钟萃相
（江西师范大学，江西 南昌 330022）
【摘要】对月球起源的研究不仅能够发现月球的形成规律，而且可以揭示宇宙星系的形成和演进规律。因此，作者近来研究了月球的起源，发现了月球的一些变轨机制，从而揭示了月球的形成和演进规律。并根据该规律，可进一步揭示太阳系的形成和演进规律及其它星系的结构，并能科学地解释宇宙的膨胀和全球气候变化的原因。
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关键词 月亮；太阳系；形成；演进；宇宙膨胀；全球气候变化
【Abstract】The research on the origin of the Moon can not only find out the formation law of the Moon but also reveal the formation and evolution law of galaxies in the universe. Hence many people have studied the Moon, but the origin of the Moon remains a mystery. Recently, the author of this paper has studied the origin of the Moon and found out some Moon’s orbit variation mechanisms, thus has revealed the formation and evolution law of the Moon. According to this law, the author has further revealed the formation and evolution law of the Solar System and other galaxies in the universe. Additionally, the author could also explain the expansion of the universe as well as the cause of global climate change.
【Key words】Moon; The solar system; Forming; Evolution; Expansion of the universe; Global climate change
0 引言
由于月球是环绕地球运行的唯一的一颗自然卫星，对月球起源的研究不仅能够发现太阳系星球卫星的形成规律，而且可以揭示宇宙星系的形成与演进规律。因此许多人研究过月球，甚至有人乘宇宙飞船登上过月球，但是关于月球的起源仍然是一个不解之谜。
对于月球的形成，人们提出了多种假说[1]。一种假说是分裂说，即有人认为在太阳系形成初期，地球和月球原是一个整体，那时地球还处于熔融状态，由于地球自转非常快，因此月球通过离心力从地壳中分裂出来了，但这要求地球的初始旋转速度太快以至难以令人置信。事实上，作者近来的研究表明在地球形成之初，地球绕太阳的轨道很近，地球应该像水星和金星那样自转速度很慢，因此这种假说明显有错。另一种假说是俘获说，即有人认为月球是地球通过地心引力俘获的现成天体，但这要求一个实际上不可行的扩展的地球大气层来散发穿过大气层的月球的能量。还有一种假说是同源说，即有人认为地球和月球是在同一个原始吸积盘里形成的，但这无法解释月球中金属铁的剥夺。而且这些假说还不能解释地-月系统所要求的高标准角动量。
当今占上风的假说是碰撞说[2]，即有人认为地-月系统是一次大碰撞的结果：一个火星大小的天体撞上刚刚形成的原始地球，爆炸的物质进入环绕地球的轨道，然后积聚形成月球。然而，陨石分析表明火星和灶神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[2]。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[3]。另外，若真的发生了这样的碰撞，则碰撞过程中所释放的巨大能量以及随后在地球轨道中发生的物质重聚将融化整个地球外壳，形成岩浆海洋。新形成的月球上也有它自己的岩浆海洋，估计海洋深度从500km到整个月球半径之长。然而事实并非如此，可见碰撞说也不成立。
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，月球应该像人造卫星那样，构成月球的物质应该在特殊力的作用下从地球射入空中，进入绕地球旋转的某些轨道，然后逐渐地积聚成巨大的卫星。
1 月球起源新解说
