月球的大小、质量,人类对月球的探索

伤我心太深

　　月球概况

　　月球俗称月亮，古称太阴。它是地球的唯一的天然卫星。它与地球构成一个天体系统——地月系，跟随着地球围绕太阳运动。从我们地球上的人类看来，天空中除了太阳之外最亮的就是月亮了。尽管太阳的直径实际上约为月亮的400倍，而月亮离地球的距离约为日地距离的1/400，所以太阳与月亮看起来几乎一样大。人们总是喜欢把月亮和太阳相提并论，并把这两个轮番照亮大地的光明使者视为一对孪生兄妹。在古希腊神话中，月亮是一位美丽女神，名叫阿尔忒弥斯，正是太阳神阿波罗的妹妹。在天文学中，月亮的符号是“(”，就像弯弯的蛾眉月。月球与我们人类有密切的关系，对月球的探索和研究是天文学的一个重要课题。


　　一、月地距离和月球的大小、质量


　　月球是距离地球最近的天体，测量它们之间的距离是比较容易的。用视差测量月地距离的经典方法现已被雷达测量所代替。用安在月球表面上反射镜反射激光光束也可对月地距离及月球直径进行一种测量。由于月球绕地球运动的轨道是椭圆，实际测得的是瞬时距离。现在国际上采用的月地距离平均值是384401千米，月球过椭圆轨道近地点时的距离为356410千米，过远地点时的距离为406700千米。月球的平均直径为3476千米，约为地球的3/11。由此可以算出，月球的表面积约为地球表面积的1/14，体积约为地球的1/49。






　　地月系的质心在围绕太阳的椭圆轨道上运动，地球和月球都以一个恒星月为周期围绕这个质心运动。地球的这一运动在相对太阳和行星之类的天体的方向上产生一种每月一次的小的摆动。通过测量这样的摆动，推算出月球质量为地球质量的1/81.3，所以地月系的质心实际上在地球内。最近已通过对月球人造卫星的仔细跟踪得到了更可靠的月球质量的值。知道了月球的质量和直径，马上就可算出它的平均密度。业已发现，月球的平均密度约为水的3.33倍，与地球外壳的基岩的密度接近。


　　二、月球的运动


　　月球围绕地球转动的情形与地球围绕太阳转动的情形类似，但月球绕地球公转的椭圆轨道要比地球绕太阳公转的椭圆轨道更扁一点，加上月球离地球比较近，所以月球在近地点附近看起来比在远地点时大一点。


　　月球绕地球公转的轨道在天球上的投影通常称为白道，其轨道平面与地球轨道平面——黄道面并不重合，两者之间大约有5°的夹角，这个夹角称为黄白交角。白道与黄道的两个交点分别称为“升交点”与“降交点”。月球由黄道之南到黄道之北时经过升交点，由北到南时经过降交点。由于太阳的引力作用，交点不停地沿黄道从东向西移动，每年约移20°。此外，月球轨道在它自己的轨道平面内也是不固定的，其椭圆的拱线，即近地点和远地点的连线，也沿月球公转方向移动。


　　月球绕地球转动的周期因所选参考基准点不同而有以下五种：

　　(1)恒星月：月球在天空背景上沿白道走完一圈的时间约为27.32166平太阳日，这是月球相对于远处恒星的运动周期，所以叫做一个恒星月。
　　(2)交点月：月球连续两次通过升交点的时间间隔为一个交点月。由于交点西退，交点月比恒星月短，约为27.21222平太阳日。
　　(3)近点月：月球连续两次通过近交点的时间间隔为一个近点月。由于拱线前移，所以近点月比恒星月长，约为27.55455平太阳日。
　　(4)分点月：又称回归月，它是月球黄经连续两次等于0°的时间间隔，即以春分点为基准的周期，约为27.32158平太阳日。由于春分点缓慢西退，所以分点月稍短于恒星月。
　　(5)朔望月：月相变化周期的长度，即连续两次朔(或望)的时间间隔。朔望月又称会合周期，平均约为29.53059平太阳日，比恒星月长两个平太阳日还多。其原因在于月球绕地球公转，而地球又绕太阳公转。假设一开始日地月在同一直线上。经过一个恒星月，月球已绕地球公转360°，但这时地球已绕太阳公转了约27°，必须再经过一段时间日地月才能在同一直线上。这就造成了朔望月明显比恒星月长的后果。






