【月亮】月亮是个啥玩意？为什么人类都想去探索它？

月亮是我们所知的夜空中最亮的天体(星星)，也是最近常见的天然卫星。

我们对此肯定充满无比的好奇心，那么我们熟知而又陌生的月亮，到底是啥东西啦？本文将简单的介绍下。

地球北半球所见的刚过满月的月球。图片作者：Luc Viatour

“月亮”一词的来源

如此我们熟悉的名字，几乎家喻户晓，n代以前的古人都已经把它叫做“月”，古代最熟悉的就是“嫦娥奔月”了！因为“月”字的来源要追随到差不多“古老”时期（年代从商晚期（约前1300年）延续到春秋），即甲骨文演化而来。因为最先文字由古人观测月相而画定的，后续演化成现在的“月”字。至此以后，古代人到现代人都叫它为月亮。因为看起来像球体，所以有时候把它也叫做月球。全文以月亮称为，好理解。关于国外的来源，这里我们就不介绍了。

“月”字的演化.图片来自:象形字典

月亮距离我们有多远？

首先你要弄明白1米有多远，以及1千米（公里）有多远？那么就可以来理解我们地球离月亮有多远了。

由于月亮绕地球公转的轨道不是正圆的，而是椭圆的，所以它有个离地球最远的距离和最近的距离（远地点和近地点）。月亮离地球最远时距离约达40.55万公里，而最近时约36.33万公里。平均值（半长轴）38.44万公里，我们一般用这个值来描述月亮与地球的距离。是不是感觉非常遥远？对头！

在很久很久以前，月亮形成初期时，它离地球比现在更近。上亿年前的恐龙时代，它们看到的月亮比我们现在看到的月亮大！由于潮汐加速的缘故，所以月亮在很久以前就在远离地球。现在的月亮也是一样在远离我们，NASA（数值，下同）目前给出的数据是每年月亮以3.8CM（厘米）的速度远离地球。这样计算1个世纪的时间，月亮远离地球约4米。这相对于地月之间的38万公里而言，简直就是微乎其微。由于月亮的远离，月亮的视角直径也随之变小。所以大约在6亿年后，我们从地球上将再也看不见日全食这一壮观的天象，只能看见日环食。因此反过来，恐龙时代或更远的时代月亮足够近到没有日环食，只有日全食的发生。

月球绕行地球的轨道大小和距离的比例，图片中一个画素宽度对应至实际上500公里的距离。图片来自：WJ百科

月亮的光来自什么地方？

月亮几乎全部的光，都来自太阳光的反射作用。太阳光从太阳表面出发经过漫长的8分多钟左右才抵达月亮表面。经过月表的反射作用，花费约1秒时间才抵达地球上人类的眼睛。

由于月亮属于固体天然卫星天体，又不像太阳那样有着可以产出大量光子的核聚变。因此月亮自身只能靠太阳的阳光来反射，自身不发光。（这里我们就不深入探讨月表黑体辐射了）

月亮到底有多么明亮？

月亮有着异常低的反照率，它的数值与煤炭相当。尽管这样，它依旧是除太阳以外天空中最为明亮的天然天体。如此明亮，可能是因为月亮的视角面积在地球上看去很宽广导致的反射大面积的光。

它到底有多亮？亮到夜晚也可以看见月影。在天文定义上，满月（冲日，下同）的平均亮度约-12.74（等）。数值越小越为明亮，太阳亮度约-26.74（等）。因此太阳比满月大约亮400000倍！！如果月亮只有一半被太阳光照亮，也就是上下弦月时。那么月亮的亮度只有满月的十分之一，而不是一半哟！

为什么月亮总是以同一面对着我们？

因为月亮绕地球公转的周期（约27.3217天）与月亮自身绕自轴的周期（约27.322天）几乎完全相同，这种叫做同步自转天然卫星或者是潮汐锁定。其实月亮也不只是有一半的面一直对着我们，由于天平动的缘故，我们可以多看见约18%的月背面，也就是算我们在地球上总共看见的月面约59%。

