北半球所見(jiàn)滿月標(biāo)準(zhǔn)照

Credit: Gregory H. Revera

由于月亮離我們?nèi)绱酥庋劬湍苡^測(cè)到許多的細(xì)節(jié),，自然古今中外就有了無(wú)數(shù)的關(guān)于月亮的描述,。“山寺月中尋桂子,，郡亭枕上看潮頭,。”讀到這一句詩(shī),，你會(huì)覺(jué)得詩(shī)人用前半句描寫(xiě)月亮,，然而閱讀完此文，你會(huì)發(fā)現(xiàn)后半句亦與月亮有緊密的關(guān)系,。

月相

關(guān)于月亮,，最直觀的天文現(xiàn)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(guò)嗎,？

小學(xué)的地理課本上就告訴過(guò)我們：上弦月前半夜出現(xiàn)在西部天空,，月面朝西；下弦月后半夜出現(xiàn)在東部天空,，月面朝東,。甚至為了便于記憶,，還有老師總結(jié)出上上西西，下下東東,。然而死記硬背顯然不是學(xué)習(xí)知識(shí)的好方法,，這樣的概括也未免過(guò)于粗糙。我們不妨來(lái)分析一下,，為什么會(huì)出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象,？

首先，首先我們知道月球本身不發(fā)光,，我們看到月亮發(fā)光的部分是由太陽(yáng)照亮,。由于太陽(yáng)離的較遠(yuǎn)，可以看作是平行光,，因此月球被照亮的,，永遠(yuǎn)只有半球。

月球,、地球和太陽(yáng)三者運(yùn)行軌道的特征,，導(dǎo)致月球出現(xiàn)在人們視野當(dāng)中的時(shí)刻每日皆不相同。

月相示意圖,，請(qǐng)放大觀看

Credit: HeshamGalal.com

如果黃昏（至前半夜）時(shí)你看到月亮,，那么月球反光的一面，必然是朝西的那一面,，也就是太陽(yáng)落山的方向,。而如果是清晨（包括后半夜）看到的月亮，反光面便是朝東,。

月亮和太陽(yáng)在天空中的位置，如果越近（夾角越?。?，我們能看到的發(fā)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(gè)時(shí)候月球,、地球、太陽(yáng)三者在一條直線,，月球夾在中間,。正午時(shí)刻月球正在我們的頭頂上空，太陽(yáng)照亮的月球的那一面我們完全看不到,。而太陽(yáng)和月球的夾角越大,，我們能看到發(fā)光的部分就越大，極端的情況就是十五的滿月,。此時(shí)太陽(yáng)和月球分列地球兩側(cè),，因此我們整夜都能看到渾圓的月亮,。對(duì)了，其實(shí)月相每時(shí)每刻都在發(fā)生變化,，因此每年八月十五賞月,，總是有預(yù)報(bào)告知幾時(shí)幾刻月亮最圓，這也是是天文計(jì)算的結(jié)果,。

觀看動(dòng)態(tài)請(qǐng)前往：

http://www./lookangejss/02_newtonianmechanics_7gravity/ejss_model_gravity01/gravity01_Simulation.xhtml

關(guān)于月相,，還有一些人們不太注意的細(xì)節(jié)：

1、新月快要落山的時(shí)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(gè)階段的變化規(guī)律相同么？

不變的面孔

說(shuō)完月相,，我們?cè)賮?lái)聊一聊月亮的另外一個(gè)特征,，月相不管怎么變化，我們看到的月亮總是同樣的一面（由于地球直徑較大引起的視差,，實(shí)際能看到的區(qū)域約為月球表面的59%）,。

這是怎么造成的呢？書(shū)本上給我們的答案是：月球的自轉(zhuǎn)和公轉(zhuǎn)周期是一致的,。進(jìn)一步追問(wèn)你會(huì)得到這是潮汐作用的結(jié)果（潮汐鎖定）,。

潮汐這個(gè)名詞，聽(tīng)上去應(yīng)該跟潮漲潮落有關(guān),，但是和月球的自轉(zhuǎn),、公轉(zhuǎn)周期有什么關(guān)系呢？

潮汐鎖定

潮汐一詞的來(lái)源,，確實(shí)與潮水有關(guān),，潮水漲落是潮汐力的結(jié)果。那什么是潮汐力呢,？

這要從萬(wàn)有引力說(shuō)起（what does gravity do,？）：當(dāng)我們計(jì)算引力時(shí)，會(huì)把兩個(gè)互相吸引的天體視為質(zhì)點(diǎn),，即忽略天體的直徑,。然而當(dāng)兩個(gè)天體距離足夠近時(shí)，其直徑與天體之間的距離便不可忽略,。

回到地月系統(tǒng),，地球直徑約13,000km，而地月球心距約384,000km。根據(jù)萬(wàn)有引力公式可知,，地球每一點(diǎn)受到的月球引力皆不相同,，面向月球的區(qū)域（簡(jiǎn)稱正面）引力遠(yuǎn)大于背朝月球的區(qū)域。這種引力的不同會(huì)將正面拉的隆起,，背面推向地心,。幸好地球表面大部分區(qū)域被海洋覆蓋，而海水又比巖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(dāng)然，實(shí)際情況比這個(gè)要復(fù)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(qū)域和背朝月球的區(qū)域,，都會(huì)有幅度較大的潮水。

