月亮是個啥玩意？為什麼人類都想去探索它？

來自專欄 天文在線

月亮是我們已知的夜空中最為明亮的天體（星體），也是離我們最近經常能見的天然衛星。我們對此肯定充滿無比的好奇心，那麼我們熟知而又陌生的月亮，到底是啥東西啦？本文將簡單的介紹下。

地球北半球所見的剛過滿月的月球。圖片作者：Luc Viatour

「月亮」一詞的來源

如此我們熟悉的名字，幾乎家喻戶曉，n代以前的古人都已經把它叫做「月」，古代最熟悉的就是「嫦娥奔月」了！因為「月」字的來源要追隨到差不多「古老」時期（年代從商晚期（約前1300年）延續到春秋），即甲骨文演化而來。因為最先文字由古人觀測月相而畫定的，後續演化成現在的「月」字。至此以後，古代人到現代人都叫它為月亮。因為看起來像球體，所以有時候把它也叫做月球。全文以月亮稱為，好理解。關於國外的來源，這裡我們就不介紹了。

「月」字的演化.圖片來自:象形字典

月亮距離我們有多遠？

首先你要弄明白1米有多遠，以及1千米（公里）有多遠？那麼就可以來理解我們地球離月亮有多遠了。

由於月亮繞地球公轉的軌道不是正圓的，而是橢圓的，所以它有個離地球最遠的距離和最近的距離（遠地點和近地點）。月亮離地球最遠時距離約達40.55萬公里，而最近時約36.33萬公里。平均值（半長軸）38.44萬公里，我們一般用這個值來描述月亮與地球的距離。是不是感覺非常遙遠？對頭！

在很久很久以前，月亮形成初期時，它離地球比現在更近。上億年前的恐龍時代，它們看到的月亮比我們現在看到的月亮大！由於潮汐加速的緣故，所以月亮在很久以前就在遠離地球。現在的月亮也是一樣在遠離我們，NASA（數值，下同）目前給出的數據是每年月亮以3.8CM（厘米）的速度遠離地球。這樣計算1個世紀的時間，月亮遠離地球約4米。這相對於地月之間的38萬公里而言，簡直就是微乎其微。由於月亮的遠離，月亮的視角直徑也隨之變小。所以大約在6億年後，我們從地球上將再也看不見日全食這一壯觀的天象，只能看見日環食。因此反過來，恐龍時代或更遠的時代月亮足夠近到沒有日環食，只有日全食的發生。

月球繞行地球的軌道大小和距離的比例，圖片中一個畫素寬度對應至實際上500公里的距離。圖片來自：WJ百科

月亮的光來自什麼地方？

月亮幾乎全部的光，都來自太陽光的反射作用。太陽光從太陽表面出發經過漫長的8分多鐘左右才抵達月亮表面。經過月表的反射作用，花費約1秒時間才抵達地球上人類的眼睛。

由於月亮屬於固體天然衛星天體，又不像太陽那樣有著可以產出大量光子的核聚變。因此月亮自身只能靠太陽的陽光來反射，自身不發光。（這裡我們就不深入探討月表黑體輻射了）

月亮到底有多麼明亮？

月亮有著異常低的反照率，它的數值與煤炭相當。儘管這樣，它依舊是除太陽以外天空中最為明亮的天然天體。如此明亮，可能是因為月亮的視角面積在地球上看去很寬廣導致的反射大面積的光。

它到底有多亮？亮到夜晚也可以看見月影。在天文定義上，滿月（沖日，下同）的平均亮度約-12.74（等）。數值越小越為明亮，太陽亮度約-26.74（等）。因此太陽比滿月大約亮400000倍！！如果月亮只有一半被太陽光照亮，也就是上下弦月時。那麼月亮的亮度只有滿月的十分之一，而不是一半喲！

