星辰大海之旅（15）月球（上）

月亮，即月球，是嫦娥的故乡。是史前古人发现的。

月球的亮度为-12（视星等）。月亮，盈盈亏亏，循环往复。月圆时分，清辉抚爱大地，勾起了希望，勾起多少美好的憧憬！它也是我们的邻居。人类对天体的探索，就是从月球开始的。

月球（the moon），是地球唯一的卫星，是太阳系内质量最大、密度第二大的卫星，密度仅次于木卫一。它的平均密度为3.35(水的密度为1)。月球的直径是3476.28千米。它的直径约是地球平均直径的1/4，而质量只是地球的1/81，引力是地球的1/6。

月球离我们很遥远，距地距离是389802km。月球与地球的平均距离为384000km，大约是地球直径的30倍。

月球到地球的距离相当于地球到太阳的距离的1/400，所以从地球上看月亮和太阳一样大。

月球表面布满了由陨石撞击形成的环形山。

月球的自转与公转同步，由于潮汐锁定，始终以同一面朝向着地球。月球与太阳大小的比与距离的比相近，使得它的视大小与太阳几乎相同，在日食时月球可以完全遮蔽太阳而形成日全食。月球对地球所施的引力是潮汐现象的起因之一。

月球是第一个人类曾经登陆过的地外星球。前苏联的月球计划在1959年发射了第一艘登月的无人太空船。美国NASA的阿波罗计划是到目前为止，唯一实现的载人登月任务。2019年1月3日，中国嫦娥四号成功登陆月球背面，全人类首次实现月球背面软着陆。

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天体是在不停地运动的，而且很复杂，也很奇妙。月球也是这样。月球的轨道运动有以下四种。

1、月球公转

月球以椭圆轨道绕地球运转，公转周期27.32日(恒星月)。月球运动方向：围绕地球自西向东逆时针方向旋转。

月球轨道叫白道，地球轨道叫黄道。白道面不重合于天赤道，也不平行于黄道面，而且空间位置不断变化。月球轨道对地球轨道的平均倾角为5°09′。月球平均每年以4cm的速度逐渐与地球离去。

【恒星月】恒星月是指月球对于一颗恒星来说的自转周期。

黄道与白道

地球黄道面

2、月球自转——同步自转

月球在绕地球公转的同时也进行自转，自转周期27.32166日，正好是一个恒星月，所以我们看不见月球背面。这种现象称"同步自转"，几乎是卫星世界的普遍规律。一般认为是行星对卫星长期潮汐作用的结果。

相对于背景星空，月球公转一周所需时间称为一个恒星月；而新月与下一个新月(两个相同月相之间)所需的时间称为一个朔望月。朔望月比恒星月长是因为地球在月球运行期间，本身也在绕日的轨道上前进了一段距离。

3、月球章动

地球赤道面以23.45°倾斜于黄道面。白道面与黄道面保持着5.145396°的夹角，月球自转轴与黄道面的法线成1.5424°的夹角。地球并非完美球形，在赤道较为隆起，因此白道面在不断进动，即与黄道的交点在顺时针转动，每18.5966年完成一周。期间，白道面相对于地球赤道面的夹角会在28.60°至18.30°之间变化(23.45±°5.15°)。同样地，月球自转轴与白道面的夹角也会在6.69°到3.60°之间变化(5.15±°1.54°)。月球轨道这些变化又会反过来影响地球自转轴的倾角，使它出现±0.00256°的摆动，称为章动。

4、天秤动

天平动是从卫星环绕的天体上观察所见到的真实的视觉上非常缓慢的振荡。

天平动是一个很奇妙的现象，它使得我们得以看到59%的月面。主要有以下几点原因：A，在椭圆轨道的不同部分，自转速度与公转角速度不匹配。B，白道与赤道的交角。

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下面看月球的结构特征。

1、亮度

月球本身并不发光，只反射太阳光。满月时亮度平均为-12.7等。月球平均亮度为太阳亮度的1/465000。月面不是一个良好的反光体，它的平均反照率只有9%，其余91%均被月球吸收。月海的反照率更低，约为7%。月面高地和环形山的反照率为17%，看上去山地比月海明亮。

