第三节 月球和地月系月球的特性月球的运动1、月球的特性u地球的天然卫星月球是地球的惟一天然卫卫星。地球和月球相互吸引和共同 绕转绕转 ，构成了地月系。由于月球绕地球、地球绕太阳的 运动，产生了有目共睹的月相变化和日食、月食等天文 现象。月球概况 月球研究简史：u从“嫦娥奔月”的神话传说话传说 到“阿波罗罗登月”，人 类对类对 月球的研究已有几千年的历历史了。u1959年10月原苏联“登月3号”探测器首先实现了 环绕月球的运行，拍下了月球背面的照 片。u1969年7月美国“阿波罗”11号飞船登月成功，三 名宇航员踏上了月球大地。宇航员阿姆斯特朗说；“ 对个人来说，这是一小步，但对人类来说，这是跨了 一大步！”自此揭开了人类步入宇宙的新纪元。u直至1972年，“阿波罗罗”飞飞船先后6次降落月面， 进进行了大量的科学考察，建立了科学观测观测 站。u1999年8月1日，美国成功地将探测测器“月球勘探 者”号以6100km/h的高速撞向月球南极的一个火 山口内，但撞击击后未探测测到任何水蒸气或其他显显示 有水的迹象。相信不久的将来，月球将会成为为人类类 开发发宇宙的重要基地。月球的距离、质质量和大小 （1）月球的距离 月球是距离地球最近的天体。 月地距离的测测量，最早是用三角视视差法，测测得的距离约约 384400Km，误误差达3.2km以上。 20世纪纪60年代，雷达天文学的发发展，提高了天体的测测距精度， 从而测测得较较准确的月地距离为为3844021km。激光测测距：人们们利用宇航员员在月面上安置的激光反射镜镜来测测月 地距离，由于激光比无线电线电 波的波束更集中，方向性好、单单 色性强，很容易使回波与背景的太阳光区别别开来，故使测测距 精度大大提高。目前已将月地距离精度提高到8cm。 激光测距原理：是从地面向月球（或行星）发射无线电或激光讯号，记下发 射讯号的时刻(t1)，当讯号到达月面再返回地面观测站时，再记下接收的 时刻(t2)，无线电波传播的速度为光速(c)。于是，可由下式求取月地距离 ： dc(t2- t1)/2现现在国际际上采用的月地平均距离为为384401km（2）月球的质量月球质质量的测测定比较较困难难。目前是采用测测定地月系统统的质质心c 的位置，从地月系质质心分别别至地球和月球质质心的距离之比， 即为为二者质质量的反比率。以此来推算出月地的质质量比。如 图图所示，地、月的质质量分别为别为 m，m，地月系质质心距地 心为为x，月地距离为为d，则则根据力矩定律得关系式： m(d-x)mxm/m=x/(d-x)由观测太阳黄经的变化，得出x的平均值为4671km，这样 可算出月地二者的质量比： m/m=1/81.3已知地球的质量为5.981024Kg， 则月球的质量为7.361022Kg.由球面三角公式可知，天体的线线半径与视视半径有如下关系式：R=dsin（3）月球的大小=1533（平均值） d384401kmR=1738km约地球半径1/4倍平均密度 3.34g/cm3，比地球平均密度5.528g/cm3小。体积 V月4/3R月3=2.1991010km3，约地球体积的1/49。月球表面的重力加速度是1.62m/s2，约为地球表面重力加速 度的1/6。月球重力小，是造成它与地球完全不同的自然状况 的主要原因。月球的自然状况（1）月球几乎没有大气，其主要成分是氦和氩氩，密 度很小。月球即使曾经有过大气，由于月面的重力小，它的逃逸速度也 很小，只有2.4km/s（地面上是11.2km/s），在常温下氧和氮 分子热运动的速度已超过这个速度，从而使之逃逸到太空去 。（2）声音得不到传播，白天天空也是一片漆黑，星 星、太阳、地球同时出现在天空。没有大气，声音得不到传播，登月飞行的宇航员形容月球“有 一种自成一格的荒凉之美”。没有大气对光的散射作用，月 球上见不到“蔚蓝色”的天空，也没有迷人的晨昏朦影，即 使在白天。