月球
月球(the Moon)是地球唯一的天然卫星,也是太阳系中相对其母行星体积最大的卫星之一。它是夜空中最易观测、细节最丰富的天体,其相位、运动与轨道规律既是入门天文的基础内容,也直接影响深空摄影的拍摄时机。本页按基本参数、月相周期、天平动、月面地形、月食、超级月亮与摄影影响的顺序展开。
基本参数与轨道
Section titled “基本参数与轨道”月球以略微偏心的椭圆轨道绕地球公转,并因潮汐锁定(tidal locking)始终以同一面朝向地球。下表列出主要物理与轨道参数(数值取自天文测量结果)。
| 参数 | 数值 | 说明 |
|---|---|---|
| 平均距离 | 约 384,400 km | 地心到月心,约相当于 30 倍地球直径、1.3 光秒 |
| 近地点(perigee) | 约 363,300 km | 轨道最近点 |
| 远地点(apogee) | 约 405,500 km | 轨道最远点 |
| 轨道偏心率(eccentricity) | 0.055 | 偏心率较小,但足以造成约 14% 的视直径变化 |
| 赤道直径 | 3,474 km | 约为地球直径的 1/4 |
| 平均半径 | 1,737.4 km | — |
| 质量 | 7.35×10²² kg | 约为地球质量的 1.2% |
| 表面重力 | 1.62 m/s² | 约为地球的 1/6(0.165 g) |
| 几何反照率(albedo) | 约 0.12 | 月面整体偏暗,反射率接近沥青 |
| 恒星月(sidereal month) | 27.32 天 | 相对恒星背景公转一周 |
| 朔望月(synodic month) | 29.53 天 | 相位循环一周(下文详述) |
| 表面温度 | 约 −173 ℃ 至 127 ℃ | 无大气调节,昼夜温差极大 |
关于月球的起源,目前主流学说为大碰撞假说(giant-impact hypothesis):约 45 亿年前一颗火星大小的天体「忒伊亚(Theia)」撞击原始地球,抛出的物质在地球轨道上聚集形成月球。这解释了月球密度偏低、铁核较小以及与地球同位素组成相近等观测事实。
月相成因与周期
Section titled “月相成因与周期”月相(lunar phases)的本质是:观测者看到的是月球被太阳照亮的半球中朝向地球的那一部分。月球本身不发光,随其绕地球公转,日—地—月三者的张角(称为相位角)不断改变,被照亮部分对地球的可见比例(照明比例,illuminated fraction)随之变化。月相变化与月球在轨道上的远近、明暗无关,只取决于三者的相对几何位置。
一个完整的相位循环包含八个阶段,月龄(自新月起算的天数)与升落时段如下表(北半球、月球位于天赤道附近时的近似值):
| 月相 | 照明比例 | 月龄(天) | 升 / 中天 / 落(近似) |
|---|---|---|---|
| 新月 New Moon | 0% | 0 | 6:00 / 12:00 / 18:00,与太阳同升落,几乎不可见 |
| 蛾眉月 Waxing Crescent | 1%–49% | 约 3.7 | 上午升起,傍晚西方低空可见 |
| 上弦 First Quarter | 50% | 约 7.4 | 12:00 / 18:00 / 0:00,前半夜可见 |
| 盈凸月 Waxing Gibbous | 51%–99% | 约 11 | 下午升起,后半夜前西落 |
| 满月 Full Moon | 100% | 约 14.8 | 18:00 / 0:00 / 6:00,日落东升、日出西落,整夜可见 |
| 亏凸月 Waning Gibbous | 99%–51% | 约 18 | 入夜后升起,清晨仍在天空 |
| 下弦 Last Quarter | 50% | 约 22 | 0:00 / 6:00 / 12:00,后半夜可见 |
