天文科普從零開始——月亮_風聞
观察者网用户_244575-2018-11-06 17:46
天文學從最開始的天文觀測、制定曆法，發展到如今涵蓋眾多的學科，諸如物理學、化學、生物學、數學，等等等等。比如我們既觀測火星，計算它的軌道週期；又會發射探測器，去分析它的大氣構成、土壤成分；去尋找上面是否有生命；分析研究人類是否有可能定居火星；甚
我們還會拍攝關於火星的科幻電影。
上述這一切都是廣義的天文學的範疇。而我們撰寫天文學的科普文章，自然也會涉及到上述的方方面面。
今天，我們就從離我們最近的天體説起，那就是月亮，我們幾乎天天都能看到的巨大天體｡
北半球所見滿月標準照
Credit: Gregory H. Revera
由於月亮離我們如此之近，肉眼就能觀測到許多的細節，自然古今中外就有了無數的關於月亮的描述。“山寺月中尋桂子，郡亭枕上看潮頭。”讀到這一句詩，你會覺得詩人用前半句描寫月亮，然而閲讀完此文，你會發現後半句亦與月亮有緊密的關係。
月相
關於月亮，最直觀的天文現象便是月相，所謂月有陰晴圓缺。然而月相到底是怎樣的，又為何是這樣，你有想過嗎？
小學的地理課本上就告訴過我們：上弦月前半夜出現在西部天空，月面朝西；下弦月後半夜出現在東部天空，月面朝東。甚至為了便於記憶，還有老師總結出上上西西，下下東東。然而死記硬背顯然不是學習知識的好方法，這樣的概括也未免過於粗糙。我們不妨來分析一下，為什麼會出現這樣的現象？
首先，首先我們知道月球本身不發光，我們看到月亮發光的部分是由太陽照亮。由於太陽離的較遠，可以看作是平行光，因此月球被照亮的，永遠只有半球。
月球、地球和太陽三者運行軌道的特徵，導致月球出現在人們視野當中的時刻每日皆不相同。
月相示意圖，請放大觀看
Credit: HeshamGalal.com
如果黃昏（至前半夜）時你看到月亮，那麼月球反光的一面，必然是朝西的那一面，也就是太陽落山的方向。而如果是清晨（包括後半夜）看到的月亮，反光面便是朝東。
月亮和太陽在天空中的位置，如果越近（夾角越小），我們能看到的發亮的部分就越小，最極端情況就是初一我們完全看不到月亮，這個時候月球、地球、太陽三者在一條直線，月球夾在中間。正午時刻月球正在我們的頭頂上空，太陽照亮的月球的那一面我們完全看不到。而太陽和月球的夾角越大，我們能看到發光的部分就越大，極端的情況就是十五的滿月。此時太陽和月球分列地球兩側，因此我們整夜都能看到渾圓的月亮。對了，其實月相每時每刻都在發生變化，因此每年八月十五賞月，總是有預報告知幾時幾刻月亮最圓，這也是是天文計算的結果。
關於月相，還有一些人們不太注意的細節：
1、新月快要落山的時候，如果天氣十分晴朗，肉眼完全能夠看到月球陰影部分。
2、月相的形狀，跟月全食每個階段的變化規律相同麼？
不變的面孔
説完月相，我們再來聊一聊月亮的另外一個特徵，月相不管怎麼變化，我們看到的月亮總是同樣的一面（由於地球直徑較大引起的視差，實際能看到的區域約為月球表面的59%）。
這是怎麼造成的呢？書本上給我們的答案是：月球的自轉和公轉週期是一致的。進一步追問你會得到這是潮汐作用的結果（潮汐鎖定）。
潮汐這個名詞，聽上去應該跟潮漲潮落有關，但是和月球的自轉、公轉週期有什麼關係呢？
潮汐鎖定
潮汐一詞的來源，確實與潮水有關，潮水漲落是潮汐力的結果。那什麼是潮汐力呢？
這要從萬有引力説起（what does gravity do？）：當我們計算引力時，會把兩個互相吸引的天體視為質點，即忽略天體的直徑。然而當兩個天體距離足夠近時，其直徑與天體之間的距離便不可忽略。