2、大气环境

由于月球上没有大气，因而月球表面昼夜温差很大。白天，月球表面在阳光垂直照射的地方温度高达127℃；夜晚，其表面温度可降低到-183℃。月面土壤中较深处的温度很少变化，这是由于月面物质导热率低造成的。

3、分层结构

月球有壳、幔、核等分层结构。最外层的月壳平均厚度约为60-64.7公里。月壳下面到1000公里深度是月幔，它占了月球的大部分体积。月幔下面是月核，月核温度约为1000℃，可能是熔融状态。

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月食现象

月食是一种特殊的天文现象。当月球行至地球的阴影后时，太阳光被地球遮住。也就是说，此时的太阳、地球、月球恰好(或几乎)在同一条直线，因此从太阳照射到月球的光线，会被地球所掩盖。

月食可分为月偏食、月全食两种。当月球只有部分进入地球的本影时，就会出现月偏食；而当整个月球进入地球的本影之时，就会出现月全食。

在月球轨道处，地球本影的直径仍相当于月球的2.5倍。所以当地球和月亮的中心大致在同一条直线上，月亮就会完全进入地球的本影，而产生月全食。而如果月球始终只有部分为地球本影遮住时，即只有部分月亮进入地球的本影，就发生月偏食。月球上并不会出现月环食，因为月球的体积比地球小的多。

太阳的直径比地球的直径大得多，地球的影子可以分为本影和半影。如果月球进入半影区域，太阳的光也可以被遮掩掉一些，这种现象在天文上称为半影月食。多数情况下半影月食不容易用肉眼分辨。

另外由于地球的本影比月球大得多，这也意味着在发生月全食时，月球会完全进入地球的本影区内，所以不会出现月环食这种现象。

每年发生月食数一般为2次，最多发生3次，有时一次也不发生。因为在一般情况下，月亮不是从地球本影的上方通过，就是在下方离去，很少穿过或部分通过地球本影，所以一般情况下就不会发生月食。

本影和半影

本影和半影

月全食

月偏食

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地理地形

月球表面有阴暗的部分和明亮的区域。亮区是高地，暗区是平原或盆地等低陷地带，分别被称为月陆和月海。早期的天文学家在观察月球时，以为发暗的地区都有海水覆盖，因此把它们称为"海"。著名的有云海、湿海、静海等。而明亮的部分是山脉，那里层峦叠嶂，山脉纵横，到处都是星罗棋布的环形山，即月坑，这是一种环形隆起的低洼形。

除了环形山，月面上也有普通的山脉。高山和深谷叠现，别有一番风光。月球背面的结构和正面差异较大。月海所占面积较少，而环形山则较多。地形凹凸不平。背面未发现质量瘤。背面的月壳比正面厚，最厚处达150公里，而正面月壳厚度只有60公里左右。

【质量瘤】质量瘤是指一颗行星或卫星的地壳上一处比周边地方有更强引力的地域。事实上，在地球及火星，甚或在其他行星或卫星也好，都可以出现质量瘤。质量瘤的出现，与行星或卫星的构成部份的密度有关。

1、环形山

环形山这个名字是伽利略起的。是月面的显著特征，几乎布满了整个月面。月球上直径大于1000米的环形山多达33000多个。位于南极附近的贝利环形山直径295公里，可以把整个海南岛装进去。最深的山是牛顿环形山，深达8788米。小的环形山甚至可能是一个几十厘米的坑洞。直径不小于1000米的大约有33000个。占月面表面积的7%-10%。

环形山的形成现有两种说法："撞击说"与"火山说"。"撞击说"是指月球因被其他行星撞击而有现今人类所看到的环形山。"火山说"是指月球上本有许多火山，最后火山爆发而形成了环形山。

贝利环形山

牛顿环形山

2、月海

月面上的阴暗部分实际上是广阔平原，即月海。已确定的月海有22个，绝大多数分布在月球正面。背面有3个，4个在边缘地区。在正面的月海面积略大于50%，其中最大的"风暴洋"面积约五百万平方公里，差不多九个法国的面积总和。大多数月海大致呈圆形，椭圆形，且四周多为一些山脉封闭住，但也有一些海是连成一片的。

