月球的自白

我身上沒有宮殿,沒有白兔,沒有海洋,也沒有肉桂樹。我叫月球,陪伴在地球身邊已經 45 億年。

在太陽系剛剛誕生不久、四周仍然充滿碎石的時代,宇宙塵埃形成一個環繞太陽轉動的扁平圓盤,各大行星從中逐漸成形。我是一顆與現在的火星兄弟差不多尺寸的行星。沒錯,火星、地球和一眾行星都是我的兄弟姊妹,我本來並非衛星。我原本的名字,叫做忒伊亞。

45 億年前的一個星期一早上,我照常上班,與其他行星和小行星一起穿越繁忙的街道。路上行人非常多,一不留神就會發生危險。那天前一晚上,我剛好趕起一個計劃書,睡得不太夠。

悲劇就是由此而起的。當我睜開眼睛時,已經來不及閃避了。我與地球面對面撞個正著,碰撞產生的極端高溫把我倆雙雙熔化。我們的核心融合在一起,成為了今天地球的巨大核心。其他被拋到繞地軌道的碎片,逐漸變成環狀,最後結合成現在的我——月球。

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畫家想像中的忒伊亞與地球碰撞。(Credit: National Geographic)

不知道大家有沒有比較過太陽系內的行星和衛星。如果我們去看看他們的尺寸比較,就會發現我是異常常地巨大的。當然,太陽系的行星只有八個,統計學上來說還不能夠下定論。然而,如果你再細心看看我的表面,就會發現曾經熔化的證據。由於沒有大氣侵蝕,我的表面現在仍保持著幾十億年前的模樣。

我雖然與地球一樣都是固態構造,我的內部卻沒有地球的熔岩地熳,我的固態核心裡鐵含量也較少,整體密度亦較低。這些都是因為我與地球曾短暫融合在一起,交換了彼此的物質,較重的元素如鐵就會比較傾向沉於較重的地球之中。

沒有像地球一般的流體鐵核心,我也就沒法產生磁場。我的質量也只有地球的 81 分之 1,無法留住大氣,所以我的表面基本上是真空的。從地球遠道而來的人類朋友們都要穿上厚重的衣服(他們好像稱為太空衣),這使作為主人家的我感到不好意思呢!

本來,我的自轉速度比繞地球公轉快多了。經過千萬年的時間,地球的引力效應(地球上的科學家稱之為潮汐力,可是我身上明明沒有海洋)使我的自轉漸漸變慢,最後與公轉一樣。因此,從地球上看我永遠只會看到我的正面。相反,在我的角度來看地球,地球永遠在天空中的同一個位置。

我影響著地球的潮汐,穩定地球自轉軸的傾角,好像間接幫助地球孕育出多姿多采的生命呢!幾十億年以來,我目睹各種形式的生命繁衍倡盛,然後又一一滅絕。太陽系形成初時,周圍都是巨型碎石,一不小心落在地球上的話,定必生靈塗炭。相對巨型的我幫忙擋下了不少碎石,為地球上的生命演化提供了時間。不過,間中也有一些碎片成功避開我的攔截而落在地球上,例如 6 千 5 百萬年前那一塊巨石,差不多徹底滅絕了恐龍呢!牠們的後代,現在好像被人類稱呼做雀鳥?

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Apollo 16 指揮官 John W Young 在月球漫步情形。(Credit: NASA)

45 億年的漫長歷史中,我看著生命演變,一直期待哪一天,牠們會來探望我。終於,一個只有幾十萬年的新物種——人類之中,出現了一些叫做科學家的人物。其中一些使用叫做望遠鏡的儀器看我,另一個找到萬有引力的法則。最後,牠們找到衝出地球太氣的方法,其中幾個人類更親身駕駛太空船來看我,降落在我的身上。我很高興,我的期待沒有落空。

不知道哪一天,又會再有人類朋友來探望我呢?

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《月球城市》讀後感

月球,自古是人類嚮往的地方。她是人類首個踏足的地外天體。然而,她卻不像火星般有著不可擋的吸引力。她沒有大氣(其實有,不過極度稀薄),而且永遠用同一面向著地球,因此在月球上你不會看到地出。

在《月球城市》故事裡,即使人類仍需活在由玻璃和鋼鐵建成的城市裡,呼吸不可或缺的氧氣,你會發現安迪‧威爾筆下的月球有著無比生氣。原來氧氣在月球竟是用之不竭的,甚至多得不知道該往哪裡放。在安迪的描寫下,明明每件事情都是如此合乎科學原理,讀起來卻又有著高度科幻感。

《月球城市》並不是一個會出現激光劍和粒子炮的故事。《月球城市》是一部徹徹底底的寫實小說,生動地描述這個本來就是虛構的月球都市的一點一滴。故事主角也不是什麼英雄,她跟你和我一樣,有自己的生存之道、生活方式、更有自己的煩惱和遺憾。故事沒有大義凜然的主旨,只有她希望完成的一個小小心願,一個在某程度上可說是自私的願望。

能把科幻故事寫得科學,非常難。而能把人性放於一個科學的科幻故事中,絕無僅有。《月球城市》能讓我嘗到這種稀有的感覺。

感謝三采文化贈書,使我能夠先睹為快!

