《月球科学概论》读书笔记01

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第二章 月球概述

月球是地球唯一的一颗天然卫星，不仅绕着地球公转，而且其和地球构成的行星系——地月系又以它们的公共质心一起围绕太阳运动。月球除了在一条椭圆形的轨道上绕地球逆时针公转外，还在逆时针的自转，由于月球的自转周期等于它绕地球的公转周期，导致其一面永远朝向地球，而另一面则永远背向地球。

表1 月球基本物理参数

1 月球与地月系

1.1 月球的运动

月球和地球的赤道与其轨道的几何关系如图1，其中月球赤道与月球轨道面的夹角为6°41´；月球轨道与黄道的夹角平均值为5°9´，夹角的变化范围4°57´~5°19´。

图1 月球绕地球的旋转轴和轨道几何关系

月球每天的东升西落是地球自转的反应，而月球的公转则反映在它在星座间的自西向东移动，其周期为一个恒星月，平均每天东移13°，也就是月出时间平均每天推迟50分钟。

月球公转轨道的长半轴平均值为384400千米，由于摄动作用，其变化可达2700千米；而月球轨道偏心率的平均值0.0549（1/18），由于摄动作用，平均每隔31.8天就会出现小的周期变化，幅度在1/15至1/23的范围内。月球的自转和公转如图2，月球自转一周时间等于一个恒星月（约地球上的30天），而月球上一昼夜等于一个朔望月（约地球上的28天）。

图2 月球运动的椭圆轨道

月球和地球都在绕着地月系统的质量中心转动，根据地月质量中心到地球中心和到月球中心的距离之比等于两者质量之反比，可以计算出其距地心约4671千米，距月心约379729千米，并且这个质量中心位于地球内部。月球运动的相关天文参数如表2。

表2 月球运动的轨道参数

 1.2 日、地、月相互关系

△ 月相

图3 月球的月相成因示意图

△  日食和月食

在月球运动过程中，当月球的影子扫过地面时，便产生了日食，当月球进入地球的阴影里时，便产生了月食。其中日食只能在朔日发生，月食只能在望日出现。

图4 日食的形成原理

图5 月食的形成原理

△  潮汐

由于两个物体之间万有引力和它们之间距离的平方成反比，再加上地面上各点与月球的距离不同，导致了这些地点所受月球引力的大小不尽相同，近月点所受月球的引力就要大于远月点。而正是因此，导致了近月点的海水被月球吸引上涨，即涨潮；而远月点的海水被月球吸引上涨的幅度相比近月点要小一些，相对于近月点有后退的倾向，即落潮。由于地球自转，月球每24小时50分钟就会经过某地天子午线，而在此期间地面上的每一点都会经历从近月点到远月点再到近月点的过程，从而产生两次涨潮和两次落潮的现象。

虽然太阳的引力也会产生日潮，但由于太阳到地球的距离远比月球到地球的距离长，导致了地球近日点和远日点之间所受到的太阳引力差远比其所受到的月球引力差要小，这就造成了太阳潮远比太阴潮要小。当朔和望发生时，太阳潮和太阴潮两者迭加，形成了大潮；而上弦月和下弦月时，太阳潮和太阴潮两者抵消，形成了小潮。除了海水外，地球岩石圈本身以及地球大气层也会受到潮汐的影响。

在长时间尺度上来看，潮汐也会影响地月系的演变。早在地月系刚形成时，月球自转速度、公转速度以及地球的自转速度都要比现在快很多，并且月球的公转轨道平均半径也要比现在短。正是因为潮汐的作用，导致了月球自转和公转减速，轨道平均半径变长，直至其自转和公转速度相等。在未来，潮汐作用还会继续降低地球的自转速度并增加月球的公转轨道平均半径，直至地球的自转与月球的公转同步，即地球只以一个面朝向月球。

2 月球和物理和化学特征

2.1 月球的物理特征

△ 重力场

△ 磁场

△ 大气

△ 反照率

△ 月表昼夜温差

△ 月表辐射环境

表3 月球和地球的物理参数对比表

 2.2 月球的化学特征

月球的整体化学特征如下：缺乏挥发性微量元素、铂族元素、铁族元素和亲硫微量元素等，富含铝、钙、钛和铀等难熔元素，氧元素丰度变化不大。此外，月球上铁与铝元素丰度具有负相关性。在月球高地斜长岩月壳富集难熔元素，推测月幔中相对缺乏这些元素，并且月壳中的稀土元素铕为正异常。而在月海玄武岩区铕为负异常，推测是因为月海玄武岩源区由于分离结晶过程斜长石带走了二价铕离子，组成月壳斜长岩，使源区贫铕。

在月球形成早期，随着熔融态物质的逐渐冷却凝固，形成了月球内部的圈层结构和早起月壳，月球高地月壳形成较早，并富含亲石难熔元素。由于大量陨石物质的广泛撞击使月球在39亿年前形成了月海，伴随着月球内部熔融物质的涌出和堆积，逐渐形成了带状分布的玄武岩源区。由于高地斜长岩月壳富集如K、Ba、Cs、Rb、U、Th和轻稀土元素，导致了月幔中相对缺乏这些元素。

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