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登月快要半世紀了,但你了解月球嗎?──《知識大圖解》

月球起源的謎團

自古以來,月球一直籠罩著神祕的面紗。首先,就讓我們從月球的起源開始探究起:目前最主流的假說是大碰撞說,我們可以從月岩的定年研究得知,月球大約在45億年前形成,相當於太陽系最初形成的3000至5000萬年後。而地球在形成之後,就被一個大小和火星差不多的天體撞擊,天文學家將這個天體命名為忒伊亞(Theia)。這場撞擊所產生的殘骸散落在地球附近,最後凝聚成今日我們所稱的月球。至於月球的組成成分究竟是來自地球,還是當初撞上地球的小行星,又或是兩者皆有,至今仍備受爭論。

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忒伊亞(Theia,神話故事中月球女神塞勒涅的母親)假說中,一個火星大的星體撞擊了地球,撞擊所產生的殘骸最後凝聚而成了月球。圖/wikipedia

月球是天空中第二亮的天體,亮度僅次於太陽,它以各種不同的方式影響著地球上的生命。月球、地球及太陽的重力交互作用讓海洋有了潮汐,每天的長度也因此微幅增加;我們還根據月相制定了曆法。直到1959年,蘇聯太空船登陸月球之前,我們都只能從遙遠的地球對月球進行研究。1969年,人類首度踏上月球;直至今日,月球仍是宇宙中除了地球之外,人類唯一駐足停留之處。

歷經數十年的研究,我們總算對這顆衛星有了多一點了解。我們知道月球內部和地球一樣有分異作用,分為核心、地函和地殼。核心部分富含鐵,液態外核包圍著中央的固態核心,核心和其他部分相較之下小得多,半徑僅約350公里,約為月球半徑的20%。在核心外圍,是500公里厚的部分熔融邊界層,科學家認為這是月球形成後不久,地函的岩漿海洋冷卻結晶所形成;至於地函,這層堅硬的岩石有1000公里厚。月球的地殼也是岩質,厚度約60至100公里。對月岩進行分析後,科學家發現大部分的月球地殼是由鋁和鈦組成,且含有大約等量的三斜鐵輝石(pyroxferroite)和矽鈦鋯鐵礦(tranquillityite),科學家最初在月球發現上述兩種礦物,但後來在地球上也有找到。月球的表層被破碎的岩石粉末覆蓋,這層風化層有著如雪片的質地,聞起來還有些火藥味。

太空人在月球上都要戴著頭盔也是有原因的:月球的大氣非常稀薄,大氣中沒有氧氣、氮氣或氫氣。事實上,月球大氣的總量不到10噸,因此太陽風能夠長驅直入,撞擊月球表面形成濺射,使粒子噴灑進入大氣。月球內部也會放出揮發性氣體,使表面出現釋氣現象,這些過程會持續產生鈉、鉀以及氬、氡、釙的化合物,太陽風則會帶來氦-4,因此我們能在月球大氣中找到這些物質。至於存在於地球上的氧和其他中性元素,只會在月球的風化層中出現,但在大氣中卻付之闕如;這可能是因為太陽風會快速地將這些元素吹至太空。

月球的身高體重

月球是太陽系中密度第二高的天體,僅次於木衛一埃歐(Io);它也是太陽系中第五大的衛星,前四大衛星分別是木衛三甘尼米德(Ganymede)、土衛六泰坦(Titan)、木衛四卡利斯多(Callisto)和木衛一埃歐。月球的直徑約為地球的四分之一,但其質量卻比0.0125個地球質量還要低。

月球有特殊的重力特性,雖然它和地球不同,並沒有雙極磁場,但卻有外部磁場,其重力僅約地球的六分之一。此外,月球還有許多質量聚集的「質量瘤」,形成強大的重力異常區,且大多集中在最大型的盆地附近。目前我們對於質量瘤的形成機制仍不太清楚,但盆地附近的重力異常可能來自於充斥其中的極高密度熔岩流。我們一直在月球上搜尋水的蹤跡,   雖然月球表面沒有水,但彗星帶來的水,或是太陽風的氫和風化層沉積物的氧交互作用所產生的水,仍可能潛伏在終年幽暗的盆地下。

月球呈現同步自轉,也就是它的公轉週期和自轉週期相同,因此月球一直以同一面面對地球;我們稱面向我們的那面為正面,另一面則是背面。有時候我們也會將背面稱為「暗面」,但其實背面和正面接收到的陽光照射量相同。

