邂逅美麗月球：月球上的環形坑

　　來源： 中科院之聲

　　月球，自古以來就是承載人類美好願望和情感寄託的星球。月亮激起了人們的無限遐想，也萌生出各種各樣的神話傳說、宗教信仰、哲學思想、文學藝術和風俗傳統。中國古代的陰曆，就是根據月亮的陰晴圓缺制定的。對中國人來說，月亮象徵著溫馨、和諧與安寧，也代表著團圓、美滿與幸福。

　　月球是美麗的，也是神秘的，隨著人類科學技術的發展，我們已經不再局限於肉眼或望遠鏡遠望。自上世紀60年代以來人類開展了一系列月球探測，慢慢揭開了月球的神秘面紗，越來越多的月球影像數據，讓人們看到了月球的真容。

　　天文學家將月表形貌分為反照率特徵、環形坑、平原、海角、坑鏈、峭壁、山脈、山脊、洋、月溝、月谷、月海、月湖、月灣、月沼、月溪、著陸點名稱和衛星坑等18種地形，其中環形坑是月球上最典型的地貌單元，也是月球表面最顯著的特徵。

　　在國際天文聯合會（IAU）公布的9139個月球正式地名中，有1619個環形坑、7115個衛星坑、20個坑鏈，地理特徵中與坑相關的佔95.6%，這也是為什麼近距離觀看月球影像圖時，映入眼帘的是大大小小、密密麻麻的環形坑的原因。

　　為什麼月球上有如此多的環形坑？

　　地球上有著厚厚的大氣層，有占表面積71%的海洋，有板塊構造運動，有流水剝蝕、搬運和沉積作用，有冰川作用，所以地球上保存下來的環形坑僅有190個左右。

　　相比地球，月球上沒有大氣和液態水，月球早期的岩漿活動、火山爆發、外來天體的撞擊、太陽風和宇宙射線的輻射等，都會對月表形貌塑造造成影響，缺少了大氣層和液態水的保護，在這些「外力」的作用下，月球上就充滿了大大小小「千瘡百孔」的環形坑。而月表這些環形坑的大小和分布記載了數十億年前被彗星和小行星碰撞的歷史記錄、以及月球的演化歷史，對月表環形坑的研究可以提供有關地球上生命起源和進化的線索。

　　月表環形坑的成因分類

　　那麼，月球上密密麻麻的環形坑是如何形成的呢？在眾多的因素中，岩漿活動、火山爆發和外來天體的撞擊是月表環形坑形成的主要因素。

　　因此，環形坑按照成因主要分為三類：

　　第一類是侵入岩成因的環形坑。即岩漿上侵而未噴出地表，然後冷凝收縮，在地面上表現為巨大的圓形凹坑，坡度較緩，深度不大，即冷縮環；在遙感影像上往往由於色調與周圍差異較大而表現為實心圓狀。

　　第二類是火山成因的環形坑，也稱為火山坑。它是火山噴發後留下的火山口，多呈群體在地表上出現，並且其分布受斷裂帶的控制，常呈共軛線狀展布；在遙感影像上表現為環形結構體，整體上看呈錐狀，中間是負地形。

　　第三類是由小天體撞擊形成的環形坑，也稱為撞擊坑。這些環形坑是由小行星和流星體高速撞擊月表，強烈挖掘月表物質而形成的，其形態與被撞擊點的月壤厚度、岩性及環形坑形成年代存在直接聯繫。環形坑中間為撞擊熔融帶，向外逐漸過渡為撞擊角礫岩，具有明顯的撞擊變質特徵。新形成的環形坑具有前面兩種環形構造所不具有的輻射紋，具有外緩內陡的環形或弧形周壁。

　　月表環形坑的形態及分類

　　月球上存在的環形坑形態各異，其基本的趨勢就是小型的環形坑通常表現為形態相對完整的碗型，而隨著直徑的增長，環形坑開始出現不同程度的退化和演變而具有極為複雜的形態。

　　根據其形態特徵和規模大小，通常可以分為簡單環形坑、複雜環形坑和撞擊盆地等三類。其中，簡單環形坑分為碗型、鏈形環形坑和次生環形坑群，複雜環形坑分為中央隆起型、多環、充填型和輻射紋環形坑。

　　第一類 簡單環形坑

　　是一種最簡單的環形坑，坑底平坦，整體形狀呈碗狀，坑緣略突出地面，直徑通常小於15km。

　　（1）碗型環形坑

　　碗型環形坑邊緣相對較為光滑，具有穩定的牆狀內壁（沒有階梯狀內壁地貌）；盆底通常較小且平坦，沒有中央突起。

史密斯坑（Ctater Piazzi Smyth）中心地理坐標：41.9°N，3.2°W，直徑：13km  左圖為影像圖，右圖為彩色暈渲地形圖

　　（2）次生環形坑群和鏈形環形坑

　　當小天體撞擊月表時，在形成原生環形坑的同時從坑底向外拋射大量物質，這些物質通常是大塊岩石或鬆散粘連的岩石塊、月壤膠結物等，當這些物質重新濺落在月球表面時會形成一系列次生環形坑。

