天文科普从零开始——月亮_风闻
观察者网用户_244575-2018-11-06 17:46
天文学从最开始的天文观测、制定历法，发展到如今涵盖众多的学科，诸如物理学、化学、生物学、数学，等等等等。比如我们既观测火星，计算它的轨道周期；又会发射探测器，去分析它的大气构成、土壤成分；去寻找上面是否有生命；分析研究人类是否有可能定居火星；甚
我们还会拍摄关于火星的科幻电影。
上述这一切都是广义的天文学的范畴。而我们撰写天文学的科普文章，自然也会涉及到上述的方方面面。
今天，我们就从离我们最近的天体说起，那就是月亮，我们几乎天天都能看到的巨大天体｡
北半球所见满月标准照
Credit: Gregory H. Revera
由于月亮离我们如此之近，肉眼就能观测到许多的细节，自然古今中外就有了无数的关于月亮的描述。“山寺月中寻桂子，郡亭枕上看潮头。”读到这一句诗，你会觉得诗人用前半句描写月亮，然而阅读完此文，你会发现后半句亦与月亮有紧密的关系。
月相
关于月亮，最直观的天文现象便是月相，所谓月有阴晴圆缺。然而月相到底是怎样的，又为何是这样，你有想过吗？
小学的地理课本上就告诉过我们：上弦月前半夜出现在西部天空，月面朝西；下弦月后半夜出现在东部天空，月面朝东。甚至为了便于记忆，还有老师总结出上上西西，下下东东。然而死记硬背显然不是学习知识的好方法，这样的概括也未免过于粗糙。我们不妨来分析一下，为什么会出现这样的现象？
首先，首先我们知道月球本身不发光，我们看到月亮发光的部分是由太阳照亮。由于太阳离的较远，可以看作是平行光，因此月球被照亮的，永远只有半球。
月球、地球和太阳三者运行轨道的特征，导致月球出现在人们视野当中的时刻每日皆不相同。
月相示意图，请放大观看
Credit: HeshamGalal.com
如果黄昏（至前半夜）时你看到月亮，那么月球反光的一面，必然是朝西的那一面，也就是太阳落山的方向。而如果是清晨（包括后半夜）看到的月亮，反光面便是朝东。
月亮和太阳在天空中的位置，如果越近（夹角越小），我们能看到的发亮的部分就越小，最极端情况就是初一我们完全看不到月亮，这个时候月球、地球、太阳三者在一条直线，月球夹在中间。正午时刻月球正在我们的头顶上空，太阳照亮的月球的那一面我们完全看不到。而太阳和月球的夹角越大，我们能看到发光的部分就越大，极端的情况就是十五的满月。此时太阳和月球分列地球两侧，因此我们整夜都能看到浑圆的月亮。对了，其实月相每时每刻都在发生变化，因此每年八月十五赏月，总是有预报告知几时几刻月亮最圆，这也是是天文计算的结果。
关于月相，还有一些人们不太注意的细节：
1、新月快要落山的时候，如果天气十分晴朗，肉眼完全能够看到月球阴影部分。
2、月相的形状，跟月全食每个阶段的变化规律相同么？
不变的面孔
说完月相，我们再来聊一聊月亮的另外一个特征，月相不管怎么变化，我们看到的月亮总是同样的一面（由于地球直径较大引起的视差，实际能看到的区域约为月球表面的59%）。
这是怎么造成的呢？书本上给我们的答案是：月球的自转和公转周期是一致的。进一步追问你会得到这是潮汐作用的结果（潮汐锁定）。
潮汐这个名词，听上去应该跟潮涨潮落有关，但是和月球的自转、公转周期有什么关系呢？
潮汐锁定
潮汐一词的来源，确实与潮水有关，潮水涨落是潮汐力的结果。那什么是潮汐力呢？
这要从万有引力说起（what does gravity do？）：当我们计算引力时，会把两个互相吸引的天体视为质点，即忽略天体的直径。然而当两个天体距离足够近时，其直径与天体之间的距离便不可忽略。
