【專欄】地球上只能看到月球半面嗎？

文/王至劭（台聯政策顧問、台灣教授協會會員）

五十幾年前小時候住鄉下，最近鄰居也要80米以上，晚上外面沒有任何一盞燈，舉頭就是那一輪明月，令人充滿遐思。月球面永遠是那個樣子，其上陰影不會變化，一直是那一面，母親說有人說陰影像兔子，我告訴母親：「不像」。我表哥更好玩，他現在是非常成功的企業家，他年輕的時候跟我說過，他以前經常幻想夜幕是個大蓋子，月亮是個缺口，人有機會從缺口飛出去，看到外面更廣闊、更明亮的廣大世界，他是「實虛反過來想」，頗具想像力。

我們抬頭欣賞月亮時，總是認為我們只看的到月球的一面，另外一面站在地球上的我們永遠無法目睹。這是真的嗎？另一半的月球完全看不到？

大體上，我們只能看到半面月球的原因是潮汐鎖定，月球屬於地球的衛星，從月球形成以來便圍繞著地球旋轉，因為地球自轉產生月球的東升西落，也因為月球對地球的公轉，造成每個月我們所看到新月、上弦、滿月、下弦。從過去的經驗中，我們知道當我們位在地球上時，人們永遠只看的到月球的半面，代表月球的自轉與公轉速度相等，月球繞地球公轉一圈，同時也自轉一圈，所以月球才會一直以同一面面向地球！這個現象稱作「潮汐鎖定」。

潮汐鎖定的原因，是因為月球繞著地球公轉時，同時也受到地球潮汐力作用，地球也受到月球潮汐力影響，所以我們的海水才會有潮起潮落的現象！但因月球表面本身並沒有海洋，地球的引力直接影響到的為月球內部質量分布，記住，地球靠月球正面近一些，萬有引力大一些，背面遠一點，引力比中心小一點，地球會將面向與背向地球的月球兩端逐漸形成橢圓球體的形狀

面向引力大，拉過來；背向離心力大，甩出去，故兩頭凸起呈橢圓。月球幾十億年前應該是轉得過去的，可看到其背面，到了現在，其自轉能量被地球引起潮汐力大部分耗盡，變成其自轉與公轉速度相等，因此永遠以同一面面向地球，就像是月球被地球鎖定一樣，永遠也轉不過去了(圖一綠色)。

其實不只是月球會產生潮汐鎖定，在過更久的時間之後，地球也會受到月球影響而被月球潮汐鎖定，但因為地球本身的質量比月球大太多太多了，所以直到太陽繼續演化成紅巨星，吞噬太陽系大部分區域後，地球都還不會達到潮汐鎖定的現象，就是還非常久啦，到地老天荒可能還等不到。不過，也因此，地球越轉越慢是個事實，平均下來每年慢大約 0.000023 秒。請注意，現在太空人若在月球上，是可以看到地球自轉，幾乎整個球都看得到，不會轉不過去。

潮汐鎖定的原理，也被我們應用於人造衛星的軌道設計中，部分人造衛星繞著地球的公轉週期和地球的自轉週期相等，也等同其本身自轉週期，使同步衛星可以一直觀測地球同一個地方，從地球上看，衛星便會像沒有移動一般一直在相同地點的上方，這樣的衛星就被稱為「地球同步衛星」。地球同步衛星因為一直在相同地點的上方，所以可以對同一個區域做長時間的觀測並獲得資料。

有沒有機會看到更大的月球表面呢？其實，上面的解釋僅代表著很理想的狀態，受到月球軌道運動、觀測者所在位置、物理條件等等因素，都使我們觀測的月球其實擁有上下左右晃動的現象，所以我們真正可以觀察到的月球其實大概佔了表面的 59%！而這種現象，我們將它稱為天平動！

天平動最主要是幾何天平動，幾何天平動代表的是觀測者位置與月球間的關係之變化。分為：

1. 經度天平動。

這是由於月球繞地球的軌道是橢圓形而非正圓形造成的。克卜勒第二定律：根據軌道定律，月球在「近地點」時公轉速度較快，在「遠地點」時公轉速度較慢。然而，月球的自轉速度是基本恆定的。結果：當公轉速度快於自轉時，我們能多看到一點月球東邊的背面；當公轉慢於自轉時，我們能多看到西邊的背面(圖二)。

2. 緯度天平動。

月球的自轉軸與其公轉軌道平面並非完全垂直，而是有一個約 6.7 度的傾角。這使得我們有時能多看到一點月球的北極，有時能多看到一點南極，就像月球在點頭。這6.7度怎麼來的？月球的自轉軸相對於「黃道(地公轉平面)」的傾斜角為1.54°，黃白兩道的交角為5.15°，因此緯度天平動的最大值為±6.7°，相當於在南北極方向約200公里的距離。月球白道面就是月球繞地球公轉的軌道平面，白道面與黄道面有5.15°的夾角，因為地球和月球皆非完美球形，因此白道面在不斷進動(像陀螺一樣，速度不太快時會繞垂直軸慢慢晃一圈又一圈)，每6793.5天(18.6年)完成一周，因此，月球稍微晃一圈，南北極就能多看一些。

3. 週日天平動

這是由觀測者在地球上的位置決定的。地球本身的直徑對於地月距離來說不可忽略，當地球自轉時，觀測者從地平線升起看到月亮（東邊）到月亮落下（西邊），視角的改變也能讓我們多窺視到邊緣的一小部分。

因為以上因素，背面的百分之五十其實有約其五分之一還是看得到(總量9%)，有趣吧！還要特別強調，地球上是看不到月球背面大部分區域，但月球每27.3天就繞地一周，其背面是照得到陽光的，沒問題。只是，兩面差很多，例如，其背面隕石坑更明顯，月的地殼(月殼)明顯更厚。

附註：
地球並不是一個正圓，它在赤道的地方比較胖，所以在黃道面上也會進動。進動周期約為25,800年，換句話說，秦始皇時期的北極星並不是現在這一顆，再過12,000年，織女星會變成北極星，那時候就會有很亮的北極星。再過25,800年，會再回到現在的樣子。