为什么要去月球背面？

出现这些传说的根源在于，我们从地球上观测月球时，看不到月球背面绝大部分区域。因此，在没有月球探测器之前，月球背面一直是一个神秘的未知世界。现在民间流传的月背传说，多源于航天器探月之前。但即便在航天器数十次飞临月球背面，获得大量影像资料之后，很多人仍然能从放大后略显模糊的图像中找到线索，为这些传言提供佐证。

月球背面之所以显得神秘，原因在于我们无法从地球上直接观测到月球背面。但月球为什么会有正面和背面？

这要从月球的运动说起。月球可以被视作一个刚性的球体，它的运动可分为质心的运动（公转）和环绕质心的转动（自转）两部分。在研究月球的质心运动时，我们通常将月球和地球近似视为全部质量集中在质心的质点，并且只有彼此相互吸引的引力作用，构成地月系统。从惯性坐标系内观察，地月二体系统的公共质心绕太阳公转，月球和地球又分别绕着公共质心作相互转动。根据二体运动理论可知，月球围绕地球质心作平面椭圆轨道运动。月球和地球的赤道与其轨道的几何关系见下图，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’，变化范围在4°57’～5°19’。

月球绕地球的旋转轴和轨道几何关系

由于地球由西向东自转，所以天体都是从东方升起到西方落下。月球也不例外，我们看到的月球东升西落，实际上反映了地球的自转运动。而月球还在围绕地球公转，因此如果我们每天在同一时刻观察月亮，会发现它在星座间自西向东移动。月球绕地球一周经历的时间称为一个“恒星月”，历时27天7小时43分11.47秒。之所以称为“恒星月”，因为这是以恒星定标的，即月球从某颗恒星的近旁出发，又返回到该星附近同一位置的时间间隔。月球在自己的轨道上绕地球运行的平均速度为1.02千米/秒，平均每天东移13°，因此月球每天升起的时间是不同的，有时候白天升起，有时候晚上升起。月亮平均每天比前一天推迟50分钟升起，一个月之后，又恢复原来的升起时间。

月球背向地球的半球离地球较远，受到的地球引力较面向地球的半球小，即月球的腹背受力是不同的。如果月球自转周期与绕地球的公转周期不相等，那么月球上同一部位受到的地球引力是随时间变化的，这将导致月球不同岩层之间的摩擦，逐渐减慢自转的速度，最终使得月球自转的周期恰好等于它绕地球公转的周期，即月球被地球的引力“潮汐锁定”。潮汐锁定后，从地球上看月球，就永远只能看到月球的一面。

由于潮汐锁定，月球自转的周期等于绕地球公转的周期，因此总是同一面朝向地球。

不过，由于月球的天平动（libration），月盘边缘区域有时候会露出一点点侧背。总体上，从地球上可以观测到整个月球表面的59%。

月球的天平动。虽然月球已经被潮汐锁定，总是同一面朝向地球，但依然存在一些轻微的摆动，使得地面上的观测者能够在不同的时间看见到略微不同的月球表面。累积起来，人们从地球上可以观测到月球整个表面的59%。左图为2012年8月2日观测到的月亮，右图为2013年1月27日观测到的月亮。

既然地面观测看不到月球的背面，那怎样才能看到月球背面呢？月球背面和正面究竟有何差异？

今天之前，还没有航天器登陆过月球背面，但我们并不缺乏月球背面的探测数据。科学家已经获得了月球背面的大量探测数据，包括地形地貌、物质成分、表面环境等详细信息。

1959年，苏联发射的月球3号探测器在飞越月球时，第一次拍到了月球背面的图像。20世纪六七十年代，美国和苏联的月球探测器多次获得了月球背面图像，阿波罗计划中登月的宇航员都曾飞过月球背面，从月球上空亲眼看到了月球之背的荒凉景象。

1959年10月7日，苏联的月球3号探测器发回了第一张月球背面的照片

21世纪以来，美国、中国、印度、日本、欧洲的月球探测器对月球进行了更高分辨率的详细探测。2009年6月19日发射的月球勘测轨道器（LRO）已经获得了分辨率优于1米的全月球影像，可以清晰辨认出阿波罗登月时遗留在月球表面的月球车、登月舱等，当然也包括月球背面的高清影像。除登陆月球的着陆器和月球车外，月球探测器大多采用极轨方式运行，即从北极往南极再飞回北极。因此，每一圈飞行中都有半圈在月球背面，半圈在月球正面。

