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9.1: 月球的一般特性

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    学习目标

    在本节结束时，您将能够：

    • 讨论从载人和机器人月球探索中学到了什么
    • 描述月球的组成和结构

    月球的质量只有地球的八分之一，大约是地球表面重力的六分之一，太低了，无法保留大气层（图\(\PageIndex{1}\)）。 移动的气体分子可以像火箭一样从行星中逸出，重力越低，气体就越容易泄漏到太空中。 虽然月球可以通过撞击彗星获得临时大气层，但这种大气层很快就会因为冻结在地表或逃到周围空间而消失。 今天的月球严重缺乏各种挥发物，即那些在相对较低的温度下蒸发的元素和化合物。 表\(\PageIndex{1}\)中总结了月球的一些特性以及水星的比较值。

    月球的两面。
    图左\(\PageIndex{1}\)图显示了面向地球的半球的一部分；可以看到几个深色玛丽亚。 右图显示了半球的一部分远离地球；它以高地为主。 该图像的分辨率为几千米，类似于大功率双筒望远镜或小型望远镜的分辨率。
    表\(\PageIndex{1}\)：月球和水星的特性
    财产 月亮 水星
    质量（地球 = 1） 0.0123 0.055
    直径 (km) 3476 4878
    密度 (g/cm3) 3.3 5.4
    表面重力（地球 = 1） 0.17 0.38
    逃生速度 (km/s) 2.4 4.3
    轮换周期（天） 27.3 58.65
    表面积（地球 = 1） 0.27 0.38

    探索月球

    我们今天对月球的了解大部分来自美国的阿波罗计划，该计划在1968年至1972年间向我们的卫星发射了九艘驾驶航天器，使12名宇航员降落在月球表面（本章的缩略图）。 在航天器研究时代之前，天文学家以大约1公里的望远镜分辨率绘制了面向地球的月球侧面的地图，但月球地质学作为科学课题几乎不存在。 从1960年代初开始，一切都发生了变化。 最初，俄罗斯率先使用Luna 3进行月球探索，Luna 3于1959年返回了月球远端的第一张照片，然后是Luna 9号，后者于1966年降落在地表并将照片和其他数据传输到地球。 但是，1969年7月20日，当第一位美国宇航员踏上月球时，这些努力被掩盖了。

    下表\(\PageIndex{2}\)总结了九次阿波罗飞行：六次降落，另外三次在月球上盘旋但未降落。 出于安全考虑，最初的着陆点是在平坦的平原上进行的。 但是随着经验和信心的增强，美国宇航局将最后三次任务瞄准了地质上更有趣的地点。 每次飞行任务的科学探索水平也有所提高，因为宇航员在月球上停留的时间更长，携带的设备也更加精致。 最后，在阿波罗最后一次登陆时，美国宇航局在宇航员中包括了一位科学家，地质学家杰克·施密特（Jack Schmitt）（图\(9.1.2\)）。

    表\(\PageIndex{2}\)：阿波罗登月飞行
    飞行 日期 着陆地点 主要成就
    阿波罗 8 号 1968 年 12 月 — 第一个绕月飞的人类
    阿波罗 10 号 1969 年 5 月 — 首次在月球轨道上会合的航天器
    阿波罗 11 号 1969 年 7 月 Mare Tranquillitatis 人类首次登上月球；返回 22 公斤样本
    阿波罗 12 号 1969 年 11 月 Oceanus Procellarum 第一个阿波罗月球表面实验包 (ALSEP)；参观 Surveyor 3 着陆器
    阿波罗 13 号 1970 年 4 月 — 由于指挥模块爆炸，着陆中止
    阿波罗 14 1971 年 1 月 Mare Nubium 月球上的第一辆 “人力车”
    阿波罗 15 1971 年 7 月 Mare Imbrium/Hadley 第一个 “漫游者”；拜访哈德利·里尔；宇航员行驶了 24 公里
    阿波罗 16 1972 年 4 月 笛卡尔 首次登陆高地；返回 95 公斤样本
    阿波罗 17 1972 年 12 月 Taurus-Littrow 高地 船员中有地质学家；返回了111公斤样本
    月球上的科学家。
    \(\PageIndex{2}\)Figure Geologist（后来的美国参议员）哈里森· “杰克” · 施密特在月球高地边缘的利特洛谷的一块大巨石前。 注意无气月球上的天空有多黑。 看不见星星，因为表面被太阳明亮地照亮，因此曝光时间不足以露出恒星。

    除了降落在月球表面并进行近距离研究外，阿波罗任务还完成了对月球科学具有重要意义的三个目标。 首先，宇航员收集了将近400公斤的样本，用于在地球上进行详细的实验室分析（图\(\PageIndex{3}\)）。 这些样本揭示了有关月球及其历史的信息，与所有其他月球研究的总和一样多。 其次，每次阿波罗在第一次登陆之后都部署了阿波罗月球表面实验包（ALSEP），该实验包在宇航员离开后持续运行了多年。 第三，在轨道运行的阿波罗指挥舱携带了各种仪器，可以从上方拍摄和分析月球表面。

    处理月球岩石。
    人物\(\PageIndex{3}\)处理月球岩石。 在阿波罗计划中采集的月球样本经过分析并储存在德克萨斯州休斯敦约翰逊航天中心的美国宇航局设施中。 在这里，技术人员在密封的环境中戴着手套检查岩石样品，以免污染样品。

    最后一个人类于1972年12月离开月球，距离尼尔·阿姆斯特朗 “为人类实现巨大飞跃” 仅三年多一点。 由于政治和经济压力，月球探测计划在中途被切断。 每位美国人的花费仅为100美元左右，持续了10年，相当于每人每年一个大披萨。 然而，对许多人来说，登月是二十世纪历史上的中心事件之一。

