月球的知识

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一、月球的基本参数：

平均赤道半径: ae = 1738000 米

平均半径: a = 1737400 米

赤道重力加速度: ge = 1.618 米/秒2

平均自转周期: T = 27.32166 天

扁率: f = 0.006

质量: M⊕ = 0.07348 ×1024 公斤

月心引力常数: GM = 4.902793455×1012 米3/秒2

平均密度: ρe = 3.34 克/厘米3

地月系质量比 E/M = 81.30068

离地球平均距离: R = 384400 公里

逃逸速度: v = 2.38 公里/秒

表面温度: t = -120 ～ +150

表面大气压: p = 1.3 × 10-10 帕

二、圈层结构

月球是地球的唯一天然卫星，它与地球有着密切的演化联系。根据对建立在月球上的阿波罗11号和12号月震台记录资料的分析，以及对月球表面和月岩的研究，可知现今的月球内部也有圈层结构，但与地球内部的圈层结构并不完全相同。月球表面有一层几米至数十米厚的月球土壤。整个月球可以认为由月球岩石圈（0～1000公里）、软流圈（1000～1600公里）和月球核（1600～1738公里）组成。月球岩石圈又可进一步分为四层，即月壳（0～60公里）、上月幔（60～300公里）、中月幔（300～800公里）和月震带（800 ～ 1000公里）。软流圈又称为下月幔。在月壳的10公里、25公里和60公里深处，均存在月震波速的急剧变化，表明在这些深度处存在显著的不连续性。月球表面至25公里深处为玄武岩组成的月壳第一层次，25公里～60公里之间为月壳的第二层，由辉长岩和钙长岩组成。上月幔由富镁的橄榄石组成，中月幔和下月幔由基性岩组成。月球震源的位置位于600～1000公里的深度之间，平均月球震源深度为800公里。由于月球表面岩石的密度并不比整个月球的平均密度小很多，因此，可以认为月球核不会是较重的铁镍等元素组成，它可能呈塑性或部分熔融状。在月球1000公里深处，月幔温度不会高于1000°C。根据对月球内部状况的了解，固体部分圈层结构并不是地球本身所特有的。月球的上述圈层结构，也是月球的演化过程中整个月球物质圈层分化的结果。

三、月面特征

月面上山岭起伏，峰峦密布，没有水，大气极其稀薄，大气密度不到地球海平面大气密度的一万亿分之一。没有火山活动，也没有生命，是一个平静的世界。已经知道月海有22个，总面积500万平方公里。从地球上看到的月球表面，较大的月海有10个：位于东部的是风暴洋、雨海、云海、湿海和汽海，位于西部的是危海、澄海、静海、丰富海和酒海。这些月海都为月球内部喷发出来的大量熔岩所充填，某些月海盆地中的环形山，也被喷发的熔岩所覆盖，形成了规模宏大的暗色熔岩平原。因此，月海盆地的形成以及继之而来的熔岩喷发，构成了月球演化史上最主要的事件之一。

月球上的陨击坑通常又称为环形山，它是月面上最明显的特征。环形山（crater），希腊文的意思是"碗"，所以又称为碗状凹坑结构。环形山的形成可能有两个原因，一是陨星撞击的结果，二是火山活动；但是大多数的环形结构均属于陨星的撞击结果。1924年，吉福德（A. C. Gifford）曾把月坑同地球上的陨石坑作了比较，证实了月坑是陨星撞击形成的。因此，陨击作用是形成现今月球表面形态的主要作用之一。许多大型环形山都具有向四周延伸的辐射状条纹，并由较高反射率的物质所组成，形成波状起伏的地形，向外延伸可达数百公里。环形山周围有溅射出来的物质形成的覆盖层；溅射的大块岩石又撞击月球表面，形成次生陨击坑。由于反复的陨星撞击与岩块溅落，以及月球内部喷出的熔岩大规模泛滥，使得许多陨击坑模糊不清，或只有陨击坑中央的尖峰露出覆盖熔岩的表面。

