太阳圆盘与地平线交汇处的大气折射效应

月球表面的所有特点都是一成不变地被显露出来的，也就是说任何事物都无法扭曲或干扰它们的景象。人们可能会观察到月球地表形态的外貌变化，或者月面色调浓度的改变，这是照耀月球地面的太阳光线的入射变化造成的，并不能证明月面地形发生了改变。此外，我们要注意到，光线的入射角度具有不可忽视的重要性，因为在某些情况下，光影把戏会让人以为月球地形有了变化。如果穿过地球大气层进行望远镜观测时这一固有紊乱不存在，那么月球表面的样貌总是会完完全全被我们观察到，这是因为没有什么横亘在月球与我们的双眼之间。我们可以得出结论：我们的卫星没有被大气层所包围，因为大气层的厚度或质量很容易被一些明显的效应暴露出来。

有人会问：是否存在一种非常纯净以至于不会干扰望远镜观察图像细节的大气层呢？我们只有在观察月球圆盘的中心时才会获得细节清晰的图像，此时视线方向垂直于月球表面，通常情况下穿过的大气层的厚度是最薄的，但至少我们可能会在月球边缘发现折射效应，因为事实上，通过角度的叠加，此处的大气层却是最厚的，来自月球外的光线在掠过它投入人类视线的过程中会从大气层的一头穿到另一头。这正是其他天体的光线的经历——月球在围绕地球运转时会经过太阳、行星或其他恒星，用术语解释便是此时发生了日食或月掩星，那么我们本应该觉察到什么呢？

大气层横在天体光线的行进路径当中所造成的影响。人们需要透过越来越厚的大气层看到正在坠向地平线的太阳，随着厚度增加，大气层的吸收和折射效应越来越显著。

还记得第二章中我们讲到地球大气层吸收、折射地平线附近的天体光线的现象吗？在当前的情况下，类似的吸收、折射现象在一定程度上也会参与进来。然而，如果人们观察太阳圆盘与月亮圆盘的相交边缘时，就会发现这一边缘一点都没有被削弱，也没有受到任何折射效应导致变形的影响；太阳圆盘与月亮圆盘的相交边缘是一条非常清晰的几何曲线。而需要指出的是，在某些日食期间，有人自信辨认出了一些小小的形状变化或微弱的偏差，并认为这是月球周围存在轻薄的大气层所造成的——我们想知道的是，这些不同寻常的外观是否并不仅仅是光学或仪器领域的原因造成的。在下面的事实中，我们将会找到一种解释。月球的边缘并不整齐，而是像锯齿一样，这是因为月球表面高高低低、粗糙不平，看起来就像我们从远处看到的地平线上山脉起伏的剪影一样。由于地球大气波动，月球图像的质量一般，还会晃动，因此月牙状太阳上的小角无论是否像锯齿一样，看上去都像被截断或弄钝了，导致形状发生了变化。

我们从第一种试图凸显月球大气的方法中得出的结论便是，这一方法没有提供任何肯定且无可争议的证据。诚然，人们可以提出保留意见，但保留意见得建立在这一事实在其他所有情况下都有效的基础之上，只有在研究过根据其他情况得出的结论之后，我们才会考虑这一保留意见。

在日食期间，月球圆盘与太阳圆盘相交，交汇边缘清晰，没有异常。

月掩行星的运行，根据1663年8月3日观测到的月掩土星所绘。摘自赫维留（1679）的《天文仪器》。——拉鲁斯出版社

掩星过后土星在月球圆盘附近浮现（1900年9月3日）。与月球相接处的阴影带错觉。

月掩行星可以提供与日食一样的事实。当该天文现象发生时，我们可以看到许多小天体的圆盘，它们的亮度与体积会让我们更好地观测到影响其图像精细度的微弱折射与吸收效应。事实上，我们观察到的下列事实首先被阐释为存在大气层的证据：被观察的行星圆盘消失或浮现在月球的边缘，有时我们可以看到该行星与月球之间好像隔着一条像雾一样的阴暗带，但我们用一个非常简单的实验便可确认这只是一种错觉。我们的眼睛受到了欺骗，在部分重叠但亮度不等的两个面的对比之中，我们可以发现这一错觉的产生。事实上，我们只能在月球被照亮的边缘发现这一现象，而此时被掩掉的行星的亮度不如月球。