　　月球在绕地球公转的同时还自西向东绕通过月球中心的自转轴自转，其自转周期为27.32166平太阳日，与月球的公转周期——恒星月相同。由于月球的公转与自转都是自西向东旋转，并且转动周期相同，是一种同步运动，因此，月球总是以同一半球面朝向地球，从地球上看月球只能看到它朝向地球的一面，而看不到其背面。


　　尽管月球的自转周期与公转周期相同，由于月球的自转是一种匀速运动，而其公转为非匀速运动，再加上月球轨道平面与地球轨道平面并不一致等原因，所以在地面观测者看来，月球的边缘有上下左右的摆动。在天文学中，通常将这种摆动称为天平动。正是由于这种天平动，人们实际观测到的月面部分不是整个月面的一半，而是整个月面的59%左右，比月面一半略多一些。


　　三、月球的表面特征


　　在用望远镜观测的初期，人们就发现，月球有一个坚硬的表面，在大尺度上其主要特征是月海、山脉、环形山和辐射纹。

　　最引人注目的是月海。这些一度被认为是液态海洋的暗区几乎是很平的平原，是充满熔岩和火山灰的凹地。最大的月海——风暴洋宽达1200千米，面积达500万平方米。月球正面有19个月海，几乎覆盖了月球正面的一半。月球背面只有3个月海，面积较少，其中最大的莫斯科海的面积不过6万平方米。这些月海可能是由彗星，小行星同月球撞击所造成。造成风暴洋的天体的半径可能有60千米。它以一个平角闯入时引起撞击点——零地面的汽化，并在撞击点周围出现一个被熔化的区域。这种撞击可能产生一种围绕这个区域的波状结构，使劣质岩破碎，产生由这个区域辐射出来的山系，朝各个方向喷射大量的物质，并促发次级效应。别的月海可能也是由类似的撞击所造成。


　　对人造月球卫星轨道的摄动表明，在一些月海之下埋藏着又大又重的物质凝聚块(质量瘤)。大概，形成月海基岩的熔岩现已被覆盖着10至20米厚的碎石，自月海形成以来，劣质岩的堆积物被较大的小行星砸开并被抛散开来。


　　在月海的许多地方所发现的山脉比得上地球上最大最长的山脉。最长的山脉长达1000千米，往往高出月海3～4千米。最高的山峰在月球南极附近，高达9000米，比地球上最高的珠穆朗玛峰还高。除山脉外，还有长达数百千米的峭壁，最长的是阿尔泰峭壁。有许多山是以诸如亚平宁山和阿尔卑斯山那样的名字来命名的。它们的高度可以通过它们的影长和地球在月球天空上的高度来测量。


　　用人造卫星拍摄的照片为精确绘制月球地形图打下了良好的基础，促进了对月面测量学的研究。一架双筒望远镜就足以帮助人观测到一些直径超过200千米的大环形山。从地球上只能看到一部分的东海可能是月球上最壮观的地理特征。它横跨1000千米，由三条成同心圆的山脉所组成，围着一个相对说来缺乏特色的平原。从当空看来，它类似于一个巨大的圆形天窗。这三条环形山可能封住了由击中那里的物体产生的冲击波。的确，在月球背面存在一些围成二圈的很大的环形山，总的特征与东海最大的环形山相类似。





　　许多月球环形山具有中心山峰。许多环形山重叠在大概更古老的一些环形山之上。它们随机地分布在整个月球上，但月海除外，在那里有环形山的区域不到10%。在月球上，估计直径超过100米的环形山多达100万个以上。我们在宇宙飞船上的照相机所拍摄的照片中发现，更小的环形山的数目多得简直无法计数。然而，最大环形山的四周可能高达3000米，其直径大得使处于环形山中央的观测者可以发现低于地平线超出视界的环形山。


　　月球的辐射纹类似于长度超过2000千米的印记，从一些最大的环形山向外伸展开来。在色调上，它们比月球表面更亮，不产生阴影。它们很可能如同它们所呈现的那样，是由环形山形成时从环形山喷射出来的物质所致。除这些最重要的特征之外，月球表面还含有裂缝或月谷，其宽度超过3千米，有时延伸长度达500千米。它们的深度还不清楚。


　　在月球上并不发生水和空气的风化过程。在没有游离大气的情况下，物理性质的变化是缓慢发生的，而当小行星撞击它的表面并砸开它碎石覆盖层时就突然发生变化。暴力的遗迹可以很清晰地保持数百万年之久。由于太阳的轮番热晒和辐射的冷却，产生了一种所谓的日照效应，通过热胀冷缩缓慢地把岩石弄裂。过去以地面为基地对月球的亮度和偏振所进行的研究使人想到，月球的表面结构是渗水的。