从叠加在月海上的陨击坑的状况判断，以及从月球上带回样品的放射性年龄测定表明，月海物质大致是与陨击坑同时期形成的。月海年龄大都在35亿年左右，而月陆高地的形成至少在月海熔岩喷发之前10亿多年已经存在，因此原始月壳是更为早期形成的，并且是大量熔岩的不断喷发，月球物质长期圈层分化的结果。研究表明，月球的圈层结构是继大约46亿年前它所经历的一个漫长的天文演化阶段之后，又一个持续了约10亿年之久的一个圈层分化过程。月球上大型环形山多以古代和近代天文学者的名字命名，如哥白尼、开普勒、埃拉托塞尼、托勒密、第谷等。月球表面陨击坑的直径大的有近百公里，小的不过10厘米，直径大于1公里的环形山总数多达33000个，占月球表面积的7～10%，最大的月球坑为直径235公里。在月球背向地球的一面，布满了密集的陨击坑，而月海所占面积较少，月壳的厚度也比正面厚，最厚处达150公里，正面的月壳厚度为60公里左右。由于月球表面之上缺乏大气圈和水圈，所以月球早期的熔岩喷发和陨星撞击形成的月球表面形态特征能够得到长期的保存。自1969年以来，宇航员已从月球表面取回数百公斤的月岩样品，经过对这些月岩样品的研究分析得出结论，这些月岩曾熔化过，月球表层物质主要是岩浆岩组成。月球的年龄至少已有46亿年。

四、月球运动

地球与月球构成了一个天体系统，称为地月系。在地月系中，地球是中心天体，因此一般把地月系的运动描述为月球对于地球的绕转运动。然而，地月系的实际运动，是地球与月球对于它们的公共质心的绕转运动。地球与月球绕它们的公共质心旋转一周的时间为27天7小时43分11.6秒，也就是27.32166天，公共质心的位置在离地心约4671公里的地球体内。

宇宙间天体之间都存在相互间的作用，其中所谓"潮汐作用"是重要的作用形式之一。由于地月间距离相对较近，这种潮汐作用更为明显。太阳系天体中，月球对地球的潮汐作用约为太阳对地球潮汐作用的2.2倍，并远远大于其它天体对地球的潮汐作用。由于月球的潮汐摩擦作用使得地球自转变慢，每天时间变长，平均每一百年一天的长度增加近千分之二秒。同时，由于地球自转变慢，使得月球缓慢向外作螺旋运动，目前月球正以每年3～4厘米的速度远离地球。同样道理，地球对月球的潮汐作用，使得月球自转周期变得与其公转周期相同。月球的自转和公转都是自西向东的。月球的这种自转，称为同步自转。因此，自古以来，人们看到月球总是以同一面朝向我们地球。

人类在开始记录地球史的时候，就已通过观测月球位置和位相来计时。通过对月球和太阳周期性运动的研究，使得古代中国人和美索不达米亚人创立了历法。公元前300年，巴比伦的天文学者已能预报月食。

月球形成学说

月球的天文演化同地月系统的天文演化有重要关系。地月系统的天文演化，同这一行星——卫星系统的形成有关。在地月系统的形成中，很重要的一个问题是月球的形成问题。目前人们普遍认为，太阳系中行星——卫星系统的形成机制，基本上与太阳——行星系统的形成机制相同；或者，至少在主要方面大体上相一致。已有关于月球起源的学说，可以分为三大类：1. 地球分裂说，2. 地球俘获说，3. 共同形成说。

1．地球分裂说认为，在太阳系形成的初期，地球和月球原是一个整体，那时地球还处于熔融状态，自转快。由于太阳对地球强大潮汐力作用，在地球赤道面附近形成一串细长的膨胀体，终于分裂而形成月球。在19世纪末，乔治×达尔文（Geoge Dorwin）在研究了地月系统的潮汐演化后认为，月球是从地球分离出去而形成的，并提出太平洋盆地就是月球脱离地球时所造成的一个巨大遗迹。在此期间，支持分裂说的人已经知道太平洋地区地壳缺失硅铝层，由于形成月球的物质分离出去，使得该地区地壳的硅镁层暴露出来。所以他们推测月球从地球上分离出去的具体位置是在太平洋地区。