在构成月球表面边缘的山脉上方，一道光线从AB路线穿过大气层，这一路线比贴地而过的A’B’路线要短。此外，AB线处的大气层密度不如A’B’线处的密度大。

在以上任何情况下，我们都无法观察到可以有效证明月球大气存在的外观变化，因此我们得到了第一种观点：如果月球大气真的存在，它必定极其稀薄。那么，让我们来研究一下是否存在另一种能够带来更有效信息的观察吧。

事实上，这种不可能性可以通过测定掩始和掩终的瞬时时刻来实现。在这一方面，月掩恒星极为宝贵。众所周知，恒星看起来就是一些光点，因而当月掩恒星发生时，该恒星瞬时消失又重现在月球的边缘。观察月掩恒星比观察两个圆盘的接触画面更加精确，这是因为观察者的判断、天文仪器的质量、衍射以及辐射这些附加因素使得记录月掩行星的始终时刻极为困难。此外，由于恒星的数量不可胜数，月掩恒星频繁发生，因此天文观察者们可以收集到大量的相关资料，获得一个剔除了意外错误的平均值。

那么，现在我们从恒星那里获取了怎样的相关资料呢？能够折射光线的大气层会使光线发生偏折，从而改变光点消失、重现时的几何形态；根据月球的直径及其运动速度预测出的时刻也得到了调整。然而，长期的观察讨论表明，最终还是出现了差异，且这些差异恰好处在理论的预测范围内，但这些差异极其微弱，导致我们承认月球大气层的存在，且月球的大气层非常稀薄，其密度至多相当于地球大气层密度的1/900。我们还可以猜想，因为月球重力很小，大气层应该分布在相当高的高空。

现在，鉴于这些不同的观察结果所得到的结论，有一种意见被广为接受。对于人们观察到的日食期间月牙状太阳上的角，我们已经拿山脉的剪影做了比喻。事实上，月球轮廓大部分是由从视觉上看呈前后排列的连续凸起构成的，凸起中间是较为低矮的区域：被遮住而使人眼看不到的谷底或中间平原。这样的轮廓让人类很难准确测定月球的视直径，因为月球球体的一端可能是凸起，另一端则可能陷入洼地之中，因此公认的直径数据并不仅仅来自一种测算方法，而是取自大量天文观察的平均值，这有效修正了分歧，使之更加接近真正的尺寸。尽管如此，严密的掩星计算所使用的术语还是存在些许不确定性。此外，掩星可能发生在月球的凸起或低谷后面，而凸起和低谷则有可能改变人类对月球的几何轮廓的预测。我们可以想象在解决这一问题时所遇到的重重困难。总之，由长期观察讨论得出的这一数字与其说是可被最终认可的准确数据，不如说只是一种讯息，因此我们认为月球大气层的密度值仅仅代表了其普遍的低重要性。

现在需要补充的是，我们所观察到的事实涉及高地的海拔因素，而高地的大气层必然不如低地区域的厚。而既然我们经常无法看到大气密度最大的低地区域，我们就无法获得有价值的补充信息。无论如何，月球大气层的微不足道是毋庸置疑的，因为借助极为敏感的光谱分析手段也没有发现月球大气层的任何迹象。

就大气层的作用而言，相比于地球大气层，月球大气层可以说实际上并不存在，因此人们有理由认为月球大气层的作用为零。事实上，月球大气因为稀薄而无法起到保护地面的作用，也不能形成或暂留任何障碍。月球大气层无比宁静，以后我们将不得不注意到它的宁静所带来的后果。

