概述
月球與地球之間的平均距離是384,400千米。
月球的兩面
月球是一顆同轉衛星,月球的正面永遠向著地球。另一方面,除了在月面邊沿附近的區域因天秤動而間中可見以外,月球的背面絕大部分不能從地球看見。在沒有太空探測器的年代,月球的背面一直是個未知的世界。
月球背面的一大特色是它幾乎沒有月海這種較暗的月面特徵。而當探測器運行至月球背面時,它將無法與地球直接通訊。
軌道
月球約一個農曆月繞地球運行一周,而每小時相對背景星空移動半度,即與月面的視直徑相若。與其他衛星不同,月球的軌道平面較接近黃道面,而不是在地球的赤道面附近。
相對於背景星空,月球圍繞地球運行(月球公轉)一周所需時間稱為一個恆星月;而新月與下一個新月(或兩個相同月相之間)所需的時間稱為一個朔望月。朔望月較恆星月長是因為地球在月球運行期間,本身也在繞日的軌道上前進了一段距離。
因為月球的自轉週期和它的公轉週期是完全一樣的,我們只能看見月球永遠用同一面向著地球。自月球形成早期,月球便一直受到一個力矩的影響引致自轉速度減慢,這個過程稱為潮汐鎖定。亦因此,部分地球自轉的角動量轉變為月球繞地公轉的角動量,其結果是月球以每年約38毫米的速度遠離地球。同時地球的自轉越來越慢,一天的長度每年變長15微秒。
月球對地球所施的引力是潮汐現象的起因之一。
公轉軌道
月球和地球是一對伴侶,組成地月系,共同圍繞著公共質心運轉不息,地月系質心離地心約4.671公里,因此,環繞質心與環繞地心的橢圓軌道相差不大。月球在環繞地球作橢圓運動的同時,也伴隨地球圍繞太陽公轉,每年一周。月球不但處於地球引力作用下﹐同時也受到來自太陽引力的影響,所以具有十分複雜的軌道運動。其中主要的軌道變化有:偏心率變化、軌道傾角變化、拱線運動、交點西退、中心差。
偏心率變化
月球軌道偏心率變化在1/15到1/23的範圍內﹐偏心率的平均值為0.0549﹐接近1/18。
嚴格來說,地球與月球圍繞共同質心運轉,共同質心距地心4700千米(即地球半徑的2/3處)。由於共同質心在地球表面以下,地球圍繞共同質心的運動好像是在「晃動」一般。從地球北極上空觀看,地球和月球均以迎時針方向自轉;而且月球也是以迎時針繞地運行;甚至地球也是以迎時針繞日公轉的。
很多人不明白為甚麼月球軌道傾角和月球自轉軸傾角的數值會有這麼大的變化。其實,軌道傾角是相對於中心天體(即地球)而言的,而自轉軸傾角則相對於衛星(即月球)本身的軌道面。在這個定義習慣很適合一般情況(例如人造衛星的軌道)而且是數值相當固定的,但月球卻非如此。
拱線運動
月球圍繞地球的橢圓軌道﹐在它自己的平面上也不是固定的﹐其橢圓的拱線(近地點和遠地點的連線)沿月球公轉方向向前移動﹐每8.85年移動一周。中國早在漢代﹐賈逵就提出月球視運動的最疾點每九年運動一周﹐這實際上正是拱線運動的結果。
軌道傾角變化
月球軌道(白道)對地球軌道(黃道)的傾角變化在4°57~5°19之間﹐平均值為5°09。
月球的軌道平面(白道面)與黃道面(地球的公轉軌道平面)保持著5.145 396°的夾角,而月球自轉軸則與黃道面的法線成1.5424°的夾角。因為地球並非完美球形,而是在赤道較為隆起,因此白道面在不斷進動(即與黃道的交點在順時針轉動),每6793.5天(18.5966年)完成一周。期間,白道面相對於地球赤道面(地球赤道面以23.45°傾斜於黃道面)的夾角會由28.60°(即23.45°+ 5.15°) 至18.30°(即23.45°- 5.15°)之間變化。同樣地,月球自轉軸與白道面的夾角亦會介乎6.69°(即5.15° + 1.54°)及3.60°(即5.15° - 1.54°)。月球軌道這些變化又會反過來影響地球自轉軸的傾角,使它出現±0.002 56°的擺動,稱為章動。
交點西退
白道與黃道的交線﹐其空間位置並不固定﹐而是不斷地向西運動﹐每18.6年運行一周。這一現象早在東漢末年就為劉洪發現﹐並用於月食預報計算中。
白道面與黃道面的兩個交點稱為月交點--其中升交點(北點)指月球通過該點往黃道面以北;降交點(南點)則指月球通過該點往黃道以南。當新月剛好在月交點上時,便會發生日食;而當滿月剛好在月交點上時,便會發生月食。
中心差
由於月球軌道是橢圓而不是圓形﹐月球公轉速度並不均勻。月球運動同均勻的圓周運動比較﹐時而超前﹐時而落後﹐其半振幅為6°.29﹐週期為27.55455日。
天秤動