2．地球俘获说认为，月球可能是在地球轨道附近运行的一颗绕太阳运行的小行星，后来被地球所俘获而成为地球的卫星。支持俘获说的人认为，由于月球的平均密度只有每立方厘米为3.34克，与陨星、小行星的平均密度十分接近。因此，很有可能月球原是一颗小行星，在围绕太阳运行中，由于接近地球，地球的引力使它脱离原来的轨道而被地球所俘获。他们认为，月球的运动轨道显著地偏离地球赤道面，而比较接近各行星绕太阳运行的公转平面，因此，月球是给地球俘获的可能性较大。有人认为这个俘获事件发生在35亿年前，整个俘获过程经历5亿年。月球在被地球俘获后，由于受到地球的潮汐力作用，喷发出大量岩浆，形成了月海玄武岩。

3．共同形成说的研究者则认为地球和月球是由同一块原始行星尘埃云所引成。它们的平均密度和化学成分不同，是由于原始星云中的金属粒子在形成行星之前早已凝聚。在形成地球时，一开始以铁为主要成分，并以铁作为核心。而月球则是在地球形成后，由残余在地球周围的非金属物质凝聚而成。

现代的许多研究表明月球的形成比较大的可能性是倾向于共同形成说。从地月系统来看，地球是中心天体，月球是地球的卫星。因此，地球的演化历史决不会短于月球的演化史；此外，月球表面没有大量的硅铝质岩石，否定了地壳物质分出一部分形成月球，而同时在地球上形成大洋盆地的学说。根据对阿波罗11号带回的月球岩石样品的元素分析，以及对岩石样品中的铀——钍——钴系同位素的分析结果比较有利于地球和月球作为一个行星——卫星系统的共同形成说。月球玄武岩中化学元素的丰度同地球玄武岩中元素的丰度的对比研究表明，月球玄武岩的元素丰度更接近于地球的丰度，而不是接近于宇宙的丰度。同时，月球样品中氧的同位素组成与地球上氧同位素的组成没有什么区别。由此得出结论，月球与地球是在太阳系的同一区域内形成的，这就排除了月球是在距地球相当远的地方形成的可能性，这对"俘获说"是个否定。因此，现代的许多研究已经有越来越多的证据说明共同形成说有比较大的可能性。从一般性的讨论也可看出，月球由围绕原始地球的星子及其它物质颗粒和气体吸积而形成的模式，要比地球俘获月球和地球分出物质形成月球的模式更为合理些。

月球表面上古老的高地的构造特征，证明月球在40～46亿年间曾遭受了强烈的陨击作用；当然对地球来说也可能如此。此外，我们不能排除，在46亿年以前的演化时期，地月系统曾遭受到强烈陨击作用的可能性。因此，在整个天文演化时期内，地月系统所可能发生的巨大陨击体的撞击与俘获，对地月系的运动状态和本身结构状态会造成的重大影响。