风暴洋

除了"海"以外，还有五个地形与之类似的"湖"--梦湖、死湖、夏湖、秋湖、春湖，但有的湖比海还大，比如梦湖面积7万平方千米。月海伸向陆地的部分称为"湾"和"沼"，都分布在正面。湾有五个：露湾、暑湾、中央湾、虹湾、眉月湾；沼有三个：腐沼、疫沼、梦沼，其实沼和湾没什么区别。

月海的地势一般较低，类似地球上的盆地，月海比月球平均水准面低1-2千米，个别最低的海如雨海的东南部甚至比周围低6000米。月面的反照率也比较低，因而看起来显得较黑。

3、月陆和山脉

月面上高于月海的地区称为月陆，一般比月海水准面高2-3千米，由于它返照率高，因而看来比较明亮。在月球正面，月陆的面积大致与月海相等；但在月球背面，月陆的面积要比月海大得多。月陆比月海古老得多，是月球上最古老的地形特征。

除了犬牙交差的众多环形山外，也存在着一些与地球上相似的山脉。山脉常借用地球上的山脉名，如阿尔卑斯山脉，高加索山脉等等，其中最长的山脉为亚平宁山脉，绵延1000千米，但高度不过比月海水准面高三、四千米。山脉上也有峻岭山峰。如今认为大多数山峰高度与地球山峰高度相仿。1994年，美国的克莱门汀月球探测器曾得出月球最高点为8000米的结论，根据"嫦娥一号"获得的数据测算，月球上最高峰高达9840米。月面上6000米以上的山峰有6个，5000-6000米20个，3000-6000米则有80个，1000米以上的有200个。月球上的山脉有一普遍特征：两边的坡度很不对称，向海的一边坡度甚大，有时为断崖状，另一侧则相当平缓。

除了山脉和山群外，月面上还有四座长达数百千米的峭壁悬崖。其中三座突出在月海中，这种峭壁也称"月堑"。

4、月面辐射纹

月面上还有一个主要特征是一些较"年轻"的环形山，常带有美丽的"辐射纹"，这是一种以环形山为辐射点的向四面八方延伸的亮带，它几乎以笔直的方向穿过山系、月海和环形山。辐射纹长度和亮度不一，最引人注目的是第谷环形山的辐射纹，最长的一条长1800千米，满月时尤为壮观。其次，哥白尼和开普勒两个环形山也有相当美丽的辐射纹。据统计，具有辐射纹的环形山有50个。

第谷环形山

辐射纹的成因至今未有定论。实质上，它与环形山的形成密切相关。多数倾向于陨星撞击说，认为在没有大气和引力很小的月球上，陨星撞击可能使高温碎块飞得很远。而另外一些科学家认为，火山爆发的喷射也有可能形成四处飞散的辐射形状。

5、月谷

地球上有着许多著名的裂谷，如东非大裂谷。月面上也有这种构造。那些看来弯弯曲曲的黑色大裂缝即是月谷，有的绵延几百到上千千米，宽度从几千米到几十千米不等。那些较宽的月谷大多出现在月陆上较平坦的地区，而那些较窄、较小的月谷(月溪)到处都有。最著名的月谷是在柏拉图环形山的东南连结雨海和冷海的阿尔卑斯大月谷，它把月球上的阿尔卑斯山拦腰截断，很是壮观。从太空拍得的照片估计，它长达130千米，宽10-12千米。2014年10月5日，科学家在月球上发现一个隐藏于地下的巨形的方形结构。这一结构宽2500公里，科学家们认为这是一条古老的裂谷系统，后来其中充填了岩浆。

阿尔卑斯大月谷

6、火山分布

月球的表面被巨大的玄武熔岩(火山熔岩)层所覆盖。早期的天文学家认为，月球表面的阴暗区是广阔的海洋，因此，他们称之为"mare"，这一词在拉丁语中的意思就是"大海"。当然这是错误的，这些阴暗区其实是由玄武熔岩构成的平原地带。除了玄武熔岩构造，月球的阴暗区，还存在其他火山特征。最突出的，例如蜿蜒的月面沟纹、黑色的沉积物、火山园顶和火山锥。不过，这些特征都不显著，只是月球表面火山痕迹的一小部分。