為什麼月亮總是以同一面對著我們？

因為月亮繞地球公轉的周期（約27.3217天）與月亮自身繞自軸的周期（約27.322天）幾乎完全相同，這種叫做同步自轉天然衛星或者是潮汐鎖定。其實月亮也不只是有一半的面一直對著我們，由於天平動的緣故，我們可以多看見約18%的月背面，也就是算我們在地球上總共看見的月面約59%。

那麼問題接踵而來！什麼是天平動啦？我們這裡就簡單的說吧，就是從地球上看去，由於地球月亮之間在相互運動，有公轉與自轉，因此看起來月亮在天空中有周期規律性的擺動。從而使得月亮的另一半面部分出現又消失的規律周期，這裡就不詳講各種天平動了。

圖片來自網路

月球相位變化的動畫。視覺上的擺動就是所謂的天秤動。圖片作者：Tomruen

為什麼月亮不一直為滿月？

（為什麼有月相？）

「 人有悲歡離合,月有陰晴圓缺」，大家也許都很好奇月亮為什麼有時候是彎彎的月牙有時候又是滿月，而且很有規律。其實這個原理很簡單，只不過你需要一點空間想像力。造成這一現象的主要原因就是由於月亮繞地球公轉而受太陽光反射而成的。當太陽，地球，月亮幾乎成一條直線時，且地球位於兩者之間時，太陽在月亮表面（正面）反射的光幾乎全部可以被地球處於夜晚一面上的人類所看見（這裡除去月食的發生）。當月亮運行到地球兩側時，地球上的人類只能看見月亮正面的一半太陽反射光。此時白天和晚上都可以看見一半太陽反射光的月面。當月亮運行到地球與太陽之間時，由於反射光位於月亮背面，所以地球上的人類無法觀測到月亮的正面（包括日食都一樣）。

在北半球看見的月相，在南半球看見的每一個都會是上下左右倒置的。圖片作者: Orion 8

月亮到底有多大？

（為何看起來和太陽一樣大？）

在滿月的月亮與太陽似乎大小一樣，是不是它們的實際大小也是一樣的？不不！太陽大出想像！從地球上看一樣大的原因是太陽距離地球遙遠，而月亮距離地球近，1個是約1.5億公里，一個是38萬公里。而且神奇的是目前月亮直徑距離比與太陽直徑距離比神奇般的略同（平均為452和465），所以這樣在地球上看起來月亮和太陽幾乎一樣大。

在天文定義上，從地球上看見的天體視角大小，以視角目視直徑而定義（差不多類似於張張角）。月亮的目視直徑在滿月時平均約31.60角分，而太陽在1AU（1.496億公里）時約31.98角分。這些等同於它們目視直徑約半度左右，因此地球上才會出現那麼完美漂亮的日食。

月亮實際的平均直徑大小約3474.8公里，地球的約12740公里，而太陽的約1391400公里。大約需要49.3個月亮才能塞滿整個地球，然而大約需要64275310≈6000多萬個月亮才能塞滿太陽。

把地球和月球放在一起，比較一下.圖片來自：WJ百科

月亮上到底有啥？

我們熟知的神話故事：『嫦娥奔月，吳剛伐桂，玉兔搗葯』。月亮上有嫦娥？有吳剛？有玉兔？不不！這些都沒有。因為月亮上很薄很少的大氣層中沒有氧氣存在，所以生命不太可能存在於此（不藉助任何設備，PS：除去逆天的外星人）。

月亮上看起來死氣沉沉，沒有任何的生命跡象。感覺非常的孤獨，不過沒有很多大氣層，所以星空看起來一定是相當之美麗。

月亮正面

月亮正面是我們一直以來最為熟悉的面孔，始終對著我們。正面看起來比較黑暗的地方，以前古人以為那上面有水，像地球一樣的海洋，所以稱為月海。明亮的地區自然為月陸了，月陸比月海更高些，月海相當於一個平原。月海的主要成分是玄武岩，是月亮古代火山的產物，所以這些地區反光率較低看起來比較暗。