■公元前500－400年中国人就开始制作木鸟并试验原始飞行器

中国古人在很早的时候就开始制作木鸟，以此寄托人类渴望在空中飞行的梦想。

从古人的许多著作中，会发现制作能飞木鸟的众多记载。

古书中称木鸟为木鸢、鹊、鹄等名。

《韩非子·外储说》记载着：墨子经三年制成的木鸢，飞行了一天就坏了；他的学生安慰他说，老师技术高超，木鸢虽然坏了，但毕竟飞成功了。

在《墨子·鲁问》中也有公输班用竹木制成了能飞三天的飞鹊的记述。

墨子是鲁国的哲学家和科学家，公输班就是传说中的能工巧匠鲁班。

有关他们制作木鸟的历史，大约发生在公元前500至400年期间。

除他们二人外，还有如张衡、韩志和、高骈等木鸟制造家。

其中汉朝张衡知名度最高，因他既是天文学家，又是浑天仪和候风地动仪的发明者。

《太平御览·文土传》中就有张衡制造木鸟的记载。

所存史料确凿表明在公元前400年，中国人就已经使用竹木在尝试制作能飞的原始器械了。

这一点，得到世界科学界的一致认同。

■坠地而亡的先行者们

公元前9世纪，古英国的布拉德国王自造的一副飞翼，并试图从伦敦阿波罗宫出发，当他飞越出城时，坠地驾崩了。

这可能是有关人类模仿鸟类飞行的最早记录之一。

1503年，意大利的丹蒂也用自制双翼飞行，虽然幸免一死，但也落下终生残疾。

1507年，英国的达米安从苏格兰的斯特林城堡纵身跃起，想要飞往法国，结果在城堡下摔断了大腿。

达米安并不服输，他把失败归罪于使用了鸡的羽毛。

■风筝起源古代中国，约14世纪传到欧洲

风筝的起源可能与木鸟有关，它也起源于中国。

风筝又名纸鸢、风鸢，纸鹞或鹞子，中国古籍当中有关风筝的史料比木鸟丰富。

唐朝的《事物纪原》记载了汉初的韩信是风筝的发明人。

唐朝的记述是：楚霸王被困垓下，韩信制风筝让张良乘坐，飞上天空高唱楚歌，瓦解楚营军心。

宋朝的传说为：刘邦征伐陈烯，韩信打算里应外合，便用风筝测量距离，想用挖地道的方法攻入未央宫。

《事物纪原》和《新唐书》分别记载了利用风筝求援的轶事。

公元549年，梁武帝萧衍被侯景兵困南京。

武帝的将军羊侃用风筝送出求援诏书。

不料风筝被侯军误为妖术而射落，求援因此失败。

更为离奇的风筝传闻见于《白石礁真稿》：公元559年，北齐文宣帝时，大杀“元”姓宗族，彭城王元勰的孙子元韶被囚地牢。

元韶堂弟为元韶制作风筝，他们二人从金风楼乘风筝双双飞逃。

这些传奇故事反映了中国古人的关于飞行的奇思妙想。

今天看来仍然很有趣味。

■传说戴达罗斯发明“人翅”飞出克里特岛

东西方民族文化背景不同，但在对飞行的渴望上，却有惊人的相似之处。

传说雅典的戴达罗斯擅长雕刻，他的雕像栩栩如生；但他更热衷工程技术，特别对建筑格外偏爱。

塔罗斯是戴达罗斯的外甥，但他因嫉妒杀害了向他学艺的塔罗斯。

戴达罗斯被判流放到阿提克，不久又逃亡到克里特岛。

戴达罗斯被克里特的米诺斯国王尊为上宾，要他为人身牛头怪建造一所无法外逃的宫殿。

戴达罗斯以他的天才，建造了一座曲折迂迥、眼花缭乱的迷宫。

后来，戴达罗斯用鸟羽按长短排列，用蜂蜡粘合，做成一对人造鸟翼。

当试飞成功后，他为儿子伊卡洛斯做了一对小的羽翼，并向儿子传授飞行技法。

在起飞前，他告诫儿子：“飞得太低，海水会湿透羽翼；飞得太高，太阳会烧着羽毛。

你要记住，永远只能在太阳与大海中间飞行。”戴达罗斯父子用羽翼飞升而起，飞出克里特，越过萨摩斯。

伊卡洛斯尝到了飞行的甜头，开始越出父亲带领的航线，振翅飞向高空。

强裂的阳光融化了蜂蜡，分解的羽翼脱离了双肩。

伊卡洛斯企图挥臂飞行，但无济于事，汹涌的大海很快吞没了他的身躯。

戴达罗斯飞行的故事反映了古人对飞行的探索和向往。

■1250年罗杰·培根记述扑翼机的设想，15世纪达·芬奇作出具体设计，但一直未获成功

人类在尝试飞行的初期，一直是很直观地模仿鸟类，用各种鸟羽或其他人造物，制成翅膀，“安装”在人的身上。

在经历了许多失败之后，人类逐渐认识到单纯的利用羽翅是不能飞行的。

于是开始寻找一种机械的方式。

扑翼机就是这个阶段的产物。

最早的扑翼机也许就是英国的修道士罗杰·培根在1250年发表的《工艺和自然的奥秘》一文中所记述的：“供飞行用的机器，上坐一人，靠驱动器械使人造翅膀上下扑打空气，尽可能地模仿鸟的动作飞行。”15世纪初，意大利的达·芬奇是欧洲文艺复兴时斯的文艺、科学巨擘。