火山锥

与地球火山相比，月球火山可谓老态龙钟。大部分月球火山的年龄在30-40亿年之间；典型的阴暗区平原，年龄为35亿年；最年轻的月球火山也有1亿年的历史。而在地质年代中，地球火山属于青年时期，一般年龄皆小于10万年。地球上最古老的岩层只有3.9亿年的历史，年龄最大的海底玄武岩仅有200万岁。年轻的地球火山仍然十分活跃，而月球却没有任何新近的火山和地质活动迹象，因此，天文学家称月球是"熄灭了"的星球。

地球火山多呈链状分布。例如安底斯山脉，火山链勾勒出一个岩石圈板块的边缘。夏威夷岛上的山脉链，则显示板块活动的热区。月球上没有板块构造的迹象。典型的月球火山多出现在巨大古老的冲击坑底部。因此，大部分月球阴暗区都呈圆形外观。冲击盆地的边缘往往环绕着山脉，包围着阴暗区。

月球阴暗区主要出现在月球较远的一侧。几乎覆盖了这一侧的1/3面积。而在较远一侧，阴暗区的面积仅占2%。然而，较远一侧的地势相对更高，地壳也较厚。由此可见，控制月球火山作用的主要因素是地表高度和地壳厚度。

【火山锥】火山锥(volcanic cone)是火山喷出物在喷出口周围堆积而形成的山丘。

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月球诞生成因探讨

月球的起源莫衷一是。对月球的起源，历史上大致有三大派。而后期则在各种说法的基础上，结合研究结果而新形成了"碰撞说"，但并未定论。

（1）分裂说

这是最早解释月球起源的一种假设。认为月球本来是地球的一部分，后来由于地球转速太快，被地球抛了出去，这些物质脱离地球后形成了月球，而遗留在地球上的大坑就是现在的太平洋。但以地球的自转速度是无法将那样大的一块东西抛出去的。再者，通过对"阿波罗12号"飞船从月球上带回来的岩石样本进行化验分析发现，二者相差非常远。

（2）俘获说

这种假设认为，月球本来只是太阳系中的一颗小行星，因为运行到地球附近，被地球的引力所俘获，从此再也没有离开过地球。还有一种接近俘获说的观点认为，地球不断把进入自己轨道的物质吸积到一起，久而久之，吸积的东西越来越多，最终形成了月球。但也有人指出，像月球这样大的星球，地球恐怕没有那么大的力量能将它俘获。

（3）同源说

这一假设认为，地球和月球都是太阳系中浮动的星云，经过旋转和吸积，同时形成星体。在吸积过程中，地球比月球相应要快一点，成为"哥哥"。这一假设也受到了客观存在的挑战。通过对"阿波罗12号"飞船从月球上带回来的岩石样本进行化验分析，人们发现月球要比地球古老得多。有人认为，月球年龄至少应在53亿年左右。

（4）碰撞说

这一假设认为，太阳系演化早期，在星际空间曾形成大量的"星子"，先形成了一个相当于地球质量0.14倍的天体星子。星子通过互相碰撞、吸积而合并，形成一个原始地球。一次偶然的机会，小的天体撞向地球，改变了地球的运动状态，使地轴倾斜。那个小的天体被撞击破裂，飞离地球的气体和尘埃并没有完全脱离地球的引力控制，通过相互吸积而结合起来，形成几乎熔融的月球，或者是先形成一个环，在逐渐吸积形成一个部分熔融的大月球。这个版本被普遍认可。

然而，陨石分析表明火星和行星这些太阳系内的天体具有与地球大不相同的氧和钨同位素组成。而地球和月球具有几乎相同的同位素组成。发表在2012年的对Apollo月球样本所作的钛同位素分析也表明月球和地球具有相同的组成。这与月球形成的碰撞说相矛盾。

既然月球既不是被地球俘获的一个现成天体，也不是地球与别的天体碰撞的产物。因此，月球只能是地球自身的产物。但是，地球也不具有足够的转速来把与地球紧密相连的月球部分随意抛出去。因此，月球应该是在特殊力的综合作用下从地球分离出来，进入绕地球旋转的轨道，形成环地卫星。