其餘地區主要的還有各種各樣的環形山（隕石撞擊），火山等等。其中最為明顯的2個環形山分別是開普勒，哥白尼，第谷環形山，它們周圍的輻射條紋非常明顯。從地球看去第谷環形山的最為明顯，輻射條紋很長，延長到了月海。第谷環形山位於月亮的南邊緣附近，輻射條紋是由於早期的隕石撞擊形成的。

月亮背面

背面一直是我們看不見的地區，從古代到現在。所以激發人類這個好奇號很重的動物，不得不想方設法去探個究竟。1959年10月7日，前蘇聯的太空船月球3號傳回月球背面的第一張照片，人類有史以來終於見到了月亮背面是什麼樣子了。隨後的探測器不斷更新背面圖片，使得月亮背面不在陌生。背面不像正面那樣有許多的月海，而是非常多的隕石坑，這可能是為了保衛地球。

人類第一張月亮背面的黑白照片，由月球3號於1959年10月7日拍攝。圖片來自：OKB-1

（圖左：傳回地球的第一張月球背面影像，左邊的暗色區域分別為危海、史密斯海、界海，下方為南海，右上為莫斯科海。圖右：月球勘測軌道器拍攝的月球背面。來源：http://moon.nasa.gov/resources/26/）

月球背面的彩色照片.圖片來自：NASA/GSFC/Arizona State University

月亮成分

月海的主要成分是玄武岩，以及其它非月海地方什麼的斜長岩等等許多岩石類型。以及其它很多化學元素，微量元素等等。其中我們最熟悉最喜歡的一種元素是氦3，這是氦的同位素。它在月亮上的含量很豐富，比地球多得多。由於它可以作為核燃料的綠色能源，不輻射不污染環境。所以人類都非常喜歡她，月亮基地便成為熱門。

月亮內部構造

月亮的內部構造主要分為月核，月幔，月殼，其中月核可分為內核（固態鐵）與外核（液態鐵）。核心可能是由金屬鐵構成的固態與熔融狀態，直徑大約在700公里左右。

月球結構示意圖，圖片來自：知識庫

月亮有磁場么？

既然有固體鐵，那麼肯定有磁場。月亮是有磁場，但是並不是核心產生的，而是古時候月亮形成時被磁化留下的磁場。因此月亮最為主要的磁場來自很久以前被磁化的月亮，由於是余留下來的，所以磁場很微弱。

月亮上會有水么？

大家肯定認為，如此荒涼的月面環境怎麼可能有水？不以為然，的確有水的存在。月面並不是完全的被太陽光照射，它的極地附近有部分地方一直未被太陽光照射到。尤其是在南極附近的隕石坑低洼地帶一直未被太陽光照射到，足夠低的溫度，是儲存古冰的好地方。由於太陽風帶來的粒子中含有氫元素，與月亮上含有氧元素的作用而產生水。因此永暗的地方，可能存在古老的水冰。

月亮有季節么？

月亮的轉軸傾角只有1.54度，遠小於地球的23.44度。由於這個緣故，太陽照射對月亮季節變化的影響很小，反而是月亮表面地形對季節變化有重要作用。在2004年，約翰·霍普金斯大學的Ben Bussey博士率領的小組研究克萊芒蒂娜探測器在1994年獲得的影像，發現位於月亮北極的皮爾斯環形山邊緣有4個區域在整個月亮一天中都被陽光所照亮，形成永晝峰，而在月球南極地區沒有類似的區域。而在極區的許多環形山底部是永久黑暗的，沒有受到陽光照射。這些黑暗的環形山底部是極低溫的：月球勘測軌道飛行器在夏天的南極環形山底部測得的最低溫度是35K（?238攝氏度），而在接近冬至時在北極測得埃爾米特環形山的溫度只有26K（?247攝氏度）。這個溫度比冥王星的表面溫度還要低，是太空船在太陽系中所測得的最低溫度。