那么问题接踵而来！什么是天平动啦？我们这里就简单的说吧，就是从地球上看去，由于地球月亮之间在相互运动，有公转与自转，因此看起来月亮在天空中有周期规律性的摆动。从而使得月亮的另一半面部分出现又消失的规律周期，这里就不详讲各种天平动了。

图片来自网络

月球相位变化的动画。视觉上的摆动就是所谓的天秤动。图片作者：Tomruen

为什么月亮不一直为满月？

（为什么有月相？）

“ 人有悲欢离合,月有阴晴圆缺”，大家也许都很好奇月亮为什么有时候是弯弯的月牙有时候又是满月，而且很有规律。其实这个原理很简单，只不过你需要一点空间想象力。造成这一现象的主要原因就是由于月亮绕地球公转而受太阳光反射而成的。当太阳，地球，月亮几乎成一条直线时，且地球位于两者之间时，太阳在月亮表面（正面）反射的光几乎全部可以被地球处于夜晚一面上的人类所看见（这里除去月食的发生）。当月亮运行到地球两侧时，地球上的人类只能看见月亮正面的一半太阳反射光。此时白天和晚上都可以看见一半太阳反射光的月面。当月亮运行到地球与太阳之间时，由于反射光位于月亮背面，所以地球上的人类无法观测到月亮的正面（包括日食都一样）。

在北半球看见的月相，在南半球看见的每一个都会是上下左右倒置的。图片作者: Orion 8

月亮到底有多大？

（为何看起来和太阳一样大？）

在满月的月亮与太阳似乎大小一样，是不是它们的实际大小也是一样的？不不！太阳大出想象！从地球上看一样大的原因是太阳距离地球遥远，而月亮距离地球近，1个是约1.5亿公里，一个是38万公里。而且神奇的是目前月亮直径距离比与太阳直径距离比神奇般的略同（平均为452和465），所以这样在地球上看起来月亮和太阳几乎一样大。

在天文定义上，从地球上看见的天体视角大小，以视角目视直径而定义（差不多类似于张张角）。月亮的目视直径在满月时平均约31.60角分，而太阳在1AU（1.496亿公里）时约31.98角分。这些等同于它们目视直径约半度左右，因此地球上才会出现那么完美漂亮的日食。

月亮实际的平均直径大小约3474.8公里，地球的约12740公里，而太阳的约1391400公里。大约需要49.3个月亮才能塞满整个地球，然而大约需要64275310≈6000多万个月亮才能塞满太阳。

把地球和月球放在一起，比较一下.图片来自：WJ百科

月亮上到底有啥？

我们熟知的神话故事：‘嫦娥奔月，吴刚伐桂，玉兔捣药’。月亮上有嫦娥？有吴刚？有玉兔？不不！这些都没有。因为月亮上很薄很少的大气层中没有氧气存在，所以生命不太可能存在于此（不借助任何设备，PS：除去逆天的外星人）。

月亮上看起来死气沉沉，没有任何的生命迹象。感觉非常的孤独，不过没有很多大气层，所以星空看起来一定是相当之美丽。

月亮正面

月亮正面是我们一直以来最为熟悉的面孔，始终对着我们。正面看起来比较黑暗的地方，以前古人以为那上面有水，像地球一样的海洋，所以称为月海。明亮的地区自然为月陆了，月陆比月海更高些，月海相当于一个平原。月海的主要成分是玄武岩，是月亮古代火山的产物，所以这些地区反光率较低看起来比较暗。

其余地区主要的还有各种各样的环形山（陨石撞击），火山等等。其中最为明显的2个环形山分别是开普勒，哥白尼，第谷环形山，它们周围的辐射条纹非常明显。从地球看去第谷环形山的最为明显，辐射条纹很长，延长到了月海。第谷环形山位于月亮的南边缘附近，辐射条纹是由于早期的陨石撞击形成的。

月亮背面

背面一直是我们看不见的地区，从古代到现在。所以激发人类这个好奇号很重的动物，不得不想方设法去探个究竟。1959年10月7日，前苏联的太空船月球3号传回月球背面的第一张照片，人类有史以来终于见到了月亮背面是什么样子了。随后的探测器不断更新背面图片，使得月亮背面不在陌生。背面不像正面那样有许多的月海，而是非常多的陨石坑，这可能是为了保卫地球。