不过，现在越来越多的事实证明月球并不是天然卫星，甚至有人大胆提出月球是外星人造来监控地球的，或是人类智慧的祖先造的，这种说法未免荒诞。月球的诞生仍旧是个谜。

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行星与卫星的联系——地月关系

地球与月球互相绕着对方转，两个天体绕着地表以下1600千米处的共同引力中心旋转。月球的诞生，为地球增加了很多新事物。

月球绕着地球公转的同时，其特殊引力吸引着地球上的水，同其共同运动，形成了潮汐。潮汐为地球早期水生生物走向陆地，帮了很大的忙。

地球很久很久以前，昼夜温差较大，温度在水的沸点与凝点之间，不宜人类居住。然而月球对地球海水的引力减慢了地球自转和公转速度，使地球自转和公转周期趋向合理，带给了我们宝贵的四季，减小了温度差，从而适宜人类居住。

地球上之所以看到月球的半面，这是因为月球的自转周期和公转周期严格相等，那这到底是巧合还是有着内在的联系呢？我们发现太阳系中绝大多数的卫星的自转周期和公转周期严格相等，看来这似乎是存在什么内在联系的。

月球在地球引力长期的作用下，它的质心已经不在其几何中心，而是在靠近地球的一边，因此月球相对于地球的引力势能就变得最小，在月球绕地球公转的过程中，月球的质心永远朝向地球的一边，就好像地球用一根绳子将月球绑住了一样。太阳系的其他卫星也存在这样的情况，所以卫星的自转周期和公转周期相等不是什么巧合，而是有着内在的因素。

地震和月球到底有没有关系？这是近百年来始终困扰科学家的问题。如今，日美研究证实：月球引力影响海水的潮汐，在地壳发生异常变化积蓄大量能量之际，月球引力很可能是地球板块间发生地震的导火索。地震发生的时间，与潮汐对断层面的压力有很高的关联性，月球引力作用促使断层错位时，发生地震次数较多。

2019-1-23

【附】

月球的天平动

因为月球的自转周期和它的公转周期是完全一样的，所以地球上只能看见月球永远用同一面向着地球。自月球形成早期，地球便一直受到一个力矩的影响导致自转速度减慢，这个过程称为潮汐锁定。亦因此，部分地球自转的角动量转变为月球绕地公转的角动量，其结果是月球以每年约38毫米的速度远离地球。同时地球的自转越来越慢，一天的长度每年变长15微秒。

从地球上看月亮，看到的月球表面并不是正好它的一半，这是因为月球像天平那样摆动。地球上的观测者会觉得：在月球绕地球运行一周的时间里，月球在南北方向来回摆动，即在维度的方向像天平般的摆动，这被称为"纬天平动"，摆动的角度范围约6°57′。

月球在东西方向上，即经度方向上来回摆动的现象，被称为"经天平动"，摆动角度达到7°54′。

除去这两种主要的天平动，月球还有周日天平动和物理天平动，前三种天平动都并非月球在摆动，是因为观测者本身与月球之间的相对位置发生变化而产生的现象。只有物理天平动是月球自身在摆动，而且摆动得很小。

由于月球轨道为椭圆形，当月球处于近地点时，它的自转速度便追不上公转速度，因此我们可见月面东部达东经98度的地区，相反，当月处于远地点时，自转速度比公转速度快，因此我们可见月面西部达西经98度的地区。这种现象称为天秤动。又由于月球轨道倾斜于地球赤道，因此月球在星空中移动时，极区会作约7度的晃动，这种现象称为天秤动。再者，由于月球距离地球只有60地球半径之遥，若观测者从月出观测至月落，观测点便有了一个地球直径的位移，可多见月面经度1度的地区。

月球对地球所施的引力是潮汐现象的起因之一。月球围绕地球的轨道为同步轨道，所谓的同步自转并非严格。严格来说，地球与月球围绕共同质心运转，共同质心距地心4700千米(即地球半径的3/4处)。由于共同质心在地球表面以下，地球围绕共同质心的运动好像是在"晃动"一般。从地球南极上空观看，地球和月球均以顺时针方向自转；而且月球也是以顺时针绕地运行；甚至地球也是以顺时针绕日公转的，形成这种现象的原因是地球、月球相对于太阳来说拥有相同的角动量，即"从一开始就是以这个方向转动"。

行星、地球和月球的形成背景

在46亿年之前，地球正在孕育当中，地球上的生命更没有诞生。太阳系还处于混沌初开的太阳星云阶段。在年轻太阳的周围，庞大的气体尘埃星云中，尘埃与块状岩石不断的凝聚、碰撞、吸积，星云中的部分物质开始生成为环绕太阳的行星和卫星系统。