| 残月 Waning Crescent | 49%–1% | 约 26 | 黎明前东方低空可见 |
朔望月与恒星月的区别
Section titled “朔望月与恒星月的区别”从一次新月到下一次新月称为一个朔望月(synodic month)= 29.53 天;月球相对遥远恒星背景公转一周称为恒星月(sidereal month)= 27.32 天。朔望月比恒星月长约 2.2 天,原因在于:月球公转期间,地球也带着月球绕太阳前进了一段,月球必须额外多转约 27 度,才能重新追上日—地—月的同一相位张角。换言之,月球每年绕地球约 13.4 圈,但只有约 12.4 次回到日—地—月同一相位位置。
天平动与可见月面
Section titled “天平动与可见月面”月球被地球潮汐锁定,自转周期与公转周期严格相等(1:1 自转—轨道共振),因此总以「同一张脸」朝向地球。若严格只看半球,可见月面应为 50%。但由于天平动(libration)——月面相对地球视线方向的微小周期性摆动——长期累计可见约 59% 的月面,比刚性锁定多出约 9%。天平动分为以下几类:
| 类型 | 振幅 | 成因 |
|---|---|---|
| 经度天平动(libration in longitude) | 约 ±7.9° | 轨道为椭圆,公转角速度时快时慢,而自转匀速,使月面在东西方向「摆头」,交替露出东西边缘 |
| 纬度天平动(libration in latitude) | 约 ±6.7° | 月球自转轴相对轨道面有约 6.7° 倾角,使南北两极附近交替进入视野 |
| 周日天平动(diurnal libration) | 小于 1° | 地球自转使观测者从月出到月落改变视角(视差效应),露出少量边缘 |
以上三者属于光学天平动(optical libration),是观测几何造成的视觉效果。此外还有振幅极小的物理天平动(physical libration),源于月球实际受引力矩作用产生的真实摆动,从地球看不足 1 角秒。需注意:天平动让我们累计看到 59% 的月面,但月球仍有约 41% 永远无法从地球直接观测,即所谓的「月背」(并非「永远黑暗」,月背同样接受日照)。
用双筒镜或小型望远镜即可分辨月面的主要地形单元。下表列出常见类型:
| 地形 | 英文 | 特征 |
|---|---|---|
| 月海 | maria | 广阔暗色平原,实为远古火山喷发的玄武岩熔岩流冷却而成,含铁量高、反照率低;如雨海、静海(阿波罗 11 号着陆地) |
| 月陆 / 高地 | highlands / terrae | 明亮、古老、密布撞击坑的高地,主要由斜长岩构成,反照率高 |
| 环形山 / 撞击坑 | craters | 陨石撞击形成的圆形坑,大小从米级到数百公里,常带中央峰与坑壁阶地 |
| 辐射纹 | rays | 由年轻撞击坑向外喷溅的明亮条纹,可延伸数百至上千公里,满月时最明显(如第谷坑) |
| 月溪 | rilles | 蜿蜒或线状的沟槽,部分为熔岩管塌陷或构造断裂形成 |
| 山脉与峭壁 | montes / rupes | 多为撞击盆地的隆起边缘 |
月海主要形成于约 33 亿至 37 亿年前的火山活动期,集中分布在月球正面;月陆则更为古老。月面缺乏大气和液态水,撞击坑得以长期保存,密度可用于推算地表年龄。
当满月恰好运行进入地球的影子时发生月食(lunar eclipse)。此时日—地—月接近一条直线,地球挡住射向月球的直射阳光。地球影子分为两层:
- 本影(umbra):阳光被完全遮挡的中心暗区。
- 半影(penumbra):阳光被部分遮挡的外围过渡区。
据月球进入影区的程度,月食分为三类:
| 类型 | 英文 | 现象 |
|---|---|---|
| 半影月食 | penumbral | 月球仅进入半影,只是整体略微变暗,肉眼不易察觉 |
| 月偏食 | partial | 月球部分进入本影,出现明显的暗缺口 |