许多科学研究表明，大约在45亿年以前，也即在地球形成之初，地球便开始出现了频繁的火山喷发，因为那时地球离太阳较近，地球绕太阳运行的速度也快得多，地球内部积蓄了大量的热量，因而导致了频繁而猛烈的火山喷发。在一些猛烈的火山喷发过程中，有些诸如火山灰、火山弹和浮石之类的碎屑在巨大的岩浆喷射力的推动下可获得第一宇宙速度以上的飞行速度，从而进入绕地球运行的轨道，形成一层一层的环球“星云”。在这些进入绕地轨道的碎屑中有一块体积较大的碎片就是后来形成月球的雏形。另外，当火山喷射的方向与地球自转的方向一致时，射出的岩石碎片容易获得第一宇宙速度以上的飞行速度，所以在环绕地球的同一轨道中顺行碎片比逆行碎片多。因此，顺行星子可以吸收合并更多的顺行碎屑，碰撞更少的逆行碎屑，因而更容易成长为月球。这就是为什么月球是顺行卫星的原因。
月球雏形最初进入的绕地轨道距离地球较近，地球周围有大量的火山喷射物质，如火山灰、水蒸气、SO2形成的气溶胶等，形成环绕地球的“星云”。此外，月球轨道附近还有许多其他星际物质。后来月球雏形不断地吸收轨道附近的这些物质而变得越来越大，并渐渐地远离地球，成为今天庞大的月球。关于这一点，可证明如下[4]：当月球绕地球正常运转时，地球对月球的万有引力与月球的离心力大小相等、方向相反，假设地球的质量为M，月球的质量为m1，月球的半径为rm，月球绕地球运转的轨道半径为r，转速为v，则
靠近月球的轨道，还有一些较小的由地球抛射物形成的星子在环地飞行，如图1所示。假设这些星子的轨道半径为rx，则这里所考虑的星子的轨道半径满足：r-rm<rx<r。
假设星子的运行速度为vx，则
因此这些较小的顺行星子最终将赶上月球。特别地，当一个较小的顺行星子接近月球时，月球的引力又加速该星子的运动，使星子的速度大于vx。假设该星子的质量为m2， 当它撞上月球时的速度为vy，则月球与该星子合并时的离心力是
即月球绕地球旋转的离心力大于地球对月球的引力，因而月球重心有远离地球的趋势。特别地，如果撞击月球的星子足够大，它还可能猛烈地撞击月球，使月球的顺行速度增至更大的值v2，这时
月球重心就远离地球一段距离。总之，随着月球质量的递增，月球重心也在远离地球。
事实上，月球远离地球的另一个原因是地球自转速度的加快。这是因为地球起源于后来形成太阳的行星的卫星。起初，地球的质量较小，其上没有浓密的大气层，而且靠近母行星，所以它几乎被其母行星同步锁定，无法绕其自身轴自转，正如现在的水星和金星那样。后来，它不断地吸积轨道附近的“星云”物质而变得越来越大，并且渐渐地远离母星，正如月球远离地球那样。随着地球质量的增加，它可以从宇宙空间中吸收越来越多的水气来形成自己的大气层，甚至形成一个大水圈。当它的母星变成发光发热的恒星时，由于它绕其母星按反时针方向旋转，该行星上靠近母星的那一面受到来自母星阳光的照射，使该面的温度高于背面的温度，从而使该面蒸发起更多的水气,甚至形成撞击高山的巨云或横扫大地的风暴。因此，在该行星绕母星旋转的过程中，该行星上靠近母星的那一面比另一面受到更大的空气阻力，从而使该行星从西向东自转。并且随着地球大气层和水圈的增长，地球的自转速度将逐渐加快。美国国家标准技术研究所在1999年的观察结果也表明地球的自转正在逐渐加速。由于地球的潮汐活动、内部流体活动、火山活动、地震活动等，地轴经常偏离空间里的南北轴线，每天围绕南北轴线旋转一次，在地球的自转过程中地球质心的轨迹形成环绕南北轴线的一个圆圈。例如，2011年3月日本东北部海岸发生的9.0级大地震，使地轴偏移了25厘米，并使地球自转速度加快[5]。因此，当地球自转加速时，在地球万有引力的拖曳下，月球绕地球的公转速度也会加快，从而使月球绕地球公转的离心力增大，最终使月球远离地球。这就是为什么人们观察到月球正在渐渐地远离地球的原因。
由于同样的原因，一批又一批地球火山喷射物或星子被驱离地球并传送至月球，使月球在40亿年中成为一个覆盖火山灰的大卫星。
另外，月球上的火山喷发也曾是驱动月球远离地球的原因之一。月球形成之初是一个冷却的均质球体，但随着月球质量和体积的不断增加，月球内部的热能不断积聚，包括月球高速旋转（速度接近7.9km/s）引起的气流摩擦产生的热能，月球自身引力收缩过程产生的热能，原始月球内部化学反应而产生的热能。正是由于月球原始热能积聚到一定程度，才使原始月球物质发生了熔融分异，形成了月球的不同圈层：月核，月幔核月壳。
月球早期的轨道离地球大气层很近，特别是月球正面（即靠近地球的那一面）有一大块表面浸泡在地球大气层中，因此月球从地球大气层中吸收了大量的水气，在月球表面形成了大面积的冰水覆盖区，月海由此产生。特别地，由于在月球高速环绕地球公转的过程中，月球表面会产生自东向西的气流或风暴，因此在月球西半球产生了“风暴洋”。现在科学家也已发现，月球两极地区仍然存在着大量的冰水物质。但是，在月球环地飞行过程中，月球东半球总处于头部位置，与空气的摩擦较剧烈，产生大量的热量，使东半球气温较高；加上月球东面始终面向太阳，也使其表面温度高于西半球。因此，月球东半球气温高于西半球，这就使东半球气流活跃，不容易凝结冰水，而西半球气温较低，容易凝结冰水，因此西半球覆盖着较多的冰水，这就是为什么西半球具有较多的月海。