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月全食發生時,月亮會偏淡紅色。圖/wikipedia

我們會用月相來描述所見的月球正面形貌,月相會隨著月球繞行地球以及地球繞行太陽的軌道而變化。當太陽和月球在地球的兩側時,我們會見到滿月;當太陽和月球在地球的同一側時,月球看起來則是暗的(我們稱為「新月」),在這之間的月相則是上弦月和下弦月。當太陽、月球和地球排列在一條直線上時,稱為「朔望」(syzygy),這時會發生日食或是月食(月球位於太陽和地球中間時會發生日食;地球位於太陽和月球中間時會發生月食)。由於月球軌道和地球軌道不在同個平面上,因此並不是每次新月或滿月都會發生日食或月食。古代的巴比倫天文學家發現,每隔18年左右就會發生類似的日月食,他們稱這個周期為沙羅周期(Saros cycle)。

從觀月到登月

西元前五世紀,巴比倫的天文學家首度對月球進行記錄,印度、希臘、波斯和中國的天文學家也相繼提出理論解釋月光的起源、潮汐和月相。中世紀的天文學家認為月球是完美的球體,1608年望遠鏡發明後,人們很快就將望遠鏡轉向月球。17世紀末,義大利天文學家弗朗西斯科.馬利亞.格里馬迪(Francesco Maria Grimaldi)等人已為許多月面特徵命名。

1950年代和1960年代,美國和蘇聯的太空競賽最終聚焦於月球探索,先是派了軌道衛星前往月球,接著就是送上人類。蘇聯在競賽中拔得頭籌,月球2號(Luna 2)太空船於1959年撞擊月球表面,又首度於1966年在月球表面軟著陸,並將探測器送入月球軌道。但在1969年,美國關鍵的阿波羅11號(Apollo 11)任務讓人類首度登陸月球,贏得太空競賽的勝利。

人類曾一度認為,我們終將在月球上建立太空基地,不過這個願望至今仍未實現。美國航太總署(NASA)的載人太空計畫不斷改變,或許這個計畫最終會由其他組織或是私人企業實現。

近年來,NASA、歐洲太空總署(European Space Agency)、中國國家航天局(China National Space Administration)、印度太空研究機構(Indian Space Research Organisation)和其他組織仍不斷將軌道衛星和登陸器送上月球。2012年1月,兩艘名為聖杯號(Gravity Recovery and Interior Laboratory,簡稱GRAIL,意為月球重力描繪與內部結構實驗室)的太空船開始環繞月球,詳細地測繪月球表面,並對月球複雜的內部結構和重力進行研究。

仔細觀察月球表面

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本圖節錄自《How It Works知識大圖解 國際中文版》第20期(2016年05月號),全見版請點擊圖片。

月球的兩個半球(面向我們的正面和遠離我們的背面)擁有相當不同的表面特徵,正面大部分是月海高地,月海是看起來顏色較深的區域(早期的天文學家以為這裡充滿了水,因此命名為海),高地的顏色看起來則較淺。其實月海並沒有水,它的顏色之所以看起來較深,是因為月海由早期火山噴發的熔岩凝固所形成;月球的背面正好相反,幾乎沒有月海。月球的正面和背面都布滿隕石坑,有些非常小,也有些寬達好幾公里;劇烈撞擊所產生的塵埃條紋,能由隕石坑中央向外綿延數百公尺。在月球形成後不久,山脈和其他火山地貌特徵就隨之成形,表面也逐漸冷卻、凝固。

登月阿波羅

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本圖節錄自《How It Works知識大圖解 國際中文版》第20期(2016年05月號),全見版請點擊圖片。

1962年5月25日,時任美國總統約翰.甘迺迪(John F Kennedy)提出在十年內讓人類登陸月球並平安返航的目標。這在當時是個雄心勃勃的計畫,但NASA竟成功地在1969年7月21日以阿波羅11號將人類送上月球。NASA前後共六度將太空人送往月球,但由於預算縮減和經費移往天空實驗室(Skylab)太空梭計畫,在1972年12月阿波羅17號返回地球後,阿波羅任務就正式畫下句點,從那之後就再也沒有人類造訪月球了。


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本文節錄自《How It Works知識大圖解 國際中文版》第20期(2016年05月號)

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