電子書店:https://www.suncolor.com.tw/BookPage.aspx?bokno=104010101104

月球小知識:紅月高掛

上兩回的月球小知識,我們討論過月食和月相的成因了。今次,我們就來看看在某些神話、流言裡面惡名昭彰的「血紅月亮」的成因吧!

紅色的月亮的出現大致可以分為以下三個情況:

(1) 在月食的時候,太陽光應該被地球遮住了的 (參考《月球小知識:天狗食月》的圖解),可是我們卻可以看見整個染成血紅色的月亮!

(2) 在太陽還未完全下山時,向東邊地平線看去可以看到剛升起的月球。如果我們細心留意,會發現越接近地平線的月亮顏色就越偏紅;

(3) 在新月前後時期 (即初一前後數天),月球面向地球的一面應該是幾乎沒有太陽光照射到的 (參考《月球小知識:月有陰晴圓缺》的圖解)。可是,在夕陽或早晨太陽光仍未太強的時候,我們也可以看見偏紅色的月球!

其實,血紅月亮的出現並非什麼神祕的現象,與什麼厄運、惡兆一點關係也沒有。其原因原來是太陽光穿過地球大氣層時發生的折射 (refraction) 及散射 (scattering)!

大家都知道,當我們看進去水中,會低估了水深 (這就是為什麼看起來很淺水的地方也會有人遇溺,切記欺山莫欺水)。這是因為光線在穿過不同介質時會發生折射 (介質:水/空氣)。同樣地,太陽光在真空傳播,來到地球上我們的眼睛之前會穿過大氣層 (介質:真空/空氣),所以也會發生折射,如下圖:

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所以在 (1) 的情況下,折射後的太陽光就可以照到正在發生月食的月球上,再反射到地球上。而光線在空氣裡的另一個特性,就是會發生散射。故名思義,散射就是說光線會被空氣向四方八面散射開去。越偏藍的光線就越容易被散射,所以在上圖中,穿過大氣層後仍能夠向著月球前進的光線就只剩下紅光。當這些少量剩下的紅光再經月面反射回到地球上時,我們就會看到一個很詭異的、暗血紅色的月亮了!

在 (2) 的情況,為什麼越接近地平線的月亮看起來會越偏紅呢?其實也是同樣道理:因為越接近地平線的光線所穿過的大氣層越厚,所以散射掉的藍光也越多、月亮也就越紅了。就如下圖所示,月球在 2 的位置比 1 的位置更接近地平線,因而 1 號光線也比 2 號光線更接近地平線,所以會穿過較厚的大氣 (即是 A 的距離比 B 長):

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最後,在情況 (3),我們能夠看到月亮的原因,是因為地球把太陽光反射到月面上,然後再反射回到地球。這個情況有個特別的名稱,叫做地照 (earthshine)。由於光線在反覆反射的過程中會多次穿過地球大氣 (如下圖),所以也會發生比較強的散射現象,我們看到的地照月亮也就因而變成血紅色:

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不過,由於地球的反照率 (albedo) 不高,所以地照月亮看起來很暗。其實不單止地球和月球之間會發生地照,其他行星與它們的衛星也會發生所謂的行星照 (planetshine)。NASA 的行星照教育網頁就有很多漂亮的圖片和詳細解釋。

順帶一提,達文西 (Leonardo da Vinci) 原來早在 16 世紀已經解釋了地照的成因!所以,只要多點動動腦筋、思考一下各種現象背後的科學原因,就會發現其實我們身邊的事物也很科幻、很有趣的呢!

*本文封面圖片來自達文西的地照手繪圖解,嗚謝 Alan Chiu。

月球小知識:天狗食月

在上一篇關於月球的文章《月球小知識:月有陰晴圓缺》中,我們討論過月相的成因並不是因為地球的影子了。

另一個關於月球的現象「月食」的成因,才是因為月球運行到了地球後面,被地球遮擋了太陽光。現在,再問大家一條問題:月食有哪幾種呢?