　　次生環形坑散佈於原生環形坑周圍，具有不同的形狀和大小，它們往往相對緊湊地集中在一定區域內，或排列成行，或呈放射狀分布。對於在原生環形坑周圍以鏈條形緊密排列的次生環形坑，又稱之為鏈形環形坑。

戴維坑鏈（Crater Catena Davy）中心地理坐標：11.0°S，7.0°W，長度：50km 

薩姆納坑鏈（Crater Catena Sumner）中心地理坐標：37.3°N，112.3°E，長度：247km  左圖為影像圖，右圖為彩色暈渲地形圖

　　第二類 複雜環形坑

　　複雜環形坑以坑底具有明顯隆起的中央峰或坑壁呈階梯狀為特徵，直徑通常在15km到100km之間。

　　（1）中央隆起型環形坑

　　月球上直徑大於35公里的環形坑一般都發育有中央峰或中央隆起。如果撞擊能量足夠大，撞擊體之下的岩石在強烈的衝壓下會發生強力反彈，在環形坑的中央形成了一個明顯的中央隆起穹隆，或一組中央隆起峰。

萊曼坑（Crater Lyman）中心地理坐標：64.85°S，163.6°E，直徑：84km 上圖為影像圖，中圖為三維影像圖，下圖為彩色暈渲地形圖

　　萊曼坑位於月球背面的南半球，其邊緣並沒有明顯的侵蝕跡象，其內部特徵也沒有被撞擊所破壞，底部相對平坦，在中心處有一個明顯的中央峰，同時還分布了少數矮小的山脊和微小的圓形結構。

　　（2）多環環形坑

　　由於遭受撞擊強度較大，剛形成時坑緣的內壁大多比較陡峭，隨後在重力作用下，坑緣內壁物質將坍塌落向底部，形成階梯狀地貌特徵，並可能延伸至底部。岩壁坍塌物質覆蓋在環形坑底部，使其底部表現為相對平淺的特徵，常伴有較多圓丘狀的隆起。

　　在後期月球地質構造活動及火山活動的影響下，環形坑中央的隆起圓丘逐漸退化，環形坑周緣地帶的階梯狀岩壁也發育得更加充分，從而形成呈近似同心圓排列的多環結構，此類環形坑稱之為多環環形坑。

哥白尼坑（Crater Copemicus） 中心地理坐標：9.7°N，20.1°W，直徑：93km 左圖為影像圖，右圖為彩色暈渲地形圖

　　哥白尼坑位於風暴洋的東部，使用雙筒望遠鏡就可以看到此環形坑，它的中央峰由三個互相獨立的山峰組成，高度約為1.2公里。

　　（3）充填型環形坑

　　環形坑在形成後，其內部逐漸被後期撞擊所產生的噴射物所覆蓋，或由於火山活動產生的岩漿逐漸流入環形坑內部，覆蓋了環形坑內部原有的月貌特徵，形成相對平淺的環形坑底部，但坑的基本形貌特徵仍然得到了完好的保持。

沃根亭坑（Crater Wargentin）左圖為影像圖，右圖為彩色暈渲地形圖

　　沃根亭坑中心地理坐標：49.6°S，60.2°W，直徑：84km，位於月球的西南方。坑的內部完全被火山熔岩所填充，直至與周圍隆起的邊緣相齊，因此與周圍的地形相比，沃根亭表現為一個凸起的高地。

　　（4）輻射紋環形坑

　　小天體撞擊月表時，會濺射出大量的碎屑狀物質，呈放射性分散沉積在環形坑周圍數千公里範圍內，由於這些碎屑物質的反射率較高，看起來比較明亮，使得這些環形坑周圍表現出明顯的輻射紋特徵，稱為輻射紋環形坑。但隨著後期撞擊濺射物的遮蓋和風化侵蝕作用，濺射物會與周圍其他物質逐漸混合，顏色也逐漸暗淡而難以分辨。因此，具有可明顯分辨輻射紋的環形坑多是月球上比較年輕的環形坑。

伯朱斯坑（Crater Byrgius）中心地理坐標：24.7°S，65.3°W，直徑：87km  上圖為影像圖，下圖為三維影像圖

　　第三類 撞擊盆地

　　撞擊盆地坑底平坦且部分被熔岩填充，坑壁、坑底有二次撞擊坑散布，邊界不清晰，直徑一般大於100km。撞擊盆地通常都具有非常複雜的結構，其中又以具有同心圓特徵的多環盆地居多。有些撞擊盆地的圓環可多達五至八個，盆地內部大多會被低反照率黑色玄武質熔岩所填充，同時還可能具有非常發育斷層以及其他形式的變形。