回到地月系統，地球直徑約13,000km，而地月球心距約384,000km。根據萬有引力公式可知，地球每一點受到的月球引力皆不相同，面向月球的區域（簡稱正面）引力遠大於背朝月球的區域。這種引力的不同會將正面拉的隆起，背面推向地心。幸好地球表面大部分區域被海洋覆蓋，而海水又比岩石容易拉扯變形的多，因此海水便在潮汐力的作用下潮漲潮落。
當然，實際情況比這個要複雜一些，如下圖所示：
潮汐力示意圖
Credit: NOAA.gov
地球上面向月球的區域和背朝月球的區域，都會有幅度較大的潮水。
同理，月球也會在地球的潮汐作用下，產生變化。不幸的是月球表面並沒有可供撕扯的海水，被撕扯便是月球自己。
起初，月球自轉速度大於公轉速度，因此其面向地球的區域一直在變化。而面向地球的區域在潮汐力作用下發生隆起，隆起的位置不斷變化。這就對月球產生了如下影響：
1、月球內部岩石之間產生摩擦
2、月球的質心不斷變化
於是月球的轉動動能，逐漸轉變成了岩石之間摩擦的熱能，月球自轉速度越來越慢，直至與公轉速度一致，不再發生岩石摩擦，達到穩定狀態——形成潮汐鎖定。
就像這樣：
圖配錯了，應該是這樣：
潮汐鎖定的月球（左側）
Credit: Stigmatella aurantiaca
或許你會問，地球會不會被太陽潮汐鎖定呢？
答案是，在地球被死去的太陽吞噬之前都不會。幸好地球未被鎖定，否則一半地球永如白晝，而另一半則是無邊的黑暗。
月球的形成
關於月球的形成，有若干種猜測，其中認同度最高的是大碰撞假説（Giant-Impact Hypothesis）。
這種理論認為：約45億年前，一個體積如火星大小的天體（被命名為Theia，希臘神話中月亮女神Selene的母親）撞向地球。通過分析月球岩石樣本，科學家認為兩個星體遭遇了正面碰撞，導致二者的成分充分混合。飛離地球的氣體和塵埃，並沒有完全脱離地球的引力控制，通過相互吸積而結合起來，形成幾乎熔融的月球，或者是先形成一個環，再逐漸吸積形成一個部分熔融的大月球。
支持這種假説的證據有：
1、地球、月球自轉的傾角類似
2、通過分析月球岩石樣本，發現其表面曾經是熔岩狀態
3、月球的鐵核相對較小
4、月球的密度比地球小
5、在其他星系中觀測到類似的碰撞，並形成環狀殘骸
6、碰撞假説與太陽系形成的主流理論吻合
7、地月岩石中的穩定同位素比值完全一致，意味着二者同源。
正面撞擊導致二者充分融合，並拋出殘骸
月球形成過程的GIH假説
貌似地球也曾經有個漂亮的環
最新發現
近年，科學家在月球南北極區域的環形山內部發現了冰，這為人類建立長期月球基地創造了條件。
而對於月球水冰的開採。當前最大的不確定性仍舊是月球水冰的形態，開採月球水冰的方式取決於它們的具體形態。佛羅里達太空研究所的行星學家梅特澤格説：“我們不知道月球水冰的主要形態究竟是‘髒雪’還是混雜在幹表皮土中的碎石大小的純冰塊，又或者以其它形式存在。我們需要派遣月球車進行勘察和鑽探，以最快的速度找到答案。”
科學家們提出了一項旨在確定月球水資源分佈及儲量的低成本任務，以及一項新研發的開採技術。這項技術被稱之為“熱力開採法”，能夠將月球水冰轉化成火箭燃料。
所謂熱力開採法，就是在月球隕坑附近的永久光照區部署多個萬向反射鏡，通過反射陽光來照射隕坑加熱水冰。通過控制發射鏡的角度來控制水開採的速度。
開採水冰示意圖
如果我們能夠就地取材，便可大幅提高月球探索的效率，包括建造永久的月球基地。
太空企業家羅伯特·畢格羅（左）與工程師討論月球基地的佈局規劃
這一切或許並不遙遠，NASA要重返月球，而中國和印度也都在計劃着載人登月任務！
『天文時刻』 牧夫出品
微信號：astronomycn
從上圖可以看到，月食的陰影區變化，與月相變化是完全不同的。後者是月球自己的影子，而前者是地球的影子，影子的直徑明顯大於月球的直徑。
