科幻，但很科學：《獨行月球》中那些有關月球的細節

本文來自微信公眾號：石頭科普工作室（ID：Dr__Stone），作者：腰果雞丁，題圖來自：《獨行月球》

近期熱映的《獨行月球》不失為一部出色的科幻喜劇電影，而它在許多科學問題上也做到了驚人的嚴謹，尤其是有關月球的知識與細節。工作室組織了幾個從事空間物理研究的同學一起觀影，發現在這方面居然沒發現什麼硬傷。下面，就讓我們跟着電影情節，聊聊那些有關月球的知識，以及兩個由好幾個研究生才挑出來的可能不科學的細節。

提示：有劇透

月盾基地的選址

月球地圖曾多次在熒幕中出現，而月盾基地的位置就在人類第一次登陸月球的位置附近：靜海的南部。阿波羅11號登陸艙成功着陸后，阿姆斯特朗在對地通訊中説「這里是靜海基地」，這個登陸點也因此得名靜海基地（Statio Tranquillitatis）。電影中的月盾基地附近還有一個著名景點：那個代表「個人一小步，人類一大步」的人類首次登月時留下的腳印。

圖1 然而這個腳印后來被獨孤月玩滑板時抹掉了

月球的晝夜

影片中獨孤月爲了取得宇宙之錘原型機並返回月盾基地，駕駛太陽能月球車一路向西追趕太陽的橋段想必讓人印象深刻。因為月球有自轉，所以月球也是有晝夜的。我們看到的月亮的陰晴圓缺，就正好體現了月球的晝夜變化——月球反射太陽光被我們看到的部分，就處於月晝，因為這部分被陽光照亮了。

因為月球自轉和繞地球公轉周期相同，所以在月球上一個地點看到兩次日出的時間間隔——也就是月球上一晝夜的實際時長——等同於月相變化的周期，為29.35天；這個時間稍長於月球的自轉周期（27.32天），因為要考慮接近一個月時間內地月系統相對太陽位置的變化，類似於地球太陽日與恆星日的區別。

月盾基地所在的靜海基地接近月球赤道。月球的平均半徑約為1737.1千米，自轉周期約為27.32天，也就是説經過27.32天會轉過360度（也就是2π弧度）。那麼月球赤道處自轉的速度v=(2π×1731.1)/(27.32×24)=16.6千米/小時，考慮地月系統的公轉，略大於太陽直射點在月球赤道處移動的速度。因為月球自西向東自轉，所以太陽直射點向西移動。

理論上只要在月晝時一直向西走，就能得到更長時間的陽光照射，也就是獨孤月所做的「延長白晝」；如果能追上陽光直射點的移動速度，就能在月球上享受永恆的白晝，直到發生月食時陽光被地球擋住。

在阿波羅十七號任務時，尤金·塞爾南開出了17千米/小時的速度，創造了人類在外星球最好的駕駛記錄。電影中，作為已經在月球上有規模基地的人類文明來説，即使考慮更大的負載，月球車達到足夠把白晝延長几十天的速度應該也不成問題。

圖2 宇航員在月球上「飆車」

月球上的天空

電影中在月球上看到的銀河可謂明亮又美麗。我們在地球上白天看不到星星，這是地球大氣散射太陽光的緣故；而晚上的星星還會一閃一閃，這是大氣折射以及湍流引起的。月球沒有大氣，所以月球的天空無論晝夜都是一片黑色，且理論上都能看到星星；夜晚沒有了太陽光的干擾，這些星星在看起來會更為明顯，而且不會像地球上那樣閃爍。

影片中並沒有突出月球上白晝的星空，而在袋鼠拉「雪橇」的夜晚，明亮的銀河則如同一幅巨大的油畫貼在空中，這較為符合人眼的觀察結果。電影中獨孤月多次站在月球上遙望地球，而細心的觀眾會發現，月球上的地球也像地球上的月亮一樣，有着陰晴圓缺的變化。

