第一章 第三节 月球和地月系

1、第三节月球和地月系月球的特性月球的特性月球的运动月球的运动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星。地球和月球相互吸引和共同绕转，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”的神话传说到“阿波罗登月”，人类对月球的研究已有几千年的历史了。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

2、人类步入宇宙的新纪元。u直至1972年，“阿波罗”飞船先后6次降落月面，进行了大量的科学考察，建立了科学观测站。u1999年8月1日，美国成功地将探测器“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，但撞击后未探测到任何水蒸气或其他显示有水的迹象。相信不久的将来，月球将会成为人类开发宇宙的重要基地。月球的距离、质量和大小（1）月球的距离月球是距离地球最近的天体。月地距离的测量，最早是用三角视差法，测得的距离约384400Km，误差达3.2km以上。20世纪60年代，雷达天文学的发展，提高了天体的测距精度，从而测得较准确的月地距离为3844021km。激光测距：人们利用宇航员

3、在月面上安置的激光反射镜来测月地距离，由于激光比无线电波的波束更集中，方向性好、单色性强，很容易使回波与背景的太阳光区别开来，故使测距精度大大提高。目前已将月地距离精度提高到8cm。激光测距原理：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射讯号的时刻(t(t1 1) )，当讯号到达月面再返回地面观测站时，再记下接收的，当讯号到达月面再返回地面观测站时，再记下接收的时刻时刻(t(t2 2) )，无线电波传播的速度为光速，无线电波传播的速度为光速(c)(c)。于是，可由下式求取月地距离：。于是，可由下式求取月地

4、距离：dc(t2- t1)/2现在国际上采用的月地平均距离为384401km（2）月球的质量月球质量的测定比较困难。目前是采用测定地月系统的质心c的位置，从地月系质心分别至地球和月球质心的距离之比，即为二者质量的反比率。以此来推算出月地的质量比。如图所示，地、月的质量分别为m，m，地月系质心距地心为x，月地距离为d，则根据力矩定律得关系式： m(d-x)mx m/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，天体的线半径与视半径

5、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，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，只有很小，只有2.4km/s2.4

6、km/s（地面上是（地面上是11.2km/s11.2km/s），在常温下氧和氮），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。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没有大气，声音得不到传播，登月飞行的宇航员形容月球“有有一种自成一格的荒凉之美一种自成一格的荒凉之美”。没有大气对光的散射作用，月。没有大气对光的散射作用，月球上见不到球上见不到“蔚蓝色蔚蓝色”的天空，也没有迷人的晨昏朦影，即的天空，也没有迷人的晨昏朦影，即使在白天。白

7、昼和黑夜都是突然来临，星星、太阳、地球同使在白天。白昼和黑夜都是突然来临，星星、太阳、地球同时出现在天空。时出现在天空。（3）无法保持水分，没有风云变幻。 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。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，清晰度极佳，是天文观测的好基地。（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

8、达为一个朔望月）。白天，在太阳直射下，温度可高达130-130-140140，黎明前可下降到，黎明前可下降到-173-173。登月考察证明，月球表面被。登月考察证明，月球表面被一层平均约一层平均约10cm10cm厚的细沙粒层所覆盖。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。面上没有任何证据表明存在有生命能力的有机体。补图补图 月球上

9、看地球月球上看地球（天空一片漆黑天空一片漆黑） 月球的表面特征与内部结构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 月面上比较明亮部分是高地，称为月陆。月陆是月面上的月陆是月面上的高地高地，因为它的，因为它的反照率较高反照率较高，故月陆看起来比较，故月陆看起来比较明亮。由大面积的明亮。由大面积的熔融结晶的岩石熔融结晶的岩石覆盖，是月球最古老的岩石，覆盖，是月球最古老的岩石，年龄约年龄约41-4641-46亿年。亿年。(2)环形山（

10、“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，直径大于据统计，直径大于lkmlkm的环形山总数约的环形山总数约3300033000多个。最小的不到多个。最小的不到1m1m。最大的直径为最大的直径为235km235km，可容纳整个海南岛。天文学家认为，可容纳整个海南岛。天文学家认为，绝大多绝大多数环形山为陨星撞击而成，少数是火山造成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。大且复杂的环形山坑壁呈台阶状，中央有突起；年轻的壁呈台阶状，中央有突起；年轻的环形山周围还保留有清晰的辐射环形山周围还保留有清晰的辐射状的溅射物状的溅射物

11、，称，称“辐射纹辐射纹”。月面上带有辐射纹的环形山约有。月面上带有辐射纹的环形山约有5050个，个，著名的有著名的有第谷环形山第谷环形山，其直径，其直径86km86km，有辐射纹，有辐射纹1212条，最长达条，最长达3000km3000km。(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，长宁山脉，长1000km1000km。在月球南极附近的山峰高达。在月球南极附近的山峰高达800080009000m9000m。(4)月海

12、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。已知的月海有月海是月面上广阔的低平原，滴水均无。已知的月海有2222个，绝大个，绝大部分分布在月球正面。月海比月陆低部分分布在月球正面。月海比月陆低2-3km2-3km，且比月陆年轻，约，且比月陆年轻，约形成于形成于39313931亿年前。其中最大的亿年前。其中最大的“风暴洋风暴洋”，面积约，面积约500500万万kmkm2 2；较大的月海还有西部的较大的月海还有西部的危海、澄海、静海、丰富海危海、澄海、静海、丰富海和和酒海酒海，东部，东部的的风暴洋、雨海、云海、湿海和汽海风暴洋、雨海、云海、湿海和汽海。(5)月谷和月溪