　　总结月球表面上的大尺度特征和小尺度特征，使人们把月球想象成一个被频繁的撞击所破坏的大战场，这种频繁的撞击曾在月球过去的某个时期发生过，它使月球表面的物质汽化、熔化、破碎、喷射、熔合、激烈的扰动，并在真空状态和某一压力下冷却下来。


　　岩石的样品己被宇航员和无人驾驶的宇宙飞船取回，地球实验室的检验进一步证实了这种情况。不出所料，岩石样品包含许多在地球上发现过的元素，如氧、铁、铝等。有光泽的黑色碎片和球状物是玄武岩的玻璃状物，其中也有角砾岩。月面同地面有类似的特征，都以海占优势。它们是由表面熔岩流冷却而形成。另一方面，别的岩石形成于由熔岩团(或熔岩)构成的深部。这样的岩石在月面高原上是常见的。在地球火成岩中发现的矿石也在月球岩石——辉石、斜方石等矿石中找到。流星体对月球表面的不断撞击使得碎石覆盖层变得丰厚起来。作为覆盖物的所有这些碎石证明，过去在月球上有过一段激烈变动的历史。测定岩石样品的放射性推算出的月岩的年龄至少有40亿年。





　　由燃料用尽的登月舱与岩石所在地相撞引起的月震有力地证明了月球内部不存在液态核。由取得惊人成就的阿波罗号宇宙飞船留在月球上的地震仪表明，月球要比地球平静得多。当月球接近近地点时，天然的月震要频繁得多，一个正在被证实的事实使人确信，周期性地在月球构造内产生的起潮力此时取得最大值。从月球表面不同部分所得岩石样品的年龄而得出这样的结论：由天体对月球的撞击所产生的月球主要表面特征形成于若干亿年前，大概在40亿年前或更早的时候，有可能在太阳系诞生之后不久就形成了。



　　行星水星和月球的表面特别相似，这证实太阳系的诞生并不是一个平静的事件。由旅行者号宇宙飞船送回的木星和土星的卫星照片证实了这种判断。在我们的地球上和金星上，这种暴露宇宙早期创伤的印记已几乎被千百万年来的风化过程所完全改变。但火星仍然保留着正好被近代火山学家作为证据的许多痕迹。完全解开月球地质现象这团乱麻，弄清月球和太阳系的演化历史还仅仅是开始。


　　四、月球的物理特性


　　我们知道了月球的质量和半径，就能算出月球的表面重力，所得的值约为地球表面重力的1/6。也就是说，原本在地球上重60千克的人，到了月球上就只重10千克了。登上月球后，人们会感觉到自己变得身轻力大，穿在身上的宇航服不再感到沉重，无论是跳跃，还是举重，都要比在地球上轻松多了。但要站稳或两腿交替走路就不如在地球上那么容易，往往只能一步连一步跳跃式前进。从高处往下跳时，则会像电影中的慢镜头一样慢慢落地。



　　作为一种判断，不应期望月球会保存一层有任何意义的大气。这一点已为以地面为基地的天文观测和登上月面的宇航员所证实。由于掩星时不存在来自恒星的光的折射和吸收，月球大气密度的一个上限是地球大气密度的1/2000。射电辐射源的实验得出它的密度为地球的万分之一。这些数字并不意味着月球没有任何一点大气，而是总有一些气体分子存在于月球周围，或者被太阳风吹散，或者从月球内部飘逸出来。



　　由于月球的自转周期与公转周期一样长，月球的一昼夜等于地球上的一个月，再加上月球大气太微不足道，几乎接近真空状态，月面物质的热容量和导热率都很低，因而昼夜的温差很大。白天，在阳光垂直照射的地方温度高达127℃;夜晚，温度可降到-183℃。自然，在月球上也不可能存在液态水。由此可见，月球上缺少一切生命生存的条件，与大气和水有关的一切自然现象都不会在月球上发生。在月球上，声音无法直接传播，宇航员只能靠报话机通话。月球是一个荒漠、寂静、没有生命的世界。


