海是风暴洋，面积约500万平方千米。月面中央的静海面积约26万平方千米。

大多数月海具有圆形封闭的特点，周围是山脉。月海海面一般比“月陆”要低得多，如静海和澄海比月球平均水准低1700米左右，最低的是雨海，海底深达6000多米。

图12 月海主要分布于月球正面

除了“海”以外，还有被称为湖的“月湖”；被称为湾的“月湾”；被称为沼的“月沼”。

比较多人认为月海是小天体撞击月球时，撞破月壳，使月幔流出，玄武岩岩浆覆盖了低地，形成了月海。我们遥望月球看到的黑暗色斑块，这些大面积的阴暗区就叫做月海。

图13 月海

但也有科学家根据对月球各类岩石成份、构造与形成年龄的研究，认为月球约形成于45.6亿年前。月球形成后曾发生过较大规模的岩浆喷发事件，于41亿年前形成了斜长岩月壳、月幔和月核。在40～39亿年前，月球曾遭受到小天体的剧烈撞击，形成广泛分布的月海盆地，称为雨海事件。在39～31.5亿年前，月球发生过多次剧烈的玄武岩喷发事件，大量玄武岩填充了月海，厚度达0.5～2.5千米，称为月海泛滥事件。月海因此而成。  

两个观点的区别在于，后一观点认为小天体的撞击和玄武岩的喷发是发生在两个年代的；而另一观点则认为是同时发生的。月球从45亿年前形成以來，替地球“挡子弹”，承受陨石撞击，而成为現在的模样。

图14 月球受陨石撞击

4、辐射纹

月面上还有一种以环形山为辐射点的向四面八方延伸的亮带，它几乎以笔直的方向穿过山系、月海和环形山。

最引人注目的是第谷环形山的辐射纹，满月时尤为壮观。形成辐射纹的原因至今未有定论。实质上，它与环形山的形成理论密切联系。现在许多人都倾向于陨星撞击说，认为在没有大气和引力很小的月球上，陨星撞击可能使高温碎块飞得很远。而另外一些科学家认为不能排除火山的作用，火山爆发时的喷射也有可能形成四处飞散的辐射形状。

图15 月球表面的辐射纹

5、月球背面

月球的背面，从地球上始终不能完全看见的那一面（背面的18%因为天秤动能够看见）。月球正反两面显著的不同，正面有许多巨大的月海；另一边受到撞击，有着密集的撞击坑。

嫦娥四号登月点艾特肯盆地位于月球背面，是为月球及太阳系已知最大的撞击坑之一，也被公认为月球上最大、最深和最古老的撞击盆地。

2010年12月21日，据美国媒体报道，美国国家航空航天局(NASA)的月球勘测轨道器(LRO)日前拍摄了一组惊人的月球远侧照片如图16所示，其中红色区域地势高，蓝色区域地势低，展现布满陨坑的月球表面。

图16月球勘测轨道器(LRO)拍摄的月球远侧照片

五、月地关系

1、潮汐对地球的影响

月球绕着地球公转的同时，其特殊引力吸引着地球上的水，与其共同运动，形成了潮汐。潮汐为地球早期水生生物走向陆地提供了帮忙。

地球很久很久以前，昼夜温差较大，温度在水的沸点与凝点之间，不宜人类居住。然而月球的特殊影响，对地球海水的引力减慢了地球自转，使地球自转和公转周期趋向合理，带给了我们宝贵的四季，减小了温度差，从而适宜人类居住。

图17 月球的吸引力形成地球潮汐

2、月球引力有可能引发地震

地震和月球到底有没有关系？这是近百年来始终困扰科学家的问题。如今，日本防灾科学研究所和美国加州大学洛杉矶分校的研究人员组成的联合研究小组终于证实：月球引力影响海水的潮汐，在地壳发生异常变化积蓄大量能量之际，月球引力很可能是地球板块间发生地震的导火索。

研究者发现，地震的发生与断层面潮汐压力处于高度密切相关，猛烈的潮汐在浅断层面施加了足够的压力从而会引发地震。当潮很大，达到大约2-3米时，3/4的地震都会发生，而潮汐越小，发生的地震的几率也越少。

图18 月球的吸引力会引发地震吗？

3、为什么我们看到的月亮都一样？

为什么我们看到的月亮始终一个面孔？这是因为月球的自转与公转的周期相等（潮汐锁定），月球始终以同一面朝向着地球。

月球平均公转周期27.32天；平均公转速度 1.023千米/秒；

月球在绕地球公转的同时进行自转，周期也是27.3个地球日。自转周期与公转周期完全相同的现象称为“同步自转”。由于月球公转一圈的同时也自转了一圈，所以我们在地球上只能看见月球的正面，而永远看不见月球背向地球的另一面。

地球上每天是24小时，而月球上的一天约相当于地球上的27天，而且13天半是阳光普照的白天，13天半是寒冷的黑夜。潮汐锁定示意图如图19所示，从地球上看不到月球背面（图片来自Stigmatella aurantiaca）。

图19 潮汐锁定示意图

4、正在远去月球

地球海洋潮汐的产生主要是由于月球引力的作用。由于地球海洋的潮汐作用力与地球自转的方向相反，地球的自转总是受到一个极其微弱的作用力在给地球自转“刹车”，长期积累下来，有充分的证据表明，地球的自转周期越来越慢，一天的时间极其缓慢地增长，大约几年增加1秒；

由于地球的反作用力，使月球缓慢地距离地球越来越远，每一年远离地球大约3.8厘米。

图20 太阳、地球、月球运行示意图

4、月食是如何形成的？

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。

月球直径大约是地球的1/4。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。

图21 月全食全过程

六、人月关系

1、人类探月行动

月球是第一个人类曾经登陆过的地外天体。

1958年美国和苏联发射的月球探测器都宣告失败。

1959年苏联和美国分别成功发射了“月球号”和“先驱者号”月球探测器。

1969年美国的阿波罗-11号实现了人类首次载人登月，相继阿波罗-12、14、15、16和17号实现载人登月，一共有12名美国宇航员登上月球开展科学考察、采集月球样品和埋设长期探测月球的科学仪器，共带回地球381.7千克月球样品，大大增长了人类对月球起源、演化的认识。

迄今为止人类只有这12名美国宇航员登上了地球以外的天体。

图22 人类在月球上的足迹

2、中国人来了

2004年，中国正式开展月球探测工程。嫦娥工程分为“无人月球探测”“载人登月”和“建立月球基地”三个阶段。

2007年10月24日18时05分，“嫦娥一号”成功发射升空，在圆满完成各项使命后，于2009年按预定计划受控撞月。

2010年10月1日18时57分59秒“嫦娥二号”顺利发射，也已圆满并超额完成各项既定任务。2011离开拉格郎日点L2点后，向深空进发现今仍在前进，意在对深空通信系统进行测试。

2013年12月2日1时30分，嫦娥三号月球探测器由长征三号乙运载火箭从西昌卫星发射中心发射，2013年12月14日成功软着陆于月球雨海西北部，登月任务获得成功。

图23 嫦娥三号探测器地形地貌相机拍摄的巡视器侧面图像

嫦娥四号是嫦娥三号的备份星。2018年12月8日2时23分，嫦娥四号探测器在西昌卫星发射中心由长征三号乙运载火箭成功发射，并于2019年1月3日上午10点26分成功着陆在月球背面南极-艾特肯盆地冯·卡门撞击坑的预选着陆区。

按照相关规划，我国计划将于2025年左右实现载人登月！

 

图24嫦娥四号着陆器拍摄的玉兔2号巡视器