由于冰水的长期侵蚀，许多地方的月壳破裂，当冰水进入月幔与炽热的岩浆接触时，水分立即气化，产生猛烈的火山喷发。由于西半球覆盖着较厚的冰水，因此西半球发生火山喷发的概率和强度高于东半球。总的来说，月球西面所受火山推动力大于东面所受火山推动力， 这就会使月球公转增速，发生变轨，从靠近地球的轨道逐渐转移到远离地球的轨道。关于这点可分如下两步来说明：
（1）月球公转增速引起月球轨道扩大
例如，假设起初月球质量为7.349e20kg，它运行在一个近似圆形的椭圆轨道上，近地点距离r1=8200km，远地点距离r2=8220km, 近地点处的公转速度VA2=7896m/s。根据式（7），用计算机可算出，欲使月球从原有的椭圆轨道变轨到远地点距离r3=r2+0.0002m的椭圆轨道，月球在近地点的公转速度应增加6.16869e-8m/s。当月球运行到近地点距离r1=200000km，远地点距离r2=220000km，近地点处的公转速度VA2=1412.48m/s的椭圆轨道上时，欲使月球从原有椭圆轨道变轨到远地点距离r3=r2+0.04m的椭圆轨道，月球在近地点的公转速度应增加6.11464e-8 m/s。可见卫星离地心越远变轨越容易。
一般地，如下图3(a) 所示，对于椭圆轨道2上的任一点D，假设D与地心之间的距离为r4，月球在D点的线速度为VD，则由开普勒第二定律可得
假设月球在D点受到推力作用得到加速，使VD变为V4，能使月球变轨到更大的椭圆轨道4。如果该椭圆轨道的近地点距离不变，则其远地点距离必增加。假设当月球在轨道2 的A点由速度VA2增大到VA4时，月球也可进入轨道4，则
即如果月球在轨道2 的A点发生ΔV的增速能使月球轨道的远地点距离增加，则月球在轨道2 的D点只需发生r1/r4ΔV（r1/rD<1）的增速就可以使月球轨道的远地点距离具有同样的增幅。由于D的任意性，可见由于月球增速引起月球轨道扩大的概率是很大的。
类似地，如图3(b)所示，对于从远地点B出发驶向近地点E的半椭圆轨道2上的任一点D，如果月球在D点受到推力作用而被加速，则能使月球变轨到近地点距离增加的轨道4。
（2）火山喷发改变月球公转速度
如前面图1所示，在月球绕地球公转的过程中，当月球上有火山口朝着与月球公转切线方向相反的方向连续不断地喷出大量的高速气体及其他火山物质时，可使月球获得巨大的动量，提高公转切向速度。因此，可参考火箭飞行原理来计算月球公转切向速度的增量。
设在某一瞬时t,月球质量为M，速度为v, 在其后t到 t+dt时间内，月球喷出了质量为dm的物质，这些物质喷离月球的速度为u，使月球的速度增加了dv，所以在时刻t+dt，月球的质量为M+dM，速度为v+dv，喷出物质的质量为dm（当dt很小时，比如当dt≤1秒时，可以认为这些物质此刻飞行在空中），速度为(v+dv-u). 由于月球在绕地球公转的过程中所受的外力仅有地球对月球的引力和月球绕地球旋转的离心力，两个力相互抵消，使外部合力为0, 因此根据动量守恒定理有
Mv=[M+dM](v+dv)+dm(v+dv-u)]
注意到dM=-dm，上式可化简为
dv=-u*dM/M
设在某一时刻ti，月球的质量为Mi，公转速度为vi，在其后ti到 tj时间内地球喷出了一些物质，到了时刻tj，地球剩余质量为Mj，公转速度变为vj， 则对上式积分可得:
设月球原有质量与第1秒火山喷发后剩余质量比为N1, 月球球剩余质量(包括落回月球的物质的质量)与第2秒火山喷发后剩余质量比为N2,…,以此类推. 设火山喷发前地球原有速度为v0，第i秒火山喷发射出物质的速度为ui, 第i秒火山喷发后地球获得的速度为vi, 则
v1-v0=u1ln(N1)，v2-v1=u2ln(N2)，v3-v2=u3ln(N3)，……，vk-vk-1=ukln(Nk)
一般可认为u1=u2=…=uk=u且N1=N2=…=Nk=N（其中u>0，N>0），于是
vk-v0=kuln(N)
在计算火山活动时，应该参照其他星球上的数据。地球历史上著名的维苏威火山持续喷发了10多个小时，每秒能喷出1.54321万吨碎石、熔岩、灰烬和气体。被人们誉为“地中海灯塔”的意大利斯通博利火山几乎连续喷发了至少100年之久。旅行者1号发现木卫一上的火山喷射速度可达1000m/s。
火山喷发还与地理位置有关系。由于月球西半球发生火山喷发的概率和强度都高于东半球，因此月球西面所受火山推动力大于东面所受火山推动力， 这就会使月球公转增速，发生远离地球的变轨。
