探索月球的秘密（上）

李良  北京天文馆

一、月球概貌

月球是地球唯一的天然卫星, 俗称月亮, 也称太阴。漆黑的天空中, 月球好似一轮明镜, 它自身不会发光, 全靠反射太阳的光, 才使人们看到其面貌。月球在围绕地球运行时, 处在轨道的不同位置上, 由于被太阳照亮的部分不同, 形成不同的月相。古代文人雅士常常利用月亮的圆缺变化做诗填词抒发感情。

科学大师伽利略于17世纪初第一次用望远镜观察月球时, 发现月亮并非人们以前想象的那样完美无瑕, 而是满目疮痍、坑穴累累, 伽利略曾为此困惑不解。他根据自己通过望远镜的观察用笔描绘了月面主要特征, 譬如绘出月面一些环形山和月海。月面由完全不同的两部分组成: 月海和月山。说是“ 海” 其实它是月面上呈暗色的平原部分, 是月球上的凹地( 或称盆地) ; 月山即月面呈亮色的崎岖不平的区域, 围绕月海展开。很久以来, 天文学家把月面上的许多坑穴称为环形山, 而地质学者称其为月坑。月坑深度一般在几十米到几千米, 其半径相差悬殊, 最大的月坑直径达295千米, 小的直径则只有几米甚至几厘米。大多数月坑呈碗口形状, 四周环壁高出月面。有些较年轻的大环形山如“哥白尼环形山”和“ 第谷环形山”,周围还保留有清晰的辐射纹, 最长的辐射纹达1800千米, 月球上最高的山峰约9000米, 最长的亚平宁山脉达1000千米。

月球上面有阴暗部分和明亮区域。早期的天文学家在观察月球时, 以为发暗的地区都有海水覆盖,因此把它们称为“ 海”。著名的有云海、湿海、静海等。而明亮的部分是山脉, 那里层峦叠嶂、山脉纵横, 到处都是星罗棋布的环形山。位于南极附近的贝利环形山直径295千米, 可以把整个海南岛装进去。最深的山是牛顿环形山, 深达8788米。除了环形山, 月面上也有普通的山脉, 高山和深谷叠现, 别有一番风光。

月球直径约为3476千米, 稍大于地球直径的1/4, 体积是地球的1/ 49、平均密度为水密度的3.3倍、总质量为7.35ⅹ10²⁵克, 约为地球质量的1/81。月球可以说是地球一个不小的伴侣, 因此有些人把地球和月球看作一个双行星系统。虽说月球质量大约只有地球的1/81, 但其引力却足以成为地球的一个无形刹车, 即不断使地球自转减速, 在以往的40多亿年里, 月球至少使地球自转速度减慢了一半, 而月球也随着地球转速的减慢放松了对它的束缚, 逐渐离地球远去, 远到当人类出现之后, 从地球上看它的表面直径和太阳的表面直径正好吻合, 这给人类观测太阳的活动规律带来极大的方便。

由月球造成的海洋潮汐每时每刻都抚摸着陆地, 正是这个推动小小贝壳的力量, 亿万年来的亿万次摩擦, 终于使地球转速逐渐从每天10 个小时的昼夜交替, 减慢成现在的大约24时。月亮留给人们足够做美梦的温馨长夜, 它赠给人类的最珍贵礼物是地球有史以来相对稳定的坚实地壳。宇宙是复杂或者说多样性的。像月球这样的小天体如果遇到一些特殊的外在条件, 其表面会发生难以想象的事情,在太阳系大行星的周围, 有很多类似月球这样的卫星, 它们虽然离太阳很远, 但却由于靠近引力巨大的大行星, 而出现和月亮完全不同的情况。

月球的基本结构是( 从中心起) 月核、部分熔化区、月幔和月壳。月核半径约为700千米, 在月核到月幔之间是部分熔化区, 其厚度约为400千米, 月壳厚度不均, 在不足1千米到65千米的范围内。

图1  巨大的月面陨石坑直径达80多千米

根据观测统计知道, 月球表面直径大于1千米的撞击坑( 也叫做陨石坑, 图1) 总数在3.3万个以上。科学家认为, 绝大多数环形山( 图2) 是由陨星冲击形成的, 极少数环形山是月球火山喷发形成。分析从月球带回来的样品, 发现月坑周围的碎石含有玻璃微粒, 可能是岩石被冲击熔化又迅速冷却而形成的。月球表面上覆盖着一层细腻的粉末或碎石, 深度约为1~ 20米。这层物质通常称为月壤( 即月球表土) , 但是其中不包含水或有机物。它是在几十亿年中由于大大小小的陨星不断轰击月面, 以及月面岩石白天受太阳辐照而阴影区或晚间不受太阳辐照产生的剧烈温差而碎裂形成的。陨星冲击月面后往往会形成月坑, 每次撞击都会砸碎一些岩石, 使物质散落到撞击坑周围, 并对月壤起一定搅拌作用。

