月亮上的兔子圖案是什麼構成的？
― 黑色的地方，是30億年前以上湧出的熔岩平原
「月亮上有兔子在搗年糕喔。」小時候，很多人都聽過這樣的說法。那麼，那些黑色的圖案到底是什麼呢？不是影子，不是髒污，也不是水。它的真面目，是從月球內部湧出、冷卻凝固的熔岩。
11月的夜晚，你從補習班接孩子回家，一起抬頭看著滿月。白亮的圓盤上，隱約有黑色的圖案。
孩子問：「欸，那些黑黑的是什麼？」你回答：「是兔子啊。」孩子又追問：「不是啦，它真正是什麼？」
大人常會含糊帶過，說「是影子吧」「是窪地吧」。其實這個問題裡，藏著月球40億年的歷史。
黑色圖案的形成，只有兩個原因
白色的地方，是月球形成不久後就凝固的輕而白的岩石。黑色的地方，則是後來從內部湧出的熔岩凝固而成，含有大量鐵的黑色岩石。顏色的差異，就是岩石種類的差異。
月球表面的「外皮」，據說朝向地球的一側較薄，背面較厚。只有薄的那一側，熔岩才能到達地表。所以圖案幾乎都在我們看得到的這一面。
我們一個一個來看。先從黑色的地方是怎麼形成的說起。
巨大的窪地，花了好幾億年慢慢積滿熔岩
一般認為，月球剛形成時，表面覆蓋著熔化的岩漿。冷卻時，輕而白的礦物浮到上層，形成白色的地面。這就是現在月球上的白色區域，稱為「高地」。
後來，月球被許多大天體撞擊。據說各處因此出現了直徑超過數百公里的巨大窪地（盆地）。
再後來，月球內部有一部分岩石熔化成熔岩。熔岩沿著裂縫上升，積在低窪的盆地裡。把圖1的滑桿往右拉，就能看到這個過程。
據說熔岩大多是在距今約39億年前到31億年前流出的。它們花了好幾億年，一點一點擴大平原。之後的30億年，月亮的面貌幾乎沒有改變。我們現在看到的兔子，是比恐龍還要早得多的「容顏」。
看起來是黑色，是因為熔岩凝固成的岩石（玄武岩）含有大量的鐵。它容易吸收光線，反射的比例據說大約只有白色高地的一半。加上地面平坦、明顯的撞擊坑也少，從遠處看就成了一整片平滑的黑色。
黑色的地方被命名為「寧靜海」「雨海」等等，都叫做海。因為以前的天文學家真的以為那裡有水。17世紀繪製月球地圖的義大利天文學家取的名字，沿用至今。實際上那裡一滴水也沒有，只是熔岩平原。
為什麼圖案都在「朝向地球的那一面」？
月亮總是以同一面朝向地球（原因在這篇文章中說明）。1959年，探測器第一次拍到月球背面，研究人員大吃一驚。背面幾乎沒有黑色的「海」。
正面大約有3成的面積是海，背面卻只有很少一點。月亮的正面和背面，差異大得像兩個不同的天體。
一般認為，主要原因是覆蓋月球表面的「外皮」（地殼）厚度不同。請看圖2。用探測器仔細測量月球的重力後發現，地殼在正面較薄，在背面較厚。
熔化的岩石比周圍的岩石稍輕，所以會往上升。不過，如果上面壓著的地殼太厚，就到不了地表。薄的正面到得了，厚的背面到不了。這是目前對圖案偏向地球這一側最有力的解釋。
那麼，為什麼只有正面的地殼比較薄呢？這一點還沒有答案。有人認為是產生熱的元素集中在正面，也有人認為是背面被大天體撞擊過，研究仍在進行。
據說其他國家把同樣的圖案看成螃蟹、讀書的女性、驢子等等。人的眼睛有個習慣，即使面對零散的形狀，也會找出臉孔或動物。看成什麼取決於文化，但大家看的都是同一片岩石。
總結
月亮上的黑色圖案，是巨大撞擊形成的窪地，被月球內部流出的熔岩填滿、凝固而成的平原。它比白色高地含有更多的鐵，反射的光較少，所以看起來是黑色。熔岩能到達地表的，只有地殼較薄的正面。因此，圖案幾乎都在從地球看得到的這一側。
月亮上的兔子，是30億年前以上凝固的熔岩地圖。
只有朝向地球的那一面，月球的內部湧了出來。