美国LRO探测器拍摄的月球背面

自2003年以来的15年中，已经有包括嫦娥一号、二号、三号在内的11个月球探测器飞临月球，获得了大量的探测数据。遗憾的是，所有这些探月任务都没有在月球背面发现外星人的基地，也没有发现任何人工建筑物或人为活动的痕迹。月球背面看起来只是一片保存了40亿年之久的荒凉大陆。

整体上，月球表面可分为月海和月陆两大地理单元。月海是指月球上大片颜色较深的黑斑区域，它们实际上是一些宽广的平原，一滴水也没有。这些区域对太阳光的反射比较弱，看上去比周围更暗一些，很像地球上的海洋。月球上共有22个月海，约占月表面积的17%，其中19个分布在月球的正面，包括雨海、静海、云海、冷海、风暴洋等，约占整个正面半球表面积的一半，北半球的月海分布尤为显著。月球背面只有东海、莫斯科海和智海等3个月海。

月海是月壳形成后，内部岩浆涌出月表，填充低洼盆地后形成的大型平原。月海平原大多为山脉所包围，类似于地球上的盆地，具有圆形封闭的特点。最典型的例子是雨海，其四周环绕着亚平宁山脉、高加索山脉、阿尔卑斯山脉、朱拉山脉和喀尔巴阡山脉。月海的地势比月陆要低得多，如静海和澄海比月球平均水准面（为一等势面，其半径与采用激光测高得到的月球地形平均半径相等）约低1700米，湿海低5200 米，最低的是雨海东南部，其最深处比月球平均水准面低六千多米。月海中也常见到一些突起的山岭，包括弧形海岭、呈对角线分布的海岭和脉状不规则海岭。

阿波罗17号拍摄的月面照片。这是从雨海平原（近处）向南眺望哥白尼撞击坑（照片上方中部），哥白尼撞击坑的直径为107千米。靠近照片中部的大撞击坑直径20千米。

除月海外，月球上颜色较浅的部分看起来类似地球上的陆地，称为月陆。根据月球形成的大碰撞学说，46亿年前，一颗火星大小的天体撞击原始地球，撞击抛射物质在地球轨道形成了月球。月球形成后出现全球性的岩浆熔融，熔融岩浆在冷却过程中发生结晶和分异，密度较重的物质下沉到月幔，而密度较轻的物质漂浮在月球表面，冷却凝固后形成了古老的月壳。月海则是在月壳形成后，从月壳裂缝中涌出的岩浆形成的。因此，月陆比月海更古老。

月陆的主要成分是密度较轻的斜长岩，反射率较高，看上去比较明亮。月陆的地势一般高出月球水准面约2～3千米，所以也称月球高地。整体上，月陆面积约占月球表面积的83%。月球正面的月陆与月海面积大致相当，但月球背面月陆占据着绝对主导地位。

整个月球表面，不管是月海还是月陆，都分布着密密麻麻的撞击坑，它们是四十多亿年来小天体撞击月球留下的痕迹。月球表面越古老，撞击坑分布密度越大。月陆的撞击坑密度更高，地形更崎岖。

月球正面和背面的比较。正面地形平坦、月海居多；背面颜色较亮，月陆居多，撞击坑分布密度也比正面高，地形更崎岖。图/郑永春

月球表面的岩石类型比地球上要简单得多，在变质岩、火成岩和沉积岩三大岩石类型中，月球上只有火成岩。月海主要是玄武岩，月陆主要是斜长岩，都是由各种硅酸盐矿物和金属氧化物组成，主要包括氧、硅、铁、钙、铝等元素。

嫦娥三号着陆器上的相机拍摄的玉兔号月球车

一些人看到嫦娥一号和二号拍摄的月球照片都是黑白的，就问为什么不拍一些月球的彩色照片回来，可实际上黑白灰才是月球的真实颜色。嫦娥三号着陆器和玉兔号月球车包裹着印有鲜艳五星红旗的金色、银色薄膜登上了月球表面，终于满足了人们在月球上拍彩照的心愿。