他对飞行抱有热忱，他也是研究扑翼机的著名人物。

他的具体设想为，人俯卧在扑翼机中部，脚蹬后顶板，手扳前部装有鸟羽的横杵，就像划桨一样扇动空气，推动飞行。

这个方案是达·芬奇研究了鸟翅，利用物理和解剖知识而设想出来的。

扑翼机和带翼飞人相比是种进步，然而在本质上仍是仿鸟的人力飞行。

这种影响一直延伸至飞机发明前夕。

自达·芬奇之后，有个土耳其人穿了一件宽大的带框架的斗篷，利用扑翼原理飞行，不料框架经受不住空气阻力而折断，这位土耳其人不幸遇难。

1678年，法国有个叫贝尼埃的锁匠也制了一架扑翼机。

他在肩上担两根杆子，杆端各装一对铰接的长方翼片。

杆端向上摆动，翼片收拢，向下摆动，翼片展开。

通过多次实验，贝尼埃始终未能成功。

1742年，62岁的巴凯维尔用四个翼形机构绑缚在自己四肢上，从巴黎旅馆屋顶上奋身一跃，企图飞越塞纳河。

但他飞了一半便坠河撞在船上，摔断了腿。

■1731年俄国梁赞的一位平民发现热气球的飞行原理，此后许多热气球出现在欧洲上空

俄国梁赞有个人，名叫克拉库特诺，他的职业只是普通的书记官。

屋顶炊烟上升的景象使他禁不住想入非非，他反复设想能不能利用飞烟上天。

1731年，他被自己的想法所激动，于是做了一只肥大的口袋，自己坐在口袋下的套环里。

当口袋盛满热烟后，果真慢慢升起。

当升空大约十几米的时候，一阵风把他吹向钟楼，他抓住了钟楼的绳索才没有遇难。

这大约是最早的气球飞行实验者。

气球是一种没有推进装置，完全靠风力飘飞的航空器。

它由气囊和吊篮组成。

气囊是使用橡胶布、塑料薄膜或尼龙布等材料制成，里面充满轻于空气的气体。

吊篮位于气囊之下，内装各种仪表、设备及氧气装置等。

气球又可分为热气球、氢气球和氦气球。

热气球利用位于气囊下方开口处的加热器对空气加热，使气囊内的空气密度减小，从而产生静浮力。

氢气和氦气密度小，比空气轻，因此氢气球和氦气球，气囊下方都是封闭的，不需要进行加热。

氢气易燃，氦气比较安全。

飞机使气球飞行受到冷落，但它仍是人类的航空器之一。

■1783年8月第一只氢气球在法国升空，同年11月热气球第一次载人升空并航行9000米

1783年11月21日，法国人罗齐埃和达尔朗德在巴黎米也特堡，乘坐蒙特哥菲新制的热气球试飞。

这个气球高20多米，直径约15米。

它上升到1000米高度，在巴黎上空飘行25分钟，最后平安降落在距起飞地约9000米之处。

这是人类第一次成功的升空航行。

1783年8月26日，第一只氢气球升上了天空。

这是法国物理学家查尔斯制作的。

它的直径为4米，是用丝绸和橡胶制成的。

1783年12月1日，查尔斯乘坐一个直径8.6米的氢气球，从巴黎起飞，在2小时内飞行了45千米，实现了氢气球首次载人飞行。

氢气球升空性能优越，但因高空缺氧事故频繁。

1862年，2名英国人在8800米高度丧生，2名法国人也在同样高度上遇难。

气球飞行是人类实现航空梦想的开始，给人们带来新的希望。

■20世纪以后人类气球飞行的著名纪录

1927年，美国人格雷乘气球升空，创造了12900米的高度纪录，但是由于缺氧导致身亡。