由於月球軌道為橢圓形,當月球處於近日點時,它的自轉速度便追不上公轉速度,因此我們可見月面東部達東經98度的地區,相反,當月處於遠日點時,自轉速度比公轉速度快,因此我們可見月面西部達西經98度的地區。這種現象稱為經天秤動。又由於月球的自轉軸傾斜於公轉軌道平面(白道面),而白道與黃道又有約5度的交角,因此月球繞地球公轉一周時,極區會作約7度的晃動,這種現象稱為緯天秤動。再者,由於月球距離地球只有60地球半徑之遙,若觀測者從月出觀測至月落,觀測點便有了一個地球直徑的位移,可多見月面經度1度的地區。這種現象稱為周日天秤動。
物理天秤動
月球由於三條主慣性軸長度不等﹐在地球引力作用下﹐發生對平均位置的偏移。與幾何天平動不同﹐它是真實的擺動。物理天平動比幾何天平動小得多(見物理天秤動)。由於這兩種天平動﹐從地面觀測﹐不止看到月球的半面﹐而且能看到月球的59%﹐其餘41%則不能直接看到。
月球是地球唯一 的天然衛星,軌道半徑為384,400公里;直徑為3,476公里;質量是7.35x1022公斤。
月球當炙是在史前時代就已為人所熟知,它在天空中亮度僅次於太陽。在月球繞行地球的過程中,由於它和太陽與地球的方位改變,因而產生了月相盈虧變化,兩個新月 (朔) 之間是29.5天 (709小時),略長於月球真正的公轉周期27.32天,這是因為在月球繞地公轉的同時,地球也繞太陽公轉了一些角度所致。
由於月球的大小及組成特性,它有時也會被含糊歸類為類地「行星」的一員作比較。
月地之間的重力造成了一些有趣的影響,最顯著的就是潮汐現象,月球的吸引力在正對地球處最強而在地球正背面最弱,因此整個地球,尤其是海洋部分並非是堅固不移的,而是朝著月球被稍稍拉起,使得地球上形成兩處小隆起,一處正對著月球而另一處則正背對著月球。這樣的效應在液態海水遠比固體地球來得顯著,因而海水面的兩處隆起自是明顯得多,這就是我們熟知的海水滿潮。而由於地球自轉遠比月球公轉速度快得多,因而這兩處隆起在一天之中造成各地大約兩次的漲落潮 (精確的漲落潮平均周期是12小時25分)。
然而,由於地球並不是全液態,剛性的地表會使得固體地球的兩處小隆起被地球自轉「帶著」超前一點點,也就是說兩處小隆起並不會剛剛好正對著或正背對著月球。這意味月地之間的引潮力方向並不是完全和地心-月心的連線重合,這就在月地之間產生了額外的力矩,導致月地系統的角動量由地球逐漸轉移到月球上,使得地球自轉每世紀減慢約1.5毫秒,而月球的公轉軌道則每年升高3.8公分,愈來愈遠離地球。
由於月球的軌道並不是完全正圓,因而在地球上我們可以在某些時候看到它的一點點背面, 然而直到前蘇聯的月球3號於1959年拍下了照片 (左圖),人類才第一次得見月球背面的全貌。在此之前,月球的背面常被稱為「黑暗的一面」,以突顯它的不被人知,就如同以前非洲被稱為黑暗大陸一樣,但月球的這一面只是從地球無法看到而已,太陽光可是一樣會照在這「黑暗」的一面哦!
月球沒有大氣,但Clementine探測船卻發現在月南極附近的坑洞深處可能藏有永凍的水冰,現在月球探勘者號正試圖確認這件事,而月北極似乎也有水冰。若果如此,未來人類在月球的探險費用將可望大幅降低。
月殼平均約厚68公里,遠比地球來得厚。月殼在各地的厚度變化很大,從Crisium海的0到月背Korolev坑北側的107公里不等,在月殼之下是月函及很小的月核 (半徑約300公里厚、佔月球質量2%)。月函不像地函,它全部都是部分熔融的。有趣的是,月球的質量中心並不在其地理中心上,而是向地球方向偏離2公里左右,月殼也是向地球的這一面較薄。
月表主要有兩種地形:多坑洞而古老的高地 (highlands) 及相對平坦而年輕的月海 (maria)。佔月表16%的月海是被熔岩流鋪平的巨大撞擊坑;而佔月表大部分面積的高地則是由隕石撞擊產生的塵沙及岩石碎屑組合而成。月海只存在於向地球的一面,原因不明。
共有382公斤的月岩標本分別被阿波羅和月球計畫帶回地球,使我們對月球有最精確的瞭解,尤其是在定年工作上。即使是在數十年後的今日,科學家仍在研究這些珍貴的標本。大部分月表岩石的年代似乎都是介於46億至30億年之間,而恰巧地表的岩石極少有老於30億年的 ,月岩因而提供了許多地球上找不到的太陽系早期歷史訊息。
目前月球並沒有全球性的磁場,不過有些月表岩石標本卻具有殘磁,這可能表示早期月球曾經具有磁場。
由於沒有大氣及磁場,月表是直接暴露在太陽風之中的,在它超過40億年的歷史中,許多來自太陽風的氫離子持續打入月表的風化層中,因此由阿波羅計畫所帶回的風化層標本對太陽風的研究有非常大的價值。有朝一日,月表的氫也許還能用作太空火箭的燃料。
參考資料:
http://earth.fg.tp.edu.tw/learn/solar/moon.htm