月亮有大氣層么？

月亮上的重力小，使得它抓不住大氣，所以只有很稀薄的一層大氣層。

相對於地球大氣層而言，月亮的大氣層幾乎接近於真空狀態。肉眼無法識別，只能藉助於儀器探測。

月亮大氣層物質的主要來源於月亮的內部元素放射性衰變形成的氣體，逃逸到月面上空，以及另一種是隕石或流星體的撞擊濺射到月面上空。

月亮大氣層的主要成分有氬、氦、鈉、鉀、氫等等多種元素。其中鈉元素最為有趣，它在太陽風壓的作用下，形成了一條達數十萬公里的月亮鈉尾。由於鈉尾中的鈉粒子非常稀疏，所以地球上很難看見，也只有在1998年的獅子座流星「暴雨」中較易觀測到。

月亮的形成與年齡

根據目前的理論，最具有說服力大眾認可的一種就是大碰撞說。這一學說認為，在大約45.33億年前一顆火星大小般的原行星（名為忒伊亞，月亮女神的母親）撞擊地球，拋出來的物質形成了我們現在的月亮。最初月亮距離地球很近，而且自轉速度極快。後來由於潮汐摩擦的緣故，而遠離地球成為現在的月亮。還有一種假說就是根據現有的月亮背面數據來模擬，在形成初期地球可能有2顆天然衛星。另一顆衛星位於地月的L2引力平衡點，由於太陽等其它行星的引力攝動。導致這顆衛星朝向目前的月亮背面撞擊，而形成如今的月亮。

還有幾個常人都可以想到的假說：

第一，地球引力的捕獲，不過這需要地球以前具有很強厚的大氣層來減小其速度。

第二，地球形成初期或撞擊使得具有極高的自轉速度，由於離心作用，赤道隆起，甩出了一大片物質，從而形成了地球。

第三，地球和月亮同在一個太陽系星雲原始盤中誕生。

若相當於地球和火星大小的兩天體發生這樣的碰撞，可能會形成月球。圖片來自 NASA/JPL-Caltech (PIA12166: Planetary Demolition Derby)

月亮對人類而言有什麼用？

肉眼視覺效果，滿月的月亮看起來莫名的美麗。月牙加上地景，也是不錯的美景。以及弦月時，月亮只有一半被照亮，可以很好的看見環形山。可以發生月掩星，月亮作為龐大的目標，更好讓我們看見月亮遮住明亮的天體。可以看見日月食，以及國際空間站凌月（在月面前飛過）等等視覺上的天象奇觀。

人類理想的外太空基地，具有豐富的氦3新能源。在背面建立無線電望遠鏡，無地球附近衛星的雜訊干擾。觀測星空無較厚大氣層干擾，如我國的「嫦娥」3號，就計划了觀測月亮上的星空。

潮汐的影響力，導致海水的漲落。這使得生命不得不向陸地發展，不得不適應陸地環境。

有趣的月亮錯覺

大家可能已經感受到，特別是在滿月的時候。升起在地平線附近的滿月比在中天我們頭頂的滿月要大一些，這是為什麼啦大氣層的緣故還是我們的錯覺？現在科學家普遍的說法是，人類肉眼對於參考物的選擇而出現的一種錯覺。解釋是，由於地平線附近的東西很容易與月亮一起作為參考進入了我們的眼睛內，大腦的識別是月亮顯得比中天（天頂）時大。而滿月到達頭頂附近時，無較明顯易入肉眼的參考物，因此顯得小。到底是肉眼錯覺還是地球大氣層作怪，儀器對月亮大小的檢查就是「鐵證如山」了。儀器檢查結果是，目視直徑大小的滿月，在地平線時居然比在天頂時要略小一些！這足以證明是人類肉眼的錯覺，地平線附近的滿月實際小的原因是，比天頂滿月時要更遠些，差不多遠了一個地球半徑這樣的距離。