| 月全食 | total | 月球完全进入本影,月面整体变暗并常呈暗红色 |
月全食时月面并非全黑,而常呈暗红色,即俗称的「血月」。原因是地球大气将部分阳光折射并散射进本影区:阳光穿过厚厚的地球大气层时,波长较短的蓝光被瑞利散射大量散去,波长较长的红光得以穿透并折射到月面——这与日出日落天空泛红同源。月全食的具体颜色与亮度取决于地球大气的尘埃和云量,可用**丹戎标度(Danjon scale,L=0 至 4)**定量描述,从近乎全黑(L=0)到明亮的铜红色(L=4)不等。
为何并非每次满月都月食
Section titled “为何并非每次满月都月食”月球轨道面相对地球公转的黄道面有约 5° 倾角,大多数满月时月球从地球影子的上方或下方掠过,不会进入本影。只有当满月恰好接近黄白交点(轨道交点)所在的「食季」时,三者才足够共线而发生月食。21 世纪平均每年约 2.28 次月食。
超级月亮(supermoon)指满月(或新月)恰好发生在或接近近地点时的现象,术语上称为「近地点朔望(perigee syzygy)」,其中 syzygy(朔望)指日—地—月三者成一线。由于此时月球距地球较近,月面视直径与亮度略大于平均:
- 近地点满月比远地点满月视直径大约 14%、亮度高约 30%。
- 超级月亮相对平均满月约大 7%、亮约 15%——差异在肉眼下并不显著,容易被高估。
- 相反,远地点附近的满月称为微月(micromoon),视直径与亮度偏小。
需要说明的是,「月亮初升时看起来特别大」主要是**月球错觉(moon illusion)**这一心理视觉现象,与超级月亮无关;实测视直径在月升与高悬时几乎相同。月相、视直径等概念可参见视星等与亮度与天体的周日视运动。
潮汐与地月系统
Section titled “潮汐与地月系统”月球(及太阳)的引力在地球上造成潮汐隆起。由于地球各处到月球的距离不同,引力差(潮汐力)使海水在朝向和背向月球的两侧同时隆起,地球自转使大多数海岸每天经历约两次涨落。太阳的潮汐力约为月球的一半:当日—地—月接近共线(新月、满月)时两者叠加,形成大潮(spring tide);上弦、下弦时太阳与月球潮汐部分抵消,形成小潮(neap tide)。潮汐摩擦同时使地球自转逐渐变慢、月球轨道逐渐外移,这正是地月系统角动量长期演化的体现。
月龄对深空摄影的影响
Section titled “月龄对深空摄影的影响”对深空摄影而言,月光是仅次于人造光的主要光害来源。临近满月时,明亮月光经大气散射会大幅抬高天空背景亮度,淹没星云、星系的暗弱信号,显著降低信噪比。月龄、月亮升落时刻与月面照明比例因此是排期的关键变量:
| 时段 | 月光条件 | 适宜拍摄对象 |
|---|---|---|
| 新月前后(暗月期) | 几乎无月光 | 暗弱星系、宽带(RGB / LRGB)星云 |
| 上弦 / 下弦 | 半月,半夜部分时段无月 | 利用月落后或月升前的窗口拍深空 |
| 满月前后 | 强月光,整夜明亮 | 月球、行星;或用窄带滤镜透过 Hα、OIII、SII 发射线减轻月光影响 |
若要将月球本身拍清晰,月面属于高分辨率、行星级的拍摄对象,采集与处理方法见行星与月面摄影。
- Moon — Wikipedia:月球的基本物理与轨道参数、地形与起源的综合条目。
- Lunar phase — Wikipedia:月相序列、月龄、朔望月与恒星月差异及地球反照光说明。
- Libration — Wikipedia:经度、纬度、周日及物理天平动的成因与振幅、59% 可见月面。
- Lunar eclipse — Wikipedia:本影/半影、月食分类、血月成因、丹戎标度及与日食的区别。
- Supermoon — Wikipedia:近地点朔望定义及超级月亮、微月的视直径与亮度变化数值。
- Moon Facts — NASA Science:NASA 提供的月球关键参数与潮汐、地月距离演化等事实核验。