针对高空缺氧，瑞士人皮卡尔于1931年研制了气球专用的充氧密封舱，这为气球的升空高度不断创新提供了保证。

1933年“苏联1号”气球升高到19000米；同年苏联又创22000米新纪录。

1957年8月19日，美国空军西蒙斯少校创下了载人气球30942米高度的世界纪录。

1978年以前，人类曾进行了17次试图横越大西洋的气球飞行，丧生7人却未能如愿。

由于热气球的复兴，1978年8月11日，3位美国人乘“双鹰2号”氦气球从美国缅因州海岩出发，开始了人类第18次横越大西洋的气球飞行。

“双鹰2号”为直径20米，充氦5000立方米，用涂以人造橡胶的尼龙绸制成的氦气球。

气球吊舱可容纳3名乘员、生活必需品、仪器设备及2000千克压舱物。

气球飞行高度为4000至7000米，经过137小时03分，全程5000余千米的飞行，于8月17日傍晚，安全降落在巴黎西北的米塞雷小镇上。

横越大西洋成功，创造了载人气球飞行距离和留空时间的两项世界纪录，为人类气球飞行的历史功绩画上了圆满的句号。

这次飞行的3名乘员是：布鲁佐、纽曼和安德森。

■1897年瑞典的“飞鹰”号探险队遇难之谜

1896年，瑞典组成了“飞鹰号”气球北极探险队，队员是安德莱、斯廷别克和费林克尔。

他们准备从靠近北冰洋的斯匹次卑尔根群岛起飞，越过北极，到达美洲。

但由于天气不佳，直到1897年7月11日才真正启航。

这次航行的气球是巴黎最有名的气球作坊制造的，吊篮中准备了当时最好的科学仪器和导航仪表，气球升到800米的高度之后，以每小时25千米的速度向北极漂去。

然而，他们却一去不复返。

此后多年，瑞典曾派出许多救护队多方寻找，都没有找到他们的踪迹。

33年以后，也就是1930年，挪威的猎人们在北极圈一个叫白岛的地方偶然找到了一张照片底版，又发现了安德莱等人的飞行记录和日记。

最后，在一层积雪下找到了三位探险家，他们身上穿着用气球碎片缝制的衣服。

“飞鹰”号探险队遗留的日记说明，当气球坠落毁坏之后，他们准备走回陆地。

由于迷失方向，他们步行两个多月，最后来到北极最荒漠的一角白岛。

令人难以理解的是，没有多久，他们就突然死去，最后一页记录的时间是10月17日。

从现场情况分析，最先死亡的是斯廷别克，他的尸体上草草盖着一些碎石。

另外两人躺在不远的地方。

炉灶上的锅里有剩余的食物，又有储备的大量熊肉，饿死的可能性可以完全排除。

有人认为最大的可能性是他们在熟睡中被冻死，但有的人又提出疑问：他们为什么不是死在睡袋中呢？几年前，丹麦医生特莱德提出一种解释，认为探险家们很可能吃了带有旋毛虫寄生病的熊肉受到传染而死亡。

为此特莱德检查了北极熊的遗骸并检查出了这种病菌。

直到目前，人们还没有对这一事件找到圆满的解释。

特别奇怪的是，斯廷别克是最先死去的人，但却记下了最后一段日记，安德莱是一个沉着细心的极地探险家，而在他的日记中对斯廷别克的死却又只字未提。

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