在第一次隕石撞擊發生時，有大半個地球都是明亮的；而在地球上的人用燈光告訴獨孤月「你不是一個人」時，地球看起來只有蛾眉月那樣彎彎的一小截。這個現象很好理解，因為地球也不發光，月球上能看到的地球明亮的那部分處於地球的晝半球，在黑暗中看不清的那部分處於地球的夜半球。我們在地球上看到的是月升，那麼在月球上看到的就是地升。

圖3 這樣的銀河在地球上很多地方很難看到，但在月球上隨處可見

另外，從地球上看太陽和月亮差不多大，是因為月球半徑與地月間距的比值約等於太陽半徑與日地距離的比值，這是個簡單的三角學問題；但地球的半徑可比月球大得多，所以從月球上看，地球會比太陽還大。

圖4 地球升起，而且看起來更大

月壤的「質感」

月壤的外觀與性質不同於地球上的土壤，它們主要是玄武岩或斜長巖的岩屑，廣泛地覆蓋在月球表面。由於直接暴露在各種宇宙輻射中，它們被宇宙輻射的高能粒子所風化，物理化學性質甚至同位素組成都有別與地球上的沙子、碎石。影片中的月壤被表現一種為深色的類似沙土的碎屑，還裹挾有不少小石頭。而且得益於低重力環境，表層的月壤看起來會更松散，這也讓在月球上「滑雪」的橋段看起來更合理。 

圖5 阿波羅11號採樣的月壤樣本10010（部分）

「可能不合理」的細節——月球的輻射環境

有一個問題其實容易被忽略——工作人員真的可以連續在月球上工作八年之久嗎？

正常來説，如果有足夠的補給，在不發生意外的情況下，在科研站獨孤終老都不是問題；但月球不是地球上的孤島，在月表，存在着一種無處不在但極端危險的因素——空間輻射。在宇宙空間中廣泛存在着大量的高能輻射粒子，地球因為有着全球性的磁場，能夠屏蔽掉絕大部分的宇宙輻射，但月球既沒有磁場，也沒有大氣，這些危險的高能粒子將直接到達月表，成為巨大的健康隱患。

月球上輻射的來源主要有太陽高能粒子（solar energetic particles，SEP）和銀河宇宙射線（galaxy cosmic ray，GCR）。前者主要來自太陽，粒子通量較大，其造成的危害主要集中在太陽爆發活動期間；后者來自太陽系外，相對太陽高能粒子而言粒子通量較小，但能量高得離譜，而且因為能量高，穿透能力也非常強，極難被屏蔽。前面提到的月壤風化正是這些輻射造成的。

圖 6月球並沒有地球這樣的磁場保護

一般用mSv（毫西弗）來表示所吸收的輻射劑量對人體的影響大小，普通人在地球上每年受到的輻射在1到2mSv；輻射相關工作人員受到的輻射不應超過每年50mSv。短時間內一次性受到的輻射量達到100mSv就足以引起染色體的變化，超過1500mSv則有可能危及生命。

根據嫦娥4號的測量結果，如果一個人沒有防護措施地在月表裸奔（雖然這並不可能），他一天受到的輻射最高可超過1.36mSv，是國際空間站中的2.6倍；如果月盾的工作人員要時常外出作業，在月球上僅靠宇航服提供的輻射屏蔽程度無疑是遠遠比不上空間站的。

關於宇航員一年內所受宇宙輻射的限制存在不同的標準，上限一般為50mSv到200mSv，而根據NASA的標準，除了輻射年限，宇航員一生受到的宇宙輻射總量不建議超過600mSv。如果在月球上連續工作八年，存在較大的輻射過量隱患，建議的做法是工作人員分批次在月表作業，一批人員的輻射量達到單次任務的限制后，先返回地球檢查身體並進行休養，等待下一次返回月球。