由于月球上可能有多个火山口同时喷发，因此可以不过分地假设有一个火山群每秒喷物总量为1.54321e9kg（相当于1个维苏威火山口每秒的喷发量），而且火山喷射物质的速度为1000m/s,则经过1个小时的连续喷发，可使质量为7.349e20kg的月球公转增速7.59393e-8m/s。这个增速可以使月球从近地点距离r1=8200km和远地点距离r2=8220km的椭圆轨道变轨到远地点距离增加 0.033m的轨道上；也可以使质量为7.349e22的月球从近地点距离r1=200000km和远地点距离r2=220000km的轨道变轨到远地点距离增加 0.04m的轨道上。
正如式（10）和（11）所表明的那样，在从近地点出发驶向远地点的半椭圆轨道上的任一点D发生同样规模的火山喷发都能使月球获得差不多相同的增速效果，因而可使月球发生差不多相同规模的变轨。由于月球早期轨道离地球较近，公转速度较大，积蓄的热能较多，因此火山喷发频率和强度都大得多。这就使得月球在一年之内发生多次上述规模的变轨的概率相当大。当月球轨道远离地球时，比如近地点距离r1=200000km和远地点距离r2=220000km，虽然火山喷发频率变小，但同样幅度的月球增速却可以使月球发生好几倍的变轨。表1还列出了用计算机算出的多种不同轨道的火山喷发可引起的月球变轨数据。根据这种计算可知，在10亿年之内月球能够远离地球好几万公里。但当月球被驱动到一个更靠近太阳的轨道时，来自太阳的巨大热量就将月球上的水气几乎全部蒸干，留下一个再也不能产生火山喷发的干涸月球。但由于地球自转速度的不断增加，在地球万有引力的牵引下，月球还在渐渐地远离地球。
2 结论
根据上面的讨论可知，正是在地球发生巨大火山喷发时月雏被射入绕地球运转的轨道，然后不断地凝聚轨道附近的星云物质而变得越来越大，并在星子撞击或火山驱动下渐渐地远离地球，演变成今天的月球。可见月球是由地球生成的，因此，这个月球起源新解说可被称为“代生理论（generation theory）”。这个新解说具有许多的优点，能够很好地回答现有解说所不能回答的许多问题。
（1）对于“为何地球和月球具有几乎相同的同位素组成”的问题，回答是由于月球上的物质多数是从地球上喷发出来的，少数来自星际物质，因此地球和月球具有几乎相同的同位素组成。
（2）对于“月球上为何缺少挥发分”的问题，回答是由于地球喷出火山岩和火山灰时挥发分散失殆尽，因此由地球喷出的火山岩和火山灰凝聚而成的月球上缺少挥发分。
（3）对于“月球上为何缺少铁元素”的问题，回答是在地球的形成过程中，地球经过熔融分异形成了地核、地幔和地壳三层，比重较大的铁元素已沉入地核，较轻的元素浮在上层。月球上的物质多数是从地球火山口喷射出来的，这些物质多数来自地幔或地壳，因此月球上缺少如铁那样的重元素。另外，月球也经过熔融和分异，铁元素熔融物质下沉到月球中心，形成由铁、镍等元素组成的月核，因此从月球表面所采的月样往往缺少铁元素。
（4）对于“为何月球的密度（3.3g/cc）比地球的密度（5.5g/cc）要小”的问题，回答是月球主要是由地球火山喷射出来的火山灰、浮石等物质凝聚而成的，这些物质的密度较小，导致月球的平均密度也较小。另外，地心引力远大于月心引力，致使地球的密度大于月球的密度。还有， 地球形成初期，靠近太阳，绕太阳高速旋转，致使地球内部温度剧烈升高，使地球达到高度的熔融状态，而月球绕地球旋转，其旋转速度比地球绕太阳旋转速度慢得多，因此月球内部积聚的温度比地球熔融状态时的温度低得多，因此月球内部未达到地球曾有过的熔融状态，因此月球的密度要低于地球的密度。
（5）对于“为何有的行星有卫星而有的行星没有卫星”的问题，回答是水星和金星表面温度较高，其上没有水或冰，很少产生火山喷发，故没有形成卫星；而地球、火星、木星、土星、天王星、海王星上面存在大量的水或冰，产生过无数次火山喷发，因而形成了各自的卫星。
（6）对于“先前的月球起源解说无法解释地月系统高角动量”的问题，回答是随着地球大气层的增长，地球自转的速度在逐渐加快，并且在地心引力的拖曳下，月球绕地球的公转速度也会增加，从而使月球渐渐地远离地球。所以地月系统的角动量在不均衡地变化着。
（7）在45亿年前地球上就出现了火山喷发，从那时起地球火山喷发就一直没有停止过，所以由火山云凝聚成月球的概率远远大于由星球碰撞所生云团凝聚成月球的概率大得多。可见本解说比碰撞说更加自然，更具说服力。
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参考文献
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［责任编辑：汤静］