月全食?正確!月偏食?也對!月環食?喔,要小心了,日食才會有「環食」現象,而月食是沒有的。不過,月食也有另一種特別的食法,叫做半影月食。

為什麼月食沒有環食,卻有半影食呢?假如地球投影在月球上的影子不夠月球本身大,就有可能出現環食。但事實上,因為地球的影子比月球大,所以不會有環食現象。下圖我嘗試不按比例地描繪出太陽光照向地球時,是如何被地球遮擋的:

(注意,我沒有畫比本影小的月球。而且實際上這情況是 3D 的,即大家應該想像把下圖把地球和太陽連線,然後在腦海中旋轉 360 度。)

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上圖中的「本影」就是完全沒有太陽光照射到的地方。而這個本影的大小比月球大很多,所以如果月球完全進入本影,就只會發生月全食,不會出現月環食。而寫著「半影」的地方就是地球只遮住了一部分太陽光的地方,如果月球剛好經過本影和半影之間,就會發生月偏食。如果月球完全進入半影地帶,就會發生半影月食。

下面所畫的三個情況中,在 (1) 位置的月球完全進入本影,所以就會發生月全食;在 (2) 位置的月球,部分進入本影、部分進入半影,所以就會是月偏食;在 (3) 位置的月球完全進入半影,發生的就是半影月食了)。

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上面的三幅圖都是從第三身角度看月食,我再嘗試在下圖畫出在地球上會看見的情況:

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還記得在《月球小知識:月有陰晴圓缺》提到,地球與月球的公轉軌道平面有大約 5 度相差嗎?就是因為這個原因,如果月球經過的軌跡不是上圖所畫的任何一種,而是完全在半影之外的話,就不會發生月食了,而我們就只會看見正常的月相。

最後,送給大家兩張我自己拍攝的月食影片,一張是這文章的封面圖片,是我在 2009 年拍攝的半影月食;另外一張則是我在 2011 年拍攝的月全食,兩張都是在香港拍攝的:

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大家知道為什麼在月食的時候,我們也能夠看到整個月亮,而不是好像日食那樣真的被天狗「食」了一部分?大家知道為什麼在上面的月全食和半影月食中,月球都變成了橙紅色?其實在新月時,我們也可以看見很暗、很紅的月亮,大家又知道為什麼嗎?下一次,我們就來討論一下,紅月亮出現的原因吧!

月球小知識:月有陰晴圓缺

給你十秒鐘,請你回答一個非常簡單的問題:「為什麼月亮每大約 28 天都會循環一次陰晴圓缺?即為什麼月亮會有『月相』?」

10 7 5 3 2 1…… 夠鐘!如果你答「因為被地球遮住了」那你就要留心了,因為你大概把「月相」和「月食」的成因混淆了。

其實,我從前也曾經混淆過,相信很多人也曾經混淆過。所以,請不要因為答錯了,就覺得灰心。在科學裡,或者我敢說,在世上的大部分學問之中,比答案更重要的,是思考的過程。在我們尋找答案的過程之中,學到的東西往往比只是知道答案更加多。

我估計,大部分人混淆兩者的原因,是因為我們以為「地球環繞太陽公轉的軌道」和「月球環繞地球公轉的軌道」是在同一個平面之上。如果真的是這樣的話,那麼每個月都會至少發生一次月食,而且我們就永遠不會看到滿月了!

事實上,「地繞日軌道」和「月繞地軌道」並不在同一個平面之上,而是彼此間有一個大約 5 度的細小夾角。「地繞日軌道」我們叫做「黃道面」,而「月繞地軌道」則稱為「白道面」,如下圖:

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事實上,除了在月食發生的時候,月球在任何時候都有一半表面受太陽光照射,而另外一半則沒有太陽光,即是月球自己的陰影。所以,我們所謂的月相,陰、晴、圓、缺,都是因為在地球望向月球的時候,同時看到受太陽光照射的一半的其中一部分和月球自己的陰影的一部分,如下圖:

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其實我們只要細心想一想,地球的影子是無論如何都不可能形成「盈凸月」和「虧凸月」的!試想想,一個球體的影子,怎麼可能會是凹進去的呢?

所以,記著以後不要把月相 (lunar phases) 和月食 (lunar eclipse) 混淆了啊。

我們知道了只有月食的成因才是因為被地球遮住了太陽光,但你又知道月食也有幾種不同的類型嗎?就給大家一些時間思考,我們留待下一次再討論吧!

*封面圖片來自 NASA 月球專頁:http://moon.nasa.gov/home.cfm