人类第一张月亮背面的黑白照片，由月球3号于1959年10月7日拍摄。图片来自：OKB-1

（图左：传回地球的第一张月球背面影像，左边的暗色区域分别为危海、史密斯海、界海，下方为南海，右上为莫斯科海。图右：月球勘测轨道器拍摄的月球背面。来源：moon.na）

月球背面的彩色照片.图片来自：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么的斜长岩等等许多岩石类型。以及其它很多化学元素，微量元素等等。其中我们最熟悉最喜欢的一种元素是氦3，这是氦的同位素。它在月亮上的含量很丰富，比地球多得多。由于它可以作为核燃料的绿色能源，不辐射不污染环境。所以人类都非常喜欢她，月亮基地便成为热门。

月亮内部构造

月亮的内部构造主要分为月核，月幔，月壳，其中月核可分为内核（固态铁）与外核（液态铁）。核心可能是由金属铁构成的固态与熔融状态，直径大约在700公里左右。

月球结构示意图，图片来自：知识库

月亮有磁场么？

既然有固体铁，那么肯定有磁场。月亮是有磁场，但是并不是核心产生的，而是古时候月亮形成时被磁化留下的磁场。因此月亮最为主要的磁场来自很久以前被磁化的月亮，由于是余留下来的，所以磁场很微弱。

月亮上会有水么？

大家肯定认为，如此荒凉的月面环境怎么可能有水？不以为然，的确有水的存在。月面并不是完全的被太阳光照射，它的极地附近有部分地方一直未被太阳光照射到。尤其是在南极附近的陨石坑低洼地带一直未被太阳光照射到，足够低的温度，是储存古冰的好地方。由于太阳风带来的粒子中含有氢元素，与月亮上含有氧元素的作用而产生水。因此永暗的地方，可能存在古老的水冰。

月亮有季节么？

月亮的转轴倾角只有1.54度，远小于地球的23.44度。由于这个缘故，太阳照射对月亮季节变化的影响很小，反而是月亮表面地形对季节变化有重要作用。在2004年，约翰·霍普金斯大学的Ben Bussey博士率领的小组研究克莱芒蒂娜探测器在1994年获得的影像，发现位于月亮北极的皮尔斯环形山边缘有4个区域在整个月亮一天中都被阳光所照亮，形成永昼峰，而在月球南极地区没有类似的区域。而在极区的许多环形山底部是永久黑暗的，没有受到阳光照射。这些黑暗的环形山底部是极低温的：月球勘测轨道飞行器在夏天的南极环形山底部测得的最低温度是35K（−238摄氏度），而在接近冬至时在北极测得埃尔米特环形山的温度只有26K（−247摄氏度）。这个温度比冥王星的表面温度还要低，是太空船在太阳系中所测得的最低温度。

月亮有大气层么？

月亮上的重力小，使得它抓不住大气，所以只有很稀薄的一层大气层。

相对于地球大气层而言，月亮的大气层几乎接近于真空状态。肉眼无法识别，只能借助于仪器探测。

月亮大气层物质的主要来源于月亮的内部元素放射性衰变形成的气体，逃逸到月面上空，以及另一种是陨石或流星体的撞击溅射到月面上空。

月亮大气层的主要成分有氩、氦、钠、钾、氢等等多种元素。其中钠元素最为有趣，它在太阳风压的作用下，形成了一条达数十万公里的月亮钠尾。由于钠尾中的钠粒子非常稀疏，所以地球上很难看见，也只有在1998年的狮子座流星“暴雨”中较易观测到。