白昼和黑夜都是突然来临，星星、太阳、地球同 时出现在天空。（3）无法保持水分，没有风风云变变幻。没有大气也就无法保持水分，故月球上没有风云变幻，不见雨露 霜雪，也不会出现雷电和彩虹，不用做天气预报。（4）由于月球没有大气干扰扰，清晰度极佳，是天文观观 测测的好基地。（5）月面上温度变化十分剧烈。因得不到大气和水分的调节，加上月球上的昼夜漫长（一昼夜 为一个朔望月）。白天，在太阳直射下，温度可高达130- 140，黎明前可下降到-173。登月考察证明，月球表面被 一层平均约10cm厚的细沙粒层所覆盖。（6）月球上难以存在生命。没有大气、没有水分、温度变化剧烈，因此，月球上难以存在 生命。虽然在月球物质中已发现各种有机化合物，但目前在月 面上没有任何证据表明存在有生命能力的有机体。补图 月球上看地球 （天空一片漆黑） 月球的表面特征与内部结结构A、月球的表面特征由于月面对光的反射特性的差异，我们在地球上 用肉眼观察月球，可看到月面上明暗不均的现象 。当我们用望远镜观察月面时，则可清楚地看到 高低不平的外貌，以及复杂的结构特征，其主要 月貌类型有：(1)月陆月面上比较较明亮部分是高地，称为为月陆。 月陆是月面上的高地，因为它的反照率较高，故月陆看起来比较 明亮。由大面积的熔融结晶的岩石覆盖，是月球最古老的岩石， 年龄约41-46亿年。(2)环形山（“月坑”）整个月面遍布一种四周凸起、中部低凹的环形隆起，叫做环形山是 月面上最显著的特征。据统计，直径大于lkm的环形山总数约33000多个。最小的不到1m 。最大的直径为235km，可容纳整个海南岛。天文学家认为，绝大 多数环形山为陨星撞击而成，少数是火山造成。大且复杂的环形山 坑壁呈台阶状，中央有突起；年轻的环形山周围还保留有清晰的辐 射状的溅射物，称“辐射纹”。月面上带有辐射纹的环形山约有50 个，著名的有第谷环形山，其直径86km，有辐射纹12条，最长达 3000km。(3)山脉月面上有一些类似地球上的山脉，且借用地球上山脉名字来 命名，如阿尔卑斯山脉、高加索山脉等。其中最长的亚平 宁山脉，长1000km。在月球南极附近的山峰高达8000 9000m。(4)月海肉眼所见月面上暗黑的区域称“月海”。月海是月面上广阔的低平原，滴水均无。已知的月海有22个，绝大 部分分布在月球正面。月海比月陆低2-3km，且比月陆年轻，约 形成于3931亿年前。其中最大的“风暴洋”，面积约500万km2 ；较大的月海还有西部的危海、澄海、静海、丰富海和酒海，东 部的风暴洋、雨海、云海、湿海和汽海。(5)月谷和月溪 月谷类类似地球上的大裂谷。较宽的大月谷多出现在月陆较平坦的地区。最长的月谷达 500km，宽20-30km。月面上的细小的月谷和月溪，在月陆 和月海中均有发现。月球的背面也有同正面一样的地形，只是“海”的面积较小 ，而环形山很多，其中有5座是以中国人命名的，他们是石 申、张衡、祖冲之、郭守敬和“万户”(中国古代官职名)。 补图2-31 月球正面 补图2-32 月球背面 月球的背面 也有同正面 一样的地形 ，只是“海 ”的面积较 小，而环形 山很多，其 中有5座是 以中国人命 名的，他们 是石申、张 衡、祖冲之 、郭守敬和 “万户”( 中国古代官 职名)。 补图2-33 月球背面环行山 B、月球的内部结构据月震资资料分析表明，月球内部构造与地球相似，可 分月壳、月幔和月核三个同心圈层。月壳厚约60km，月面下60-1000km为月幔， 1000km以下为月核。月壳和月幔组成刚性的岩石圈，月核为软流圈，温度约 1000K，可能是由硅酸盐类物质组成，不是地球那样 的金属核。因此，它的密度比地球小得多。空间间探测发现测发现 ，在某些月“海”表面有特别别强的重 力场场，表明那里的物质质凝聚特别别集中，被称为为“重 力瘤”。目前已发现发现 12处处重力瘤，它们们全部都集中 在月球的正面。