　　在月球上看天空，无论是白天还是黑夜，天空背景总是黑暗的。尽管在月球上看太阳，比我们在地球上所看到的还明亮，但星星可以与太阳同时出现在黑暗的天空背景上。从月球上看地球，比地球上看到的满月大14倍，亮80多倍。星光的质和量都因没有大气的吸收、散射而保持原有的状态，所以月球是观测天体和探索宇宙空间最理想的场所。


　　月球离地球最近，其引力又小，是我们人类飞向宇宙空间的一个天然的中途站。长期的天文观测和登月的直接考察，已经证明月球磁场是极其微弱的，强度不及地球的1/1000。月球也没有像地球和木星那样的辐射带。根据放置在月球上的月震仪的记录，月震很弱，最大的震级是1-2级;震源很深，约在700-1000千米深处。从月震波的传播了解到月球也有壳、幔、核等分层结构。从月面算起，0～65千米为月壳。月壳往下到1000千米是月幔，它占了月球大部分体积。月幔下面是月核。月核的温度约1000℃。


　　据初步探测发现，月球上有大量富含铁、硅、铝、钾、磷、铀、钍和稀土元素的矿藏。月球上的矿物多达60多种，其中有6种是地球上目前尚未发现的。特别有价值的是在月球上发现有大量地球上稀缺的氦3。根据我国科学家一项最新研究估算，月球上的氦3资源约有103万吨。如果以目前的油价作为标准，月球上的氦3每吨约值40亿美元!如果能够解决将氦3运回地球的问题的话，8吨的氦3相当于全中国一年的能源供应总量。月球上百万吨的氦3，为全人类提供几千年的能源是没有问题的。此外，最近在月球的两极地区发现的证据表明，在那里有大量结成冰的水。所以，对月球的探测和开发不仅在科学上很有意义，并且还有巨大的经济价值。


　　五、月球的成因与月地关系


　　关于月球的起源共有4种说法：“亲子说”、“兄弟说”、“捕获说”和“巨大撞击说”。“亲子说”认为，月球是由原始地球的一部分被剥离而形成的。“兄弟说”认为，月球和原始地球是由形成太阳系的星云中部分物质同时独立形成的。“捕获说”认为，月球是由接近地球的天体被地球的引力捕捉而形成的。“巨大撞击说”则认为，月球是由刚形成的地球与火星般大小的天体发生撞击而形成的。


　　在这四种月球起源说中，现在最被看好的是“巨大撞击说”。该假说的概要是：在地球刚形成不久，一个与火星差不多大小的天体飞来碰撞地球，这个天体深深地陷入地球内部，破坏直至地核。经过这次碰撞，碰撞的天体与地球很大一部分遭到破坏，并飞溅到外面。但因碰撞过分激烈，直至地球的部分地幔也被拉出，变成七零八落的物体分布在围绕地球的轨道上，不久由于自身的重力的凝聚，形成了月球。这个假说于1986年通过超大型计算机的模拟验证得到肯定。



　　此外，科学家还希望通过测量月球成分这种更直接的方式来探索月球的起源问题。SMART-1号是欧洲首颗月球探测器，2003年9月发射升空，2004年11月抵达月球上空的近月轨道。2006年9月3日，SMART-1号准时撞击月球表面，激起了大量的月球尘埃，接下来科学家将通过分析尘埃成分来解释月球起源。科学家和广大天文爱好者都期待，SMART-1号的撞击能揭开这个谜团。











　　虽然月球只是地球的一颗卫星，并且是一个无生命的世界，但它对地球上的一切生物，包括我们人类在内，有着决定性的影响。如月球通过其引力(起潮力)引起地球海洋的潮起潮落，为地球生命的产生和演化创造了所需要的环境。据最新研究证明，通过月球环绕地球的转动使地球的自转轴的倾斜保持了稳定，从而保证了地球上的四季分明。显然，如果月球不存在，则地球的环境会出现大的变动。由此可见，月球对我们人类的意义，绝不仅仅限于起夜晚自然照明作用和作为一种计算时间尺度的作用。随着对月球的探索和研究的不断深入，必将使我们对月地关系的认识不断深化。


　　六、关于对月球的探索

　　1.人类探索月球的四个阶段


　　(1)肉眼观测阶段：在1608年发明望远镜之前，人类只能用肉眼观测月球，难以仔细分辨月球的实况。由于看不清、不了解，古人对月球充满了遐想，我国古代就有一个嫦娥奔月的美丽神话，以为在月球上有桂花树、玉兔甚至有月宫。但古代的天文学家已能利用简易的仪器较为准确地测出月球离我们地球的距离。我国汉代的王充已认识到海洋的潮起潮落是由月球所引起。
　　(2)望远镜观测阶段：1608年荷兰眼镜匠发现镜片的放大作用，制成望远镜。1609年伽利略将自制的天文望远镜指向天空，发现月球上有高山、平原，不是完美无缺的球体，绘制了第一张月面图。此外，他还发现了木星的四颗卫星，由此开创了用望远镜观测天体的新时代。