图2    月球北极的Shoemaker 和Faustini 环形山

有一种理论认为45亿年前, 一个火星大小的天体撞击地球, 产生的部分碎片形成月球, 但这也仅限于推测。月球形状的另一个谜团是, 月球面对地球一面在物质构成及外貌方面与背对地球一面差异很大: 前者地壳比另一面地壳薄许多, 并拥有由玄武岩构成的广阔平原, 这些平原被称为月海, 这是很久以前月球表面火山喷发的结果。背对地球的一面地壳厚很多, 有更多陨石坑, 几乎没有月海。月海中密度较高的玄武岩使月球的质量中心不在几何中心, 而是偏离了约1.6千米。但是, 这种月球地质迁移的发生过程尚不清楚。

二、月球的运动

平常人们常说“月亮绕着地球转动” , 这句话没什么错误, 但从科学角度来说不够严格, 因为实际情形是月球和地球都绕着地-月天体系统的质量中心转动, 地-月系统质量中心的位置处在地球内部, 在向月面的地表下1707千米处, 距离地心4671千米、距离月心37.9729 万千米, 而月亮与地球的平均距离为38.84 万千米。

当月球正好运转到地球和太阳中间的时候, 人们看不到月球的朝阳面, 即天空中看不到月亮, 这时候的月相叫做朔( 也称新月) , 随着月球沿轨道过来,我们也渐渐看到月球的朝阳面, 于是天空中就出现一弯月牙儿。到月球转过1/ 4轨道路程时, 我们就可以看到半个圆饼似的月亮, 称为上弦月。上弦以后, 明亮部分继续扩大, 月亮变得越来越圆。当月球和太阳分居地球的两侧, 遥遥相对时就会看到圆圆的满月, 称为望。满月之后, 月亮又逐渐变缺,经过下弦月、残月, 又回到朔上。

细心观测者会发现, 明月升起或落下的时间不是固定不变的。由于月球的公转, 月亮升起的时间每天都要迟50分钟左右。

月亮围绕地球公转一周历时27.3天, 即27日7时42分11.47秒, 这是恒星月, 而朔望月是29.5天, 即29日12时44分2.78 秒。农历的1个月是根据地球上观察到月球盈亏1周( 即1个朔望月) 制定的。恒星月与朔望月相差2日5时0分51.31 秒( 约2.2 天) 。二者相差的原因在于, 我们看到的是月球反射太阳光。太阳、地球、月球的相对位置不同, 看到的月相也就不同, 月球除绕地球运行外, 还随地球绕太阳运行。月球绕地球运行1周, 地球绕太阳运行大约27^o, 因此地球上观察到的月球月相,在月球绕地球1周的末尾与起始时不同, 而再经过2.2日后的月相才与起始月相相同。实际上, 我们观察到的月相盈亏变化12次, 即农历的12个月中,月球绕地球运行了约13圈。

因为月球的自转周期和公转周期完全一样, 所以我们只能看见月球永远用同一面向着地球。自月球形成早期, 月球便一直受到一个力矩的影响导致自转速度减慢, 这个过程称为潮汐锁定。亦因此, 部分地球自转的角动量转变为月球绕地公转的角动量, 其结果是月球以每年约38毫米的速度远离地球。同时地球的自转越来越慢, 1天的长度每年变长15微秒。

月球的轨道平面( 白道面) 与黄道面( 地球的公转轨道平面) 保持5.14^o夹角, 而月球自转轴则与黄道面的法线成1.54^o夹角。因为地球并非完美球形, 而是在赤道较为隆起, 因此白道面在不断进动(即与黄道的交点在顺时针转动) , 每6793.5天( 18.5966年) 完成1周。期间, 白道面相对于地球赤道面( 地球赤道面以23.45^o倾斜于黄道面) 的夹角会在28.60^o ~ 18.30^o 之间变化。同样地, 月球自转轴与白道面的夹角亦会介于6.69^o 及3.60^o 之间。月球轨道这些变化又会反过来影响地球自转轴倾角, 使它出现±0.00256^o的摆动,称为章动。白道面与黄道面的两个交点称为月交点----其中升交点( 北点) 指月球通过该点往黄道面以北; 降交点( 南点) 则指月球通过该点往黄道以南。当新月刚好在月交点上时, 便会发生日食;而当满月刚好在月交点上时, 便会发生月食。