回到地月系统，地球直径约13,000km，而地月球心距约384,000km。根据万有引力公式可知，地球每一点受到的月球引力皆不相同，面向月球的区域（简称正面）引力远大于背朝月球的区域。这种引力的不同会将正面拉的隆起，背面推向地心。幸好地球表面大部分区域被海洋覆盖，而海水又比岩石容易拉扯变形的多，因此海水便在潮汐力的作用下潮涨潮落。
当然，实际情况比这个要复杂一些，如下图所示：
潮汐力示意图
Credit: NOAA.gov
地球上面向月球的区域和背朝月球的区域，都会有幅度较大的潮水。
同理，月球也会在地球的潮汐作用下，产生变化。不幸的是月球表面并没有可供撕扯的海水，被撕扯便是月球自己。
起初，月球自转速度大于公转速度，因此其面向地球的区域一直在变化。而面向地球的区域在潮汐力作用下发生隆起，隆起的位置不断变化。这就对月球产生了如下影响：
1、月球内部岩石之间产生摩擦
2、月球的质心不断变化
于是月球的转动动能，逐渐转变成了岩石之间摩擦的热能，月球自转速度越来越慢，直至与公转速度一致，不再发生岩石摩擦，达到稳定状态——形成潮汐锁定。
就像这样：
图配错了，应该是这样：
潮汐锁定的月球（左侧）
Credit: Stigmatella aurantiaca
或许你会问，地球会不会被太阳潮汐锁定呢？
答案是，在地球被死去的太阳吞噬之前都不会。幸好地球未被锁定，否则一半地球永如白昼，而另一半则是无边的黑暗。
月球的形成
关于月球的形成，有若干种猜测，其中认同度最高的是大碰撞假说（Giant-Impact Hypothesis）。
这种理论认为：约45亿年前，一个体积如火星大小的天体（被命名为Theia，希腊神话中月亮女神Selene的母亲）撞向地球。通过分析月球岩石样本，科学家认为两个星体遭遇了正面碰撞，导致二者的成分充分混合。飞离地球的气体和尘埃，并没有完全脱离地球的引力控制，通过相互吸积而结合起来，形成几乎熔融的月球，或者是先形成一个环，再逐渐吸积形成一个部分熔融的大月球。
支持这种假说的证据有：
1、地球、月球自转的倾角类似
2、通过分析月球岩石样本，发现其表面曾经是熔岩状态
3、月球的铁核相对较小
4、月球的密度比地球小
5、在其他星系中观测到类似的碰撞，并形成环状残骸
6、碰撞假说与太阳系形成的主流理论吻合
7、地月岩石中的稳定同位素比值完全一致，意味着二者同源。
正面撞击导致二者充分融合，并抛出残骸
月球形成过程的GIH假说
貌似地球也曾经有个漂亮的环
最新发现
近年，科学家在月球南北极区域的环形山内部发现了冰，这为人类建立长期月球基地创造了条件。
而对于月球水冰的开采。当前最大的不确定性仍旧是月球水冰的形态，开采月球水冰的方式取决于它们的具体形态。佛罗里达太空研究所的行星学家梅特泽格说：“我们不知道月球水冰的主要形态究竟是‘脏雪’还是混杂在干表皮土中的碎石大小的纯冰块，又或者以其它形式存在。我们需要派遣月球车进行勘察和钻探，以最快的速度找到答案。”
科学家们提出了一项旨在确定月球水资源分布及储量的低成本任务，以及一项新研发的开采技术。这项技术被称之为“热力开采法”，能够将月球水冰转化成火箭燃料。
所谓热力开采法，就是在月球陨坑附近的永久光照区部署多个万向反射镜，通过反射阳光来照射陨坑加热水冰。通过控制发射镜的角度来控制水开采的速度。
开采水冰示意图
如果我们能够就地取材，便可大幅提高月球探索的效率，包括建造永久的月球基地。
太空企业家罗伯特·毕格罗（左）与工程师讨论月球基地的布局规划
这一切或许并不遥远，NASA要重返月球，而中国和印度也都在计划着载人登月任务！
『天文时刻』 牧夫出品
微信号：astronomycn
从上图可以看到，月食的阴影区变化，与月相变化是完全不同的。后者是月球自己的影子，而前者是地球的影子，影子的直径明显大于月球的直径。