13、月谷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。最长的月谷达较宽的大月谷多出现在月陆较平坦的地区。最长的月谷达500km500km，宽，宽20-30km20-30km。月面上的细小的月谷和月溪，在月陆。月面上的细小的月谷和月溪，在月陆和月海中均有发现。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)。 补图补图2-31 月球正面月球正面 补图补图2-32 月球背面月球背面 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

14、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)。 补图补图2-33 月球背面环行山月球背面环行山 B、月球的内部结构据月震资料分析表明，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。空间探测发现，在某些月“海”表面有特别强的重力场，表明那里的物质凝聚特别集中，被称为“重力瘤”。目前已发现12处重力瘤，它们全部都集中在月球的正面。这说明月球内部物质分布

15、不均，也是探寻月球矿床的可能区域。月球几乎没有磁场，太阳风的粒子和宇宙线可以直接轰击月面。但是，已发现月岩中含有微弱的剩余磁性，其原因尚无公认的解释。2、月球的运动月球的公转运动月球的公转运动月球的自转运动月球的自转运动日月会合运动与月相日月会合运动与月相月球的公转运动（一）月球轨道月球绕地球的运动，称为月球的公转运动。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（月球公转轨道（地心轨道）是一个椭圆）是一个椭圆 月地平均距离为月地平均距离为 384401km384401km。轨道偏心率为。轨

16、道偏心率为0.05490.0549，近地点，近地点的平均距离为的平均距离为363300Km363300Km，远地点，远地点的平均距离为的平均距离为405500km405500km。月球的视半径相应地变化于月球的视半径相应地变化于 1646 14 411646 14 41之间之间2、日心轨道、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，月球运行的球运行的日心轨道日心轨道是月球绕地球、地球绕太阳两种运动的合是月球绕地球、地球绕太阳两种运动的合成成( (图图2.12)2.12)。3、“白道”、“黄白交角”、“升交点”、“降交点”月球

17、公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。黄白交角黄白交角升交点升交点降交点降交点如图2.13所示，当升交点与春分点重合时(左图)，白道与天赤道的夹角最大，即月球赤纬最大，其变化幅度为

18、月(2326+509)土2835；当降交点与春分点重合时(右图)，白道与天赤道的夹角最小，即月球赤纬最小，其变化幅度为月(2326-509)土1817。月球赤纬的变化幅度，就决定了某地所见月球的地平高度的变化幅度，也是我们所见月球离地面有高低变化之原因。1、同步自转u在长期的观测中，人们总是只看到月球的半边脸，并认为月球没有自转运动。事实恰好相反，这个现象正表明了月球有自转运动。只是因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

19、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的月面积月球总是一面向着地球，这只是近似的说法。实际上，我们可以看到59的月面积。这是因为月球公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：月球绕地球运行一周的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

20、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：以太阳为参考点，是月球连续两次“合朔”(或合望)的时间间隔，约29.5306日。它是日月会合运动的周期，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，指月球中心连续两次通过近地点的时间间隔，长度约27.5546日。B、上述朔望月比恒星月长约2.21日，是因为朔望月要比恒星月多转29的原故；交点月比恒星月短，是因为黄白交点每月西移约1.6的原故

21、；而近点月比恒星月长，是因为近地点每月东移约3.3的原故。2、速度：已知月球的公转周期（恒星月），可求出月球公转平均角速度为36027.3217日=13.2/日由于月球公转轨道是椭圆，近地点时最快，约为15/日，远地点时最慢，约为11/日。而1310/日为平均角速度。3、方向因为月球的公转方向是向东，而它的周日视运动方向又是向西，所以月球每日出没地平的时刻(太阳时)，必然逐日向后推迟。其推迟的时间可由日、月会合运动速度求出：月球的公转平均速度为1310/日，地球公转平均速度为59/日，则日月会合速度每日为1310-591211. 月球以此速度赶超太阳的周期为：360 1211=29.53(日)

22、 朔望月而地球自转1211的时间约50min，因此月球的出没时刻，每日向后推迟约50min。日月会合运动与月相（一）日月会合运动由于月球绕地球公转的同时，地球还在绕太阳公转，同时二者又存在着速度差异，因此从地球上看，月球相对于太阳也产生相对运动，称之为日月会合运动。日月会合运动使日、地、月三球的相对位置时刻都在发生变化。（二）月相由于月球本身不发光，只是反射太阳光才被人们看见，所以当月球与太阳处于不同的相对位置时，从地球上看来，月球的视形状就会发生周期性的圆缺变化，称为月球的位相，简称“月相”(图2.14)。1、月相变化的成因 由于月球绕地球公转时，它和太阳、地球三者的相对位置时刻在改变，所以

23、，从地球上看去，它和视形状发生周期性的圆缺变化。决定的因素：a、太阳照耀月球的方向 b、观测月球的方向 c、角距离(或黄经差)月球与太阳的相对位置，是以它们之间的角距离(或黄经差)来表示的，故不同月相的变化，就是日月角距离(黄经差)的变化。由图2.14可推出各种月相出没的时刻。月相成因与太阳光照射的方向与人在地球上观测的方向有关：- -相反：朔（新月）相反：朔（新月）- -一致：望（满月）一致：望（满月）- -垂直：弦（上、下弦）垂直：弦（上、下弦）- -大于大于9090小于小于180180：凸月：凸月- -大于大于0 0小于小于9090：娥眉月：娥眉月或残月或残月月相成因2、月相变化：（日月出落规律）a、朔月(新月)时，日出月出，日落月落；b、上弦月时，正午月出，子夜月落；c、望月(满月)时，日落月出，日出月落；d、下弦月时，子夜