月球和地球一样都是恒星碎片汇聚而成，开始月球质量很小，恒星碎片撞击月球的动能也很小，随着月球质量的增加，在万有引力作用下，恒星碎片撞击月球的速度加快。撞击月球的动能在不断增强。月球表面开始融化，慢慢月球表面形成炽热的岩浆。这时月球的球体被地球的引力拉长，自转中的月球在内摩擦作用下，停止相对地球的自转。当月球慢慢冷却形成壳体，月球就形成今天有平衡动的现象。当壳体固定下来，壳体内的岩浆，会慢慢冷却收缩。慢慢岩浆就会和壳体脱离，随着时间的推移，壳体内就会形成很大的空间。岩浆在万有引力作用下，会自然形成球体，这时月球壳体内就形成一个很大的空间。因月球最初形成时，恒星碎片动能很小，地核越往里温度越低。

月球成因碰撞说

这一假设认为，太阳系演化早期，在星际空间曾形成大量的"星子"，先形成了一个相当于地球质量0.14倍的天体星子；星子通过互相碰撞、吸积而合并形成一个原始地球。这两个天体在各自演化过程中，分别形成了以铁为主的金属核和由硅酸盐构成的幔和壳。由于这两个天体相距不远，因此相遇的机会就很大。一次偶然的机会，那个小的天体以每秒5千米左右的速度撞向地球。剧烈的碰撞不仅改变了地球的运动状态，使地轴倾斜，而且还使那个小的天体被撞击破裂，硅酸盐壳和幔受热蒸发，膨胀的气体以极大的速度携带大量粉碎了的尘埃飞离地球。这些飞离地球的物质，主要有碰撞体的幔组成，也有少部分地球上的物质，比例大致为0.85：0.15。在撞击体破裂时与幔分离的金属核，因受膨胀飞离的气体所阻而减速，大约在4小时内被吸积到地球上。飞离地球的气体和尘埃，并没有完全脱离地球的引力控制，通过相互吸积而结合起来，形成几乎熔融的月球，或者是先形成一个环，在逐渐吸积形成一个部分熔融的大月球。这个版本被普遍认可。

地震与月球的关系

海水的自然涨落现象就是人们常说的潮汐。当月亮到达离地球近处(我们称之为近地点)时，朔望大潮就比平时还要更大，这时的大潮被称为近地点朔望大潮。

科学家已经就潮汐对地震的影响猜测了很长的时间，但还没有人论证过它对全球范围的影响效果，以前只发现在海底或火山附近，地震与潮汐才呈现出比较清楚的联系。研究者发现，地震的发生与断面层潮汐压力处于高度密切相关，猛烈的潮汐在浅断面层施加了足够的压力从而会引发地震。当潮很大，达到大约2-3米时，3/4的地震都会发生，而潮汐越小，发生的地震也越少。

该文章的作者伊丽莎白.哥奇兰说："月球引力影响海潮的潮起潮落，地球本身在月球引力的作用下也发生变形。猛烈的潮汐在地震的引发过程中发挥了很大的作用，地震发生的时间会因潮汐造成的压力波动而提前或推迟。"

该文章另一位作者、加州大学洛杉矶分校地球与空间科学系教授约翰.维大说："地震起因还是一个谜，而这一理论可以说是其中的一种解释。我们发现海平面高度在数米范围内的改变所产生的力量会显著地影响地震发生的几率，这为我们向彻底了解地震的起因迈出了坚实的一步。"

哥奇兰等人首次将潮的相位和潮的大小合并计算，并对地震和潮汐压力数据进行了统计学分析，采用的计算方法来自于日本地球科学与防灾研究所的地震学家田中。田中从1977年至2000年间全球发生的里氏5.5级以上的板块间地震中，调查了2207次被称为"逆断层型"地震发生的地点、时间等记录，以及与发生地震时月球引力的关系，结果发现：地震发生的时间，与潮汐对断层面的压力有很高的关联性，月球引力作用促使断层错位时，发生地震次数较多。

田中认为："月球的引力只有导致地震发生的地壳发生异常变化的作用力的千分之一左右，但它的作用是不可小视的，它是地震发生的最后助力，相当于压死骆驼的最后一根稻草。"

2019-1-23

月偏食：

太阳系

月全食：

月球欣赏：