月亮的形成与年龄

根据目前的理论，最具有说服力大众认可的一种就是大碰撞说。这一学说认为，在大约45.33亿年前一颗火星大小般的原行星（名为忒伊亚，月亮女神的母亲）撞击地球，抛出来的物质形成了我们现在的月亮。最初月亮距离地球很近，而且自转速度极快。后来由于潮汐摩擦的缘故，而远离地球成为现在的月亮。还有一种假说就是根据现有的月亮背面数据来模拟，在形成初期地球可能有2颗天然卫星。另一颗卫星位于地月的L2引力平衡点，由于太阳等其它行星的引力摄动。导致这颗卫星朝向目前的月亮背面撞击，而形成如今的月亮。

还有几个常人都可以想到的假说：

第一，地球引力的捕获，不过这需要地球以前具有很强厚的大气层来减小其速度。

第二，地球形成初期或撞击使得具有极高的自转速度，由于离心作用，赤道隆起，甩出了一大片物质，从而形成了地球。

第三，地球和月亮同在一个太阳系星云原始盘中诞生。

若相当于地球和火星大小的两天体发生这样的碰撞，可能会形成月球。图片来自NASA/JPL-Caltech (PIA12166: Planetary Demolition Derby)

月亮对人类而言有什么用？

肉眼视觉效果，满月的月亮看起来莫名的美丽。月牙加上地景，也是不错的美景。以及弦月时，月亮只有一半被照亮，可以很好的看见环形山。可以发生月掩星，月亮作为庞大的目标，更好让我们看见月亮遮住明亮的天体。可以看见日月食，以及国际空间站凌月（在月面前飞过）等等视觉上的天象奇观。

人类理想的外太空基地，具有丰富的氦3新能源。在背面建立无线电望远镜，无地球附近卫星的噪声干扰。观测星空无较厚大气层干扰，如我国的“嫦娥”3号，就计划了观测月亮上的星空。

潮汐的影响力，导致海水的涨落。这使得生命不得不向陆地发展，不得不适应陆地环境。

有趣的月亮错觉

大家可能已经感受到，特别是在满月的时候。升起在地平线附近的满月比在中天我们头顶的满月要大一些，这是为什么啦大气层的缘故还是我们的错觉？现在科学家普遍的说法是，人类肉眼对于参考物的选择而出现的一种错觉。解释是，由于地平线附近的东西很容易与月亮一起作为参考进入了我们的眼睛内，大脑的识别是月亮显得比中天（天顶）时大。而满月到达头顶附近时，无较明显易入肉眼的参考物，因此显得小。到底是肉眼错觉还是地球大气层作怪，仪器对月亮大小的检查就是“铁证如山”了。仪器检查结果是，目视直径大小的满月，在地平线时居然比在天顶时要略小一些！这足以证明是人类肉眼的错觉，地平线附近的满月实际小的原因是，比天顶满月时要更远些，差不多远了一个地球半径这样的距离。

人类探测器造访月亮

月亮是我们最熟悉而感觉遥远陌生的地方，人类这种好奇号严重的高级动物，有了一点技术就非常迫不及待的去近距离接触月亮。我们还得感谢上个世纪中下叶的“冷战”时期，要不是这样，我们对近距离接触月亮的时间可能就会延后很多年。

人类拜访月亮的第一艘太空飞船是在1959年，由苏联制造的月球1号。本来是要着陆撞击月球的，但进入轨道时点火时间出现点小失误，所以直接掠过了地球。不过庆幸的是，它给人类创造了很多不可思议或意想不到的记录。它是第一个摆脱地球引力的人造卫星，也是第一个围绕太阳公转的人造行星。

后来第一个撞击月亮表面的还是苏联的月球2号，苏联的月球3号在1959年传回了人类的第一张月球背面图片，当时全世界都沸腾了！1966年月球9号成为人类第一个成功软着陆在月表的探测器，同一年月球10号成为人类第一个环绕月亮运行的人造月亮卫星探测器。随后取样月物质，月球16号、月球20号和月球24号总共带回0.38公斤的月岩。