　　(3)太空观测阶段：1957年，苏联成功发射了第一颗人造卫星。1961年，苏联航天员加加林乘坐宇宙飞船冲出地球大气层实现了人类首次太空飞行。从此，人类对月球的观测进入太空观测阶段。太空观测可分为远距观测和近距观测。用升入太空的哈勃望远镜观测月球属前者。用宇宙飞船进行掠月观测或绕月观测属后者。


　　(4)登月实地考察阶段：自古以来，人类一直梦想遨游月宫。1969年7月16日，美国的巨型火箭“土星5号”载着由指挥舱、服务舱和登月舱三部分组成的“阿波罗11号”宇宙飞船升空，离开地球飞向月球，7月20日“阿波罗11号”飞船飞达月球上空。飞船指挥舱内的一名航天员驾驶飞船绕月球轨道飞行，而另两名航天员则乘登月舱在月面着陆。登月后航天员采集了岩石和土壤(22千克)，安装了用来记录月球内部震动的月震仪和用来测量月地距离的激光反射器。任务完成后，他们乘登月舱升空，返回月球轨道，与飞船对接，最后安全返回地球。


　　1969年11月至1972年12月，美国又陆续发射了“阿波罗”12号至17号飞船，其中除“阿波罗13号”因故没有登月(航天员安全返回地面)，另五艘飞船均登月成功，“阿波罗”15号至17号飞船的航天员还驾月球车在月面活动，采集岩石。到1972年“阿波罗计划”结束为止，共有12名宇航员分6批踏上月球进行实地考察，另有15人在月球上空飞过。他们拍摄一万多张各种各样的照片和长度以千米计的录像胶卷，总共搬回地球380千克月球岩石和土壤的样品。此外，还在月面上设置了6个核动力科学观测站。观测站的仪器每天向地球发送几万个数据。通过阿波罗计划的实施，科学家获得了大量的崭新的月球资料，仿佛发现了一个新的月球。


　　2.我国探测月球的“嫦娥工程”


　　现在我国正在大力发展航天事业，其中一个重要目标就是要开展对月球的探测。我国探月的“嫦娥工程”，分“绕、落、返”三个阶段进行。所谓“绕”就是发射中国第一颗月球探测卫星，实现首次绕月飞行。所谓“落”，就是发射月球软着陆器，并携带月球巡视勘察器(俗称月球车)，在着陆器落区附近进行探测。所谓“回”就是发射月球采样返回器，软着陆在月球表面特定区域，并进行分析采样，然后将月球样品带回地球，在地面上对样品进行详细研究。


　　2007年10月24日，我国发射名为“嫦娥一号”的第一颗绕月卫星，成功实施了绕月飞行和对月近距观测，以此获取月球表面三维影像、分析月球表面有关物质元素的分布特点、探测地月空间环境。“嫦娥一号”发射成功表明，中国成为世界上第五个发射月球探测器的国家。


　　2010年10月1日，我国发射“嫦娥二号”卫星，以距月球表面100千米的高度绕月飞行。与“嫦娥一号”相比，“嫦娥二号”不仅飞行时间大大缩短(由14天缩短到不到5天)而且飞得离月球更近。由于携带了空间分辨率小于10米的CCD立体相机，“嫦娥二号”对月球表面的观测也将更清晰，确保为“嫦娥三号”今后着陆在月球表面找到理想位置。
　　再下一步就是发射“嫦娥三号”卫星，实现探测月球的第二阶段的任务——“落”，让探测器在月球上实现软着陆，放出一个具有高智能的月球车对月球进行巡视探测。这一步实现后，就要实施对月球进行第三阶段的探测——“回”，就是要在探测器落月后，释放月球车取样并返回地球。


　　在基本完成不载人月球探测任务后，我国将择机实施载人月球探测并与有关国家共建月球基地。正如中国探月工程的首席科学家欧阳自远所说，“人月两团圆并不遥远，我们有能力把人送上月球。一个人重量不过100公斤，以目前的技术再加100公斤打上去没有任何问题。”