月球不仅没有空气，也缺少水。我们不但没能发现月球上江河湖海的类似物，也没有找到任何间接表明有水存在的迹象，尽管月球上的某些地貌可以被阐释为与水有关。对于上述结果，有人提出异议：因为望远镜的观察能力有限，我们无法知道是否有一些事实或特性因尺寸太小而无法被观测到，而且即使月球现在真的没有水，那会不会曾经有过呢？

对于第一种异议，我们很难明确驳斥，但第二个问题引起了争论。没有人反对月球上曾存在水这一事实，而一切都证明水可能从地表消失了。我们甚至可以做出这样的假设：地球上也存在类似的现象。确实，地质学和地球物理学带来的证据表明，目前地球上的水资源远不如以前丰富。事实上，地球上的水虽未完全消失，但普遍龟裂的地壳为**物质提供了数不清的通道，这些**物质与日俱增地渗入、渗透至地球内部，逐渐在地表减少，最终消失。此外，水凭借其侵蚀能力，就像一个天生的工匠一样，通过力学、化学作用的双管齐下，侵蚀了裂缝内壁，凿出了一道道越来越顺畅的纹路。

地球上某些受水的力学和化学作用影响形成的山地的特殊地貌在月球上并不存在。

疏松地面上的径流速度很快，形成了分支型河谷，这是地球地形的特点之一。——勒内·戴维南

随着水元素在地球表面的逐渐干涸，让我们重新回到对月球水文问题的研究上来。月球土壤的性质大大方便并加快了水的深层渗透。我们已经发现，月球地壳破碎，岩石疏松，易被渗透。在这种情况下，人们可以合理判断出**物质仅在月球表面停留了相当短的一段时间。此外，仔细观察月球地形也可能证明这一假设，因为在观测的可能范围内，即在月球地形的巨大轮廓里，没有什么表明该地形是由水雕刻塑造而成的。而在地球的各个角落，我们都能明显看到水不知疲倦的强烈作用：它雕刻岩石，削薄山顶或将其推倒，把山沟或峡谷挖凿得越来越深，而被摧毁的物质的堆积和漂移则导致了特殊地形的形成，该地形的轮廓遵守了特定的规律。在月球上，我们却没有发现任何类似的地貌。月球上的山地就像凸起高地的混乱组合，将其分隔开来的洼地与流水雕刻而成的峡谷没有任何相似之处，我们也没有找到任何可被视为流域分水岭的线型或多分支型山脊，因此月球地表形态很有可能未曾被大量或长期的径流所改变和调整。更何况我们应当承认，月球上的任何一种起伏，无论是月坑还是山脉，都完好无损地维持住了每一个细微末节，也就是说任何侵蚀或腐蚀作用都未曾将其改造。值得注意的是，要达到同等效果，月球上的水需要花费比在地球上更长的时间进行机械做功，因为月球微弱的重力使水的流速减慢，极大程度上削弱了它的功效。

高空俯瞰水流对地球表面造成的影响。“探索2号”平流层气球在上升期间于海拔23 780米处垂直拍摄到巨大河流及其无数支流。——法新社

月球“阿尔卑斯山脉”的粗糙外貌。阿尔卑斯山脉被一条笔直的峡谷切断，这看起来就像是地壳的巨大裂缝。——勒莫尔旺摄

如此，我们可以用以下方式概括月球表面的水和空气问题：

目前，研究至多揭示了空气几乎察觉不到的存在，并几乎可以肯定水的缺席，却不能否认它们在过去的可观数量。

那么，它们已经消失了吗？又是怎样消失的呢？

我们已经知道，水会渗入地壳直至彻底消失；至于空气，根据物理化学定律，气体分子要么逃逸到了太空，要么固定在了月球的土壤里，可能正在变得越来越稀薄。