不過，考慮到影片中面臨毀滅的故事背景，也許在進一步加強輻射防護的同時，讓工作人員冒着輻射過量的風險儘可能更好地完成任務，也不失為一種無可奈何的策略，雖然這對於拯救人類的英雄們而言有些殘酷了。

月球的温度與月球車降温的疑惑

因為沒有大氣的調節，月球上晝夜温差非常大。月晝的平均温度可超過100攝氏度，而夜間平均温度則低於零下150攝氏度。影片中的獨孤月拉走宇宙之錘的月球車看起來能夠形成一個密閉空間（因為他在車內時並沒有帶上宇航服的頭盔），只要有太陽能供能，就可以自主調節車內的氣壓、温度等。在日落后，獨孤月爲了省電開啟了車子的節能模式，在失去調節后車內温度在幾小時內驟降到了零下40攝氏度，對應了月球上寒冷的長夜。

不過，如果深究這里面的物理問題，車內的降温真的可以這麼快嗎？這一點，我們並沒有找到合理的物理模型來解釋是或者不是。

月球上幾乎是真空環境，而温度的本質是原子分子的能量，所以我們這里提到的是月壤的温度，在月球上講類似地球的「氣温」的概念是沒有意義的。而真空是不導熱的。

月球表面約2cm深的月壤會在白天時吸收太陽輻射迅速升溫，但真空不導熱，月壤本身的導熱能力也很差，所以表層月壤在夜間迅速降温的主要途徑是直接向外輻射熱量——本質上類似黑體輻射。但月壤不是黑體，所以這一過程也叫非黑體輻射（Nonblackbody radiation）。得益於廣闊的月表和較低的比熱容，在夜晚來臨時，月球表面淺層的月壤温度會迅速下降。

但是——因為月壤的導熱性很差，所以晝半球月壤的温度會隨月壤深度的增加而迅速衰減。根據2015年的一份研究，從月表到5cm深度處，温度就下降了超過90攝氏度；夜半球則正好相反，從月表到5cm深度，温度上升了約100攝氏度。一直到50cm深度處，月壤在晝半球和夜半球的温度幾乎不變，穩定在零下二十攝氏度左右。

現在我們回到電影中。在真空環境中，熱量傳遞是一個非常麻煩的事情，比如國際空間站就有許多的散熱板。車內温度要降低，最可能的途徑有直接向外輻射能量；通過車皮與車輪、車輪與月壤進行熱交換；或者直接向外界排放氣體等方式。如果要建立物理模型來分析的話，要考慮的內容很多，比如車子的材料和結構、車輪和月壤的接觸面積等。反過來，在月晝時月球車如何保持温度不升高，這同樣也是需要考慮的問題。如果您找到了合理的解釋，歡迎與我們聯繫。

圖7 熱量傳遞的三種方式，一切考慮都要從這里入手

小結

總而言之，《獨行月球》是一部優秀的科幻喜劇。科幻作品重在藝術創作，天馬行空的想象本就是其一大魅力，苛求科幻作品處處遵循科學原理本身就不合適；但從專業的角度探究科幻作品中一些細節的可行性，卻是不錯的消遣，特別是符合邏輯與科學事實的科幻，更顯出對於科學的一種尊重。況且《獨行月球》攝製組還請到了專業的科學顧問，讓這部影片在放飛幻想的同時做到了科學上的專業，就更讓人忍不住去細細地討論它的各種細節了。

不過，一個人在月球真的能活下去嗎？

參考文獻

[1]    Malla R B ，  Brown K M . Determination of temperature variation on lunar surface and subsurface for habitat analysis and design[J]. Acta Astronautica， 2015， 107(feb.-mar.):196-207.

[2]    Quan Z ，  Wimmer-Schweingruber R F ，  Kulkarni S R ， et al. First measurements of the radiation dose on the lunar surface[J]. Science Advances， 2020， 6(39).

本文來自微信公眾號：石頭科普工作室（ID：Dr__Stone），作者：腰果雞丁，美編：可然