大家知道, 月球不断围绕地球旋转, 同时, 地球又带着月球不停围绕太阳旋转。日食和月食就是由于这两种运动所产生的结果。当月球转到地球和太阳的中间, 而且这三个天体处在一条直线或近于一条直线的情况下, 月球遮住了太阳光, 就发生了日食现象。当月球运转到地球背着太阳的一面, 而且日、地、月这三个天体处在一条直线或近于一条直线的情况下, 就月球而言, 地球挡住了太阳光, 就发生了月食现象。

从地球上看去, 太阳和月亮的视直径恰巧差不多大, 这就让月球有机会能正好完全遮挡住太阳, 使位于日食中心带的人们能够幸运地观测到壮观的“黑太阳 ”---- 日全食。当光辉的太阳被月轮黑影逐渐“吞食” 干净, 黑夜似乎提前降临, 原来太阳所处的方位霎时只剩下个黑洞洞的圆盘----- 俗称“ 黑太阳”, 其周围是青白色的日冕以及几束像红色火舌的日珥。此时出现亮星闪现天空、大地上阴风习习、鸡犬不宁等现象, 可谓大自然的壮观! 1999年8月11日的日食发生时, 法国宇航员在俄罗斯和平号空间站上曾拍下月球在地球表面上投下的影子。由于在天球上太阳和月亮相对于恒星背景均是自西向东运动, 而月亮视运动又比太阳快得多, 所以日食发生时月影总是自西向东遮住太阳。发生日全食现象时,从初亏到复原一般要经过大约三四个小时, 而“黑太阳“ ( 太阳被月轮完全遮蔽) 现象只有短短的两分钟左右。在食既前很短一段时间里, 弯月状的太阳逐渐被黑黑的月轮掩没, 在最后时刻被月球边缘上的山谷“切割”成 一串光珠, 俗称“ 贝利珠” 。到食既前的最后一刹那, 仅剩的一颗“贝利珠” 就如同戒指上的钻石一般夺目。

观察者如果位于地球上被月球半影所扫过的地方, 看到太阳被月球遮住了一部分, 叫做日偏食。有时, 由于月球离地球的距离不同, 发生日食时, 月球的影子未到达地面, 那么在被月影延长线所包围的区域内, 还能看见太阳的边缘, 也就是说月球只遮住太阳的中心部分, 这种现象叫做日环食。需要说明的是, 一般在日全食和日环食阶段前后也能看到日偏食现象。

月食是当地球夹在太阳和月亮之间、地球的阴影投在月球上的时候发生。如果在月食过程中, 月球能完全进入地球的本影中, 那么就称之为月全食。当月球完全进入地球阴影时, 月球并不会完全失去光亮, 而是通常呈现古铜色或者橙黄色。这是因为,在月全食发生时, 仍有一部分阳光通过地球大气折射到月面上, 此时月面的颜色取决于地球大气中尘埃和云。

与日食不同, 月食发生的时间并不因地而异, 而是全球同步。月球被食的程度叫食分, 它是以月球直径为1来计算的, 譬如食分0.25, 就是说月球的直径被地球本影遮住了1/ 4。食甚时月球恰好与地球本影内切, 食分等于1, 如果月球更深入本影, 食分大于1。月全食的食分大于或等于1, 月偏食的食分小于1。发生月食时, 当月亮部分进入地球的阴影( 本影) 时, 这叫做月偏食; 而当月亮全部进入地球的阴影时就叫做月全食。在月球轨道上地球的本影也比月球大得多, 所以月全食持续的时间比日全食要长得多, 最长能持续1小时40多分钟。

月食发生时, 整个地球夜半球的居民都可以看到, 但只有狭长日食带上的居民才能有缘观赏日食。所以对于给定地点来说, 一定时间内看到月食的次数要比日食多得多。平均来讲, 每3年某地的人就可以欣赏到1次月全食, 而对于日全食来讲, 虽然平均每1年半地球上就有1 次日全食发生, 但同一地点看到两次日全食之间的时间间隔平均是370多年。所以每当有日全食发生的时候, 常有天文学家和天文爱好者不远万里踏勘最佳观测地点, 以观测这一天文奇观。（未完待续）

本文选自《现代物理知识》2007年第6期   时光摘编