这说这说 明月球内部物质质分布不均，也 是探寻寻月球矿矿床的可能区域。月球几乎没有磁场场，太阳风风的粒子和宇宙线线可以直 接轰击轰击 月面。但是，已发现发现 月岩中含有微弱的剩余 磁性，其原因尚无公认认的解释释。2、月球的运动月球的公转运动 月球的自转运动 日月会合运动与月相月球的公转转运动动（一）月球轨道 月球绕绕地球的运动动，称为为月球的公转运动。但严格地讲，是月 球和地球绕其公共质心的运动，只因其公共质心仍位于地球 内部，故可简单地把月球的公转看成是绕地球(或地心)的运动 。特征： 1、月球公转轨道（地心轨道）是一个椭圆月地平均距离为 384401km。轨道偏心率为0.0549，近地点 的平均距离为363300Km，远地点的平均距离为405500km。 月球的视半径相应地变化于 1646 14 41之间 2、日心轨道月球在绕地球旋转的同时，还随地球绕太阳运行，所以，月 球运行的日心轨道是月球绕地球、地球绕太阳两种运动的合 成(图2.12)。3、“白道”、“黄白交角”、“升交点”、“降交点”月球公转轨转轨 道在天球上的投影叫做“白道”。白道面相对于黄道面平均有509的倾角，叫做“黄白交角” 。月球在白道上运行，相对于黄道而言，月球从黄道以南进 入黄道以北的那个交点叫“升交点”；相反，月球从黄道以 北进入黄道以南的那个交点，叫“降交点”。 4、月球轨道交点移动的一个周期内，月球的升、降交点总 有与春分点重合的机会由于太阳引力的影响，月球轨道交点沿黄道不断西移，每年 西移约19.4，即18.6年移动一周。在移动的一个周期内 ，月球的升、降交点总有与春分点重合的机会。黄白交角升交点降交点如图图2.13所示，当升交点与春分点重合时时(左图图)，白 道与天赤道的夹夹角最大，即月球赤纬纬最大，其变变化幅 度为为月(2326+509)土2835；当降交点与春分点重合时时(右图图)，白道与天赤道的夹夹 角最小，即月球赤纬纬最小，其变变化幅度为为月 (2326-509)土1817。月球赤纬纬的变变化幅度，就决定了某地所见见月球的地平 高度的变变化幅度，也是我们们所见见月球离地面有高低 变变化之原因。1、同步自转u在长长期的观测观测 中，人们总们总 是只看到月球的半边脸边脸 ，并 认为认为 月球没有自转转运动动。事实实恰好相反，这这个现现象正 表明了月球有自转转运动动。只是因为为月球的自转方向和 周期与它公转相同所致，天文学上称这种自转叫“同步 自转”。即月球的自转周期为一个恒星月(27.3217日) 。u如图2.15所示：月球在M1时，月面上a点正对地球E， 当月球公转90到达此时，月球也自转了90,月面上a点 依然对准地球，依次类推。月球从 M1M2M3M4M1，公转了一周，月球本身也以 同样的速度自转了一周。这样月面上的a点总是对着地 球。月球的自转运动2、地球上可以看到59的月面积月球总总是一面向着地球，这这只是近似的说说法。实际实际 上，我们们可以 看到59的月面积积。这这是因为为月球公转转速度的不均匀造成的“ 经度天平动”和月球自转轴8321的倾斜造成的“纬度天平动 ”所致，使我们能多看到9的月面积。月球的同步自转，使得地球 上人们看到的月球，大体是 相同的半个月球。月球公转的周期与速度1、周期：月球绕绕地球运行一周的时间时间 叫做月球的公转周期。由于选择的 参考点不同，而有各种不同的月：恒星月：以恒星为参考点，指月球中心连续两次自西向东回 到同一恒星方向上所经历的时间，约27.3217日。它是月球公 转360所需的时间，是月球公转的真正周期。朔望月：以太阳为为参考点，是月球连续连续 两次“合朔”(或合望 )的时间间时间间 隔，约约29.5306日。它是日月会合运动动的周期，也 是月相变化周期。交点月：以黄白交点为参考点，指月球中心连续两次通过同 一黄白交点的时间间隔，长度约27.2122日。近点月：以近地点为参考点，指月球中心