    为登月而建造的巨型阿波罗火箭在佛罗里达州、德克萨斯州和阿拉巴马州的美国宇航局中心的草坪上生锈，尽管最近，有些火箭至少被转移到室内博物馆（图\(\PageIndex{4}\)）。 如今，美国宇航局和俄罗斯都没有计划将宇航员送上月球，而中国似乎是最有可能尝试这一壮举的国家。 （具有讽刺意味的是，有几个人甚至质疑我们是否登上了月球，反而提出，阿波罗节目是假的，是在好莱坞音响舞台上拍摄的。 有关一些科学家对此类说法的回复，请参见下方的方框。） 但是，科学界对月球的兴趣比以往任何时候都强，在过去的十年中，来自美国宇航局、欧空局、日本、印度和中国的六艘科学航天器已经绕轨道运行或降落在我们最近的邻国上。

    阅读《大月骗局》，了解美国宇航局从未成功地将人送上月球的说法。

    展出的月球火箭。
    图\(\PageIndex{4}\)一枚为登月而建造的未使用的土星五号火箭现在已成为休斯敦美国宇航局约翰逊航天中心的旅游胜地，尽管自拍摄这张照片以来它已被移至室内。

    月球探索已成为一项国际企业，许多机器人航天器都专注于月球科学。 苏联在20世纪60年代发送了一个数字，包括机器人样本返回。 表中\(\PageIndex{3}\)列出了一些最新的登月任务。

    表\(\PageIndex{3}\)：一些国际登月任务
    发布年份 太空船 任务类型 中介机构
    1994 克莱门汀 轨道飞行器 我们（美国空军/美国航空航天局）
    1998 月球探矿者 轨道飞行器 我们（美国国家航空航天局）
    2003 SMART-1 轨道飞行器 欧洲（欧空局）
    2007 SELENE 1 轨道飞行器 日本（日本宇宙航空研究开发机构）
    2007 Change'e 1 轨道飞行器 中国 (CNSA)
    2008 Chandrayaan-1 轨道飞行器 印度（印度空间研究组织）
    2009 哈哈 轨道飞行器 我们（美国国家航空航天局）
    2009 LCROSS 撞击者 我们（美国国家航空航天局）
    2010 Change'e 2 轨道飞行器 中国 (CNSA)
    2011 圣杯 双轨道飞行器 我们（美国国家航空航天局）
    2013 LADEE 轨道飞行器 我们（美国国家航空航天局）
    2013 Change'e 3 Lander/Rover 中国 (CNSA)
    2018 Change'e 4 Farside 的 Lander/Rover 中国 (CNSA)

    月球的组成和结构

    月球的组成与地球的组成不同。 月球的平均密度仅为3.3 g/cm 3，因此必须几乎完全由硅酸盐岩制成。 与地球相比，它已经耗尽了铁和其他金属。 好像月球是由与地幔和地壳相同的硅酸盐组成的，金属和挥发物有选择地去除。 地球和月球构成的这些差异为月球起源提供了重要线索，我们将在本章后面详细介绍这个话题。

    作为阿波罗计划的一部分，使用带到月球的地震仪对月球内部进行的研究证实没有大型金属芯。 2011年发射到月球轨道的双GRAIL航天器提供了对内部结构的更精确的跟踪。 我们还从月球样本研究中得知，月球地壳中的水和其他挥发物已经耗尽。 这些样本中检测到的少量水最初归因于容器封条中的小泄漏，这些漏水会吸收来自地球大气层的水蒸气。 但是，科学家们现在得出结论，月球岩石中存在一些化学结合的水。

    最引人注目的是，在月球极点附近的永久阴影陨石坑中发现了水冰。 2009年，美国宇航局将一艘名为月球火山口观测和传感卫星（LCROSS）的小型航天器撞向了月球南极附近的火山口卡贝乌斯。 以每小时 9,000 公里的速度撞击释放的能量相当于 2 吨炸药，在地表上空喷射出大量的水蒸气和其他化学物质。 环绕月球轨道的望远镜可以看到这种羽流，而且 LCROSS 航天器本身在飞过羽流时进行了测量。 一艘名为月球侦察轨道器（LRO）的美国宇航局航天器也测量了几个月球陨石坑内的极低温度，其灵敏摄像机甚至能够通过星光对火山口内部进行成像。

    据估计，月球极地陨石坑中的水冰总量为数千亿吨。 作为液体，这只足以填满 100 英里外的湖泊，但与其他干燥的月壳相比，如此多的水是显著的。 据推测，这种极地水是由撞击其表面的彗星和小行星带到月球的。 一小部分水冻结在太阳永远不会照耀的几个极冷区域（冷陷阱），例如月球两极深的陨石坑底部。 这一发现可能很重要的原因之一是，它增加了将来人类在月球极附近居住的可能性，甚至有可能将月球基地作为通往火星和太阳系其余部分的路线上的中转站。 如果能够开采冰块，它将产生水和氧气以供人类维持，并且可以分解成氢气和氧气，一种强效的火箭燃料。

    摘要

    我们对月球的了解大部分来自阿波罗计划，包括仍在深入研究的400公斤月球样本。 月球的质量是地球的八分之一，金属和挥发性物质都严重枯竭。 它几乎完全由硅酸盐制成，就像地幔和地壳中的硅酸盐一样。 但是，最近的航天器发现了月球极附近有少量水的证据，这些水很可能是彗星和小行星撞击沉积的。