人類探測器造訪月亮

月亮是我們最熟悉而感覺遙遠陌生的地方，人類這種好奇號嚴重的高級動物，有了一點技術就非常迫不及待的去近距離接觸月亮。我們還得感謝上個世紀中下葉的「冷戰」時期，要不是這樣，我們對近距離接觸月亮的時間可能就會延後很多年。

人類拜訪月亮的第一艘太空飛船是在1959年，由蘇聯製造的月球1號。本來是要著陸撞擊月球的，但進入軌道時點火時間出現點小失誤，所以直接掠過了地球。不過慶幸的是，它給人類創造了很多不可思議或意想不到的記錄。它是第一個擺脫地球引力的人造衛星，也是第一個圍繞太陽公轉的人造行星。

後來第一個撞擊月亮表面的還是蘇聯的月球2號，蘇聯的月球3號在1959年傳回了人類的第一張月球背面圖片，當時全世界都沸騰了！1966年月球9號成為人類第一個成功軟著陸在月表的探測器，同一年月球10號成為人類第一個環繞月亮運行的人造月亮衛星探測器。隨後取樣月物質，月球16號、月球20號和月球24號總共帶回0.38公斤的月岩。

月球3號發送回人類首張月球背面圖像，圖片來自網路

當時美國看見蘇聯的行動，開始有點小急了。大反擊，載人登月！雄心勃勃的美國於1968年載人環月，這是人類第一次！膽子夠大！要知道飛船在3天後才能抵達月亮，這期間要面臨如氧氣生活等等。最為激動人心的還在後面，也就是1969年人類第一次登月！記住這個日子！尼爾·阿姆斯壯是美國阿波羅11號任務的指揮官，他在1969年7月21日02:56 (世界時)踏上月球表面，成為第一位在月球上漫步的人。隨後的幾個阿波羅號也同樣登月，他們總共帶回了382公斤、共2196塊月球岩石和土壤的標本。

在阿波羅8號任務，於1968年的聖誕夜從月球看見的地球。非洲在日沒的邊界線上，美洲在雲層之下，在邊界線末端左邊的是南極大陸。圖片來自：NASA / Bill Anders