東海盆地（Mare Orientale）三維影像圖  中心地理坐標為：19.4°S，92.8°W

　　東海盆地是月球背面月海中直徑達1000公里的巨大環形構造，具有三層同心環似的結構，好像是一個深入月球內部的巨大洞穴。

嫦娥帶你遊覽月球上的三大名坑

　　我國發射的嫦娥一號和嫦娥二號探測器成功實施了環月探測，嫦娥三號探測器成功實現了月球表面軟著陸和月表巡視探測。這些探測器的獲取數據成為我們研究月球和了解月球的基礎。我們利用嫦娥二號獲取的數據製作了全月7米解析度的影像和地形數據，是目前覆蓋最全、清晰度最高的月球形貌數據，對於我們認識月表形貌大有幫助。

　　下面藉助嫦娥二號的高解析度全月影像數據，我們帶你去遊覽月球上的三座名坑。

　　第一站 月球之臍——第谷坑

　　第谷坑是月球正面南半球最顯著的環形坑，它以丹麥天文學家第谷·布拉赫的名字命名。第谷坑是複雜環形坑，既有明顯的中央峰，也有巨大的輻射紋。

　　第谷坑由小天體撞擊月表產生，撞擊過程中拋灑出的物質形成了以其為中心的向外輻射狀的明亮條紋，最長的亮紋達1500公里，相當於北京到重慶的直線距離！因為如此顯著的特徵，第谷坑最早被天文學家稱為月球之臍，月球肚臍的意思。

第谷坑月面位置 中心地理坐標為：南緯43.3°，西經11.2°

　　第谷坑直徑約89公里，大小相當於10個北京五環內的面積。近距離觀看第谷坑，其內側坑壁呈階梯狀結構，坑底總體相對平坦，聳立著1.6公里高的中央峰，其高度是北京香山高度的3倍。

　　前文中我們說到過，地球上也有環形坑，其中巴林傑坑位於美國亞利桑那州一片平坦的高原上，直徑約1240米，深度達180米，面積相當於169個標準足球場地，是目前世界上保護得最好和最早被人類認證的環形坑。

地球上的巴林傑坑（Barringer Meteor Crater）

　　但當地球上的巴林傑坑遇上月球上比自己大4810倍的第谷坑時，只能感嘆小巫見大巫，與巴林傑坑比起來第谷坑是何等的壯觀。

月球上的第谷坑與地球上的巴傑林坑對比，圖中閃動的紅點代表巴林傑坑的大小

　　第二站 月球上最亮的環形坑—阿里斯塔克斯坑

　　阿里斯塔克斯坑是月球上最亮的環形坑，直徑約40公里，深度達2公里，是複雜環形坑，具有明顯的輻射紋。

　　阿里斯塔克斯坑很可能形成於一次小天體的斜向撞擊，拋射的物質撒向撞擊點的另一側，因此一側分布著明亮的條紋，另一側沒有。阿里斯塔克斯坑之所以如此明亮奪目，是因為它形成的時間相對較晚，太空風化還沒有足夠時間來淡化其撞擊濺射物。

阿里斯塔克斯坑月面位置 中心地理坐標為：北緯23.73°，西經47.49°

阿里斯塔克斯坑遠景圖

　　在阿里斯塔克斯坑東側像彎曲河流的月貌是著名的施勒特爾月谷。施勒特爾月谷有一個明顯的橢圓形頭部，由於形似蛇頭，被天文學家稱作「眼鏡蛇頭」。施勒特爾月谷長約160公里，寬約11公里，深度達500米。地球上的谷地多是由於水、風等自然因素侵蝕、風化作用形成。而月球上既沒有水也沒有風，月球上的谷地是如何形成的呢？

　　天文學家研究認為，噴出月表的岩漿流過月面，侵蝕月表，從而形成彎彎曲曲、類似河流的月貌，相對較窄的稱為「月溪」，相對較寬的稱為「月谷」。施勒特爾月谷的橢圓形頭部被天文學家們認為是岩漿噴出的源頭。

施勒特爾月谷影像圖

　　第三站 月面上的「大黑湖」——柏拉圖坑

　　柏拉圖坑以古希臘著名哲學家柏拉圖的名字而命名，因其坑底平坦，像一片安靜的湖面，所以早期天文學家又稱其為「大黑湖」。柏拉圖坑是複雜環形坑中的填充型環形坑。

柏拉圖坑月面位置 中心地理坐標為：北緯51.6°，西經9.3°

　　而實際上，月球上並沒有液態水，柏拉圖坑之所以如此平坦，是因為小天體撞擊月表後，反湧出的岩漿將撞擊坑底填平所致。柏拉圖坑直徑109公里，深度約1公里。

　　以上三個著名的環形坑「景點」，只是美麗月球的冰山一角。相信隨著航天技術發展的日益成熟，宇航員可以再次登上月球，而普通人可以承擔的經濟、安全、便捷的月球旅行亦可以期待。

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