月球3号发送回人类首张月球背面图像，图片来自网络

当时美国看见苏联的行动，开始有点小急了。大反击，载人登月！雄心勃勃的美国于1968年载人环月，这是人类第一次！胆子够大！要知道飞船在3天后才能抵达月亮，这期间要面临如氧气生活等等。最为激动人心的还在后面，也就是1969年人类第一次登月！记住这个日子！尼尔·阿姆斯壮是美国阿波罗11号任务的指挥官，他在1969年7月21日02:56 (世界时)踏上月球表面，成为第一位在月球上漫步的人。随后的几个阿波罗号也同样登月，他们总共带回了382公斤、共2196块月球岩石和土壤的标本。

在阿波罗8号任务，于1968年的圣诞夜从月球看见的地球。非洲在日没的边界线上，美洲在云层之下，在边界线末端左边的是南极大陆。图片来自：NASA / Bill Anders

在1969年7月20日人类第一次登月任务中，太空人阿姆斯壮拍摄的太空人巴兹·艾德林。图片来自：NASA-ABSTRACTS/GPN-2001-000013

随后上个世纪末期，日本的探测器成为第三个环绕月亮的国家。

月球探勘者于1998年首次在月亮极区发现了大量的氢，这可能是人类首次间接性的发现了极地水冰的存在。

图片来自WJ百科

21世纪我国开始实施庞大的月亮探测计划

这一庞大的计划主要3大步，分别是“探”、“登”、“驻”：

第一大步是探：就是无人探测器探测月亮，又分为3小步，分别是“绕”、“落”、“回”。

首先是绕，无人探测器环绕月亮并撞击月表（硬着陆），其次是落，无人探测器月球车软着陆月亮表面，最后是回，无人探测器月球车采集月样并返回地球。

第二大步是登：就是载人登月，没有具体说明，大致应该和阿波罗计划类似。先载人绕月，然后登月，最后取样回地球。

第三大步是驻：长久性的驻扎月球，要知道我们前面说过，月面上极地有水冰而且月表有比较丰富清洁的核能源必须的燃料_氦3。

中国探月工程标识“月亮之上”为月字的变形，中央为两个脚印，图片来自：中国探月工程

第一大步：探月工程（嫦娥工程）

我国在2003年3月1日启动规模庞大的探月工程计划，亦有“嫦娥奔月”之美意，因此也被称为“嫦娥工程”。

第一小步：环绕月球（探测月表）

2007年“嫦娥一号”奔向月亮并环绕月亮采集月表数据，在控制之下成功于2008年撞击月表（硬着陆）。

2010年“嫦娥二号”奔向月亮，为“嫦娥三号”的着陆器着陆月表做准备，主要拍摄了着陆地点-虹湾。

嫦娥一号传回并制作完成的首幅月面图像，图片来自新华社

第二小步：软着陆月表

又分为正面软着陆和背面软着陆。

正面软着陆在2013年已经完成。由“嫦娥三号”携带的“玉兔号”月球车在2013年成功软着陆于月表，并观测月亮上的星空，这是我国首次实现月球软着陆。

图上亮点为月基天文望远镜观测到的23颗星象。图片来自新华社

2013年12月17日至18日，着陆器地形地貌相机拍摄的着陆器周边360°范围的全景镶嵌影像图，采用方位投影方式表达。新华社发(国防科工局供图)

背面软着陆预计由“嫦娥四号”携带新月球车在2018年完成，如果成功，这将是人类首次软着陆于月球背面。

要知道，因为在背面无线电通讯是无法抵达地球的（月亮内部结构不允许无线电通讯传过），所以在背面着陆必须要有个能够传到地球的通讯卫星，作为中间环节。这样就要发射一颗卫星，解决通讯问题。

所以“嫦娥四号”的中继卫星预计将在北京时间的2018年5月21日凌晨5点发射，它将抵达地球与月亮引力平衡点-L2（地球月亮延长线上）附近运行。作为通讯的中继站点，以便于“指挥”月球车软着陆于月亮背面。由于L2点距离月球有约65000公里远，因此通讯卫星发出的信号还无法抵达地球。那么如何实现将信号传送到地球啦？大佬们就想到了《地–月L2点中继星月球近旁转移轨道设计》这个方案，有效的解决了月球挡住信号的问题。取在L2位置还有一点就是，如此近的距离又很方便的可以遥控到月表上的月球车。