在1969年7月20日人類第一次登月任務中，太空人阿姆斯壯拍攝的太空人巴茲·艾德林。圖片來自：NASA-ABSTRACTS/GPN-2001-000013

隨後上個世紀末期，日本的探測器成為第三個環繞月亮的國家。

月球探勘者於1998年首次在月亮極區發現了大量的氫，這可能是人類首次間接性的發現了極地水冰的存在。

圖片來自WJ百科

21世紀我國開始實施龐大的月亮探測計劃

這一龐大的計劃主要3大步，分別是「探」、「登」、「駐」：

第一大步是探：就是無人探測器探測月亮，又分為3小步，分別是「繞」、「落」、「回」。

首先是繞，無人探測器環繞月亮並撞擊月表（硬著陸），其次是落，無人探測器月球車軟著陸月亮表面，最後是回，無人探測器月球車採集月樣並返回地球。

第二大步是登：就是載人登月，沒有具體說明，大致應該和阿波羅計劃類似。先載人繞月，然後登月，最後取樣回地球。

第三大步是駐：長久性的駐紮月球，要知道我們前面說過，月面上極地有水冰而且月表有比較豐富清潔的核能源必須的燃料_氦3。

中國探月工程標識「月亮之上」為月字的變形，中央為兩個腳印，圖片來自：中國探月工程

第一大步：探月工程（嫦娥工程）

我國在2003年3月1日啟動規模龐大的探月工程計劃，亦有「嫦娥奔月」之美意，因此也被稱為「嫦娥工程」。

第一小步：環繞月球（探測月表）

2007年「嫦娥一號」奔向月亮並環繞月亮採集月表數據，在控制之下成功於2008年撞擊月表（硬著陸）。

2010年「嫦娥二號」奔向月亮，為「嫦娥三號」的著陸器著陸月表做準備，主要拍攝了著陸地點-虹灣。

嫦娥一號傳回並製作完成的首幅月面圖像，圖片來自新華社

第二小步：軟著陸月表

又分為正面軟著陸和背面軟著陸。

正面軟著陸在2013年已經完成。由「嫦娥三號」攜帶的「玉兔號」月球車在2013年成功軟著陸於月表，並觀測月亮上的星空，這是我國首次實現月球軟著陸。

圖上亮點為月基天文望遠鏡觀測到的23顆星象。圖片來自新華社

2013年12月17日至18日，著陸器地形地貌相機拍攝的著陸器周邊360°範圍的全景鑲嵌影像圖，採用方位投影方式表達。新華社發(國防科工局供圖)

背面軟著陸預計由「嫦娥四號」攜帶新月球車在2018年完成，如果成功，這將是人類首次軟著陸於月球背面。

要知道，因為在背面無線電通訊是無法抵達地球的（月亮內部結構不允許無線電通訊傳過），所以在背面著陸必須要有個能夠傳到地球的通訊衛星，作為中間環節。這樣就要發射一顆衛星，解決通訊問題。

所以「嫦娥四號」的中繼衛星預計將在北京時間的2018年5月21日凌晨5點發射，它將抵達地球與月亮引力平衡點-L2（地球月亮延長線上）附近運行。作為通訊的中繼站點，以便於「指揮」月球車軟著陸於月亮背面。由於L2點距離月球有約65000公里遠，因此通訊衛星發出的信號還無法抵達地球。那麼如何實現將信號傳送到地球啦？大佬們就想到了《地–月L2點中繼星月球近旁轉移軌道設計》這個方案，有效的解決了月球擋住信號的問題。取在L2位置還有一點就是，如此近的距離又很方便的可以遙控到月表上的月球車。

圖為月球近旁轉移軌道示意圖，圖片來自《地–月L2點中繼星月球近旁轉移軌道設計》

圖為轉移軌道入軌點分布圖（振幅3 000 km），圖片來自《地–月L2點中繼星月球近旁轉移軌道設計》

第三小步：取樣返回

早在2014年就發射了再入返回飛行試驗器（嫦娥五號的T1試驗器），當時的話，主要是為了試驗繞月後返回地球。並且為取樣返回做準備，試驗很成功，試驗器成功著陸地面。

預定2019年到2020年？來完成月球取樣返回地球任務，主要分為月亮正面取樣返回，極地取樣返回，背面取樣返回？（有待證實）

預定2019年？主要將由「嫦娥五號」來完成月亮正面的自動化採樣返回地球，月亮探測器的著陸地點為月亮正面的呂姆克山脈。

預定2020年？主要將由「嫦娥六號」來完成月亮極地附近的採樣返回地球。

月亮背面取樣返回，似乎未計劃？或是「嫦娥五號」來完成？暫時不清楚。

第二大步：載人登月工程

根據現有的進度繼續推進，預計2025年到2030年或2036年？完成初期的載人登月計劃。

第三大步：長久性的駐紮月球

計劃是好的，不過先搞定前面再說，希望本世紀中期就可以實現。

參考資料

1. WJ百科-月球[2018-04-22]

2. 阿波羅計劃.[2018-05-04]

3. 中國探月工程[2018-02-21]

4. 蘇聯的月球計劃.[2017-05-23]

5. Moon Fact Sheet[2017-07-03]

6. Sun Fact Sheet[2018-02-23]

7. NASA- Planetary Fact Sheets. [2016-02-28]

8. Apollo program history

9. 《地–月L2點中繼星月球近旁轉移軌道設計》[2017.03.010 ]

編寫時間：2018年05月03日-05月20日

編寫作者：零度星系（天文在線）

注意：所有信息數據龐大且由本人一人編輯，難免出現錯誤，還請指出錯誤所在好加以改之。

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全文排版：天文在線（零度星系）

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