同理,，月球也會(huì)在地球的潮汐作用下,，產(chǎn)生變化。不幸的是月球表面并沒(méi)有可供撕扯的海水,，被撕扯便是月球自己,。

起初，月球自轉(zhuǎn)速度大于公轉(zhuǎn)速度,，因此其面向地球的區(qū)域一直在變化,。而面向地球的區(qū)域在潮汐力作用下發(fā)生隆起，隆起的位置不斷變化,。這就對(duì)月球產(chǎn)生了如下影響：

1,、月球內(nèi)部巖石之間產(chǎn)生摩擦

2、月球的質(zhì)心不斷變化

于是月球的轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能,，逐漸轉(zhuǎn)變成了巖石之間摩擦的熱能,，月球自轉(zhuǎn)速度越來(lái)越慢，直至與公轉(zhuǎn)速度一致,，不再發(fā)生巖石摩擦,，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)——形成潮汐鎖定。

就像這樣：

圖配錯(cuò)了,，應(yīng)該是這樣：

潮汐鎖定的月球（左側(cè)）

Credit: Stigmatella aurantiaca

或許你會(huì)問(wèn)，地球會(huì)不會(huì)被太陽(yáng)潮汐鎖定呢,？

答案是,，在地球被死去的太陽(yáng)吞噬之前都不會(huì)。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(wú)邊的黑暗。

月球的形成

關(guān)于月球的形成，有若干種猜測(cè),，其中認(rèn)同度最高的是大碰撞假說(shuō)（Giant-Impact Hypothesis）,。

這種理論認(rèn)為：約45億年前，一個(gè)體積如火星大小的天體（被命名為T(mén)heia,，希臘神話中月亮女神Selene的母親）撞向地球,。通過(guò)分析月球巖石樣本，科學(xué)家認(rèn)為兩個(gè)星體遭遇了正面碰撞,，導(dǎo)致二者的成分充分混合,。飛離地球的氣體和塵埃，并沒(méi)有完全脫離地球的引力控制,，通過(guò)相互吸積而結(jié)合起來(lái),，形成幾乎熔融的月球，或者是先形成一個(gè)環(huán),，再逐漸吸積形成一個(gè)部分熔融的大月球,。

支持這種假說(shuō)的證據(jù)有：

1、地球,、月球自轉(zhuǎn)的傾角類似

2,、通過(guò)分析月球巖石樣本，發(fā)現(xiàn)其表面曾經(jīng)是熔巖狀態(tài)

3,、月球的鐵核相對(duì)較小

4,、月球的密度比地球小

5、在其他星系中觀測(cè)到類似的碰撞,，并形成環(huán)狀殘骸

6,、碰撞假說(shuō)與太陽(yáng)系形成的主流理論吻合

7、地月巖石中的穩(wěn)定同位素比值完全一致,，意味著二者同源,。

正面撞擊導(dǎo)致二者充分融合，并拋出殘骸

月球形成過(guò)程的GIH假說(shuō)

貌似地球也曾經(jīng)有個(gè)漂亮的環(huán)

最新發(fā)現(xiàn)

近年,，科學(xué)家在月球南北極區(qū)域的環(huán)形山內(nèi)部發(fā)現(xiàn)了冰,，這為人類建立長(zhǎng)期月球基地創(chuàng)造了條件。

而對(duì)于月球水冰的開(kāi)采,。當(dāng)前最大的不確定性仍舊是月球水冰的形態(tài),，開(kāi)采月球水冰的方式取決于它們的具體形態(tài)。佛羅里達(dá)太空研究所的行星學(xué)家梅特澤格說(shuō)：“我們不知道月球水冰的主要形態(tài)究竟是‘臟雪’還是混雜在干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(chē)進(jìn)行勘察和鉆探，以最快的速度找到答案,?！?/p>

科學(xué)家們提出了一項(xiàng)旨在確定月球水資源分布及儲(chǔ)量的低成本任務(wù)，以及一項(xiàng)新研發(fā)的開(kāi)采技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)被稱之為“熱力開(kāi)采法”,，能夠?qū)⒃虑蛩D(zhuǎn)化成火箭燃料,。

所謂熱力開(kāi)采法，就是在月球隕坑附近的永久光照區(qū)部署多個(gè)萬(wàn)向反射鏡,，通過(guò)反射陽(yáng)光來(lái)照射隕坑加熱水冰,。通過(guò)控制發(fā)射鏡的角度來(lái)控制水開(kāi)采的速度。

開(kāi)采水冰示意圖

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(yè)家羅伯特·畢格羅（左）與工程師討論月球基地的布局規(guī)劃

這一切或許并不遙遠(yuǎn),，NASA要重返月球,，而中國(guó)和印度也都在計(jì)劃著載人登月任務(wù)！

作者：趙琨 | 校對(duì)：周寅軍

編排：趙琨

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從上圖可以看到,，月食的陰影區(qū)變化,，與月相變化是完全不同的。前者是月球自己的影子,，而后者是地球的影子,，影子的直徑明顯大于月球的直徑。

謝謝閱讀