月亮為什麼總是以同一面朝向我們，請看「月亮為什麼總是以同一面朝向我們？」；月相變化請看「月亮的形狀為什麼每天都在變？」。月亮和地球為什麼是圓的，也請參考「地球為什麼是圓的？」。
- 在上弦月或下弦月的時候，用雙筒望遠鏡看看月亮亮部和暗部的交界。
- 白色高地那一側，交界線是鋸齒狀的，有許多撞擊坑的影子排在一起。
- 黑色海那一側，交界線很平滑，因為那是熔岩凝固成的平坦地面。
滿月時不會產生影子，所以圖案的黑色最清楚。相反地，想看凹凸起伏，半月比較適合。為了保護眼睛，請不要在白天把雙筒望遠鏡對著太陽附近。
想知道更多的人 ― 術語・算式・與課本的連結明確標示從國中理科到大學專業課程，各是哪個程度的內容
- 國中國中理科會學到的範圍
- 高中高中「地球科學」會學到的範圍
- 高中＋高中進階，或課本專欄裡的內容
- 大學高中不會學到、大學專業課程（行星科學）的內容
- 研究連大學也不會當作「定論」來教、目前研究人員還在探討的內容
國中術語：這個現象是有名字的
- 月海：月球表面看起來黑色、由熔岩凝固形成的平原。沒有水。
- 高地：看起來白色、古老且撞擊坑很多的區域。由名為斜長岩的偏白岩石構成。
- 玄武岩：含有大量鐵和鎂的黑色火山岩。月海和地球的海底，主要都是這種岩石。
國中高中用算式確認：月亮的黑色圖案有多大？
先用球的公式算出月球的表面積，再乘上海所占的比例，就能求出黑色圖案的面積。
| 用符號寫 | S海 ＝ 4 × π × r² × p |
| 用文字寫 | 海的面積 ＝ 4 × 圓周率 × 月球半徑的平方 × 海所占的比例 |
| 這個算式的來源 | 前半的「4 × π × r²」是球的表面積公式。再乘上表面中海所占的比例。 |
| S海 | 海（黑色圖案）的面積。單位是平方公里 |
| r | 月球的半徑。單位是公里 |
| p | 海占月球整個表面的比例（無單位） |
| 月球半徑 | 約1737 km |
| 4 × 圓周率 | 約12.57 |
| 海占整個月球的比例 | 據說約16％（0.16） |
| 海占正面的比例 | 據說約31％（0.31） |
| 日本的國土面積 | 約37萬8000 km² |
| 半徑的平方 | 1737 × 1737 ＝ 3017169 |
| 月球表面積 | 3017169 × 12.57 ≒ 37926000 km² |
| 海的面積（整個月球） | 37926000 × 0.16 ≒ 6068000 km² |
| 相當於幾個日本 | 6068000 ÷ 378000 ≒ 16 |
| 正面的面積（一半） | 37926000 ÷ 2 ＝ 18963000 km² |
| 正面的海 | 18963000 × 0.31 ≒ 5879000 km² |
| 海位於正面的比例 | 5879000 ÷ 6068000 ≒ 0.97 |
黑色圖案的面積約600萬km²，相當於日本國土的約16倍。而且其中約97％在朝向地球的正面。各資料的比例數值略有出入，但「幾乎全部在正面」這個結論不變。
高中高中＋白色岩石和黑色岩石有什麼不同？
高中高地的斜長岩，幾乎都由名為斜長石的白色輕礦物構成。海的玄武岩，則含有許多輝石、橄欖石等富含鐵的黑色礦物。以火成岩的分類來說，就是淺色岩石與深色岩石的差別。
高中＋阿波羅計畫在1969年到1972年間，帶回了約382kg的月球岩石。從這些岩石的年代測定得知，高地的岩石大約形成於44億年前，海的玄武岩大多形成於約39～31億年前。用撞擊坑的數量來推估地面年代的方法，也是以這些年代來校準刻度的。
大學岩漿海與月球正反面的二分性
一般認為，月球剛形成時，從表面往下數百公里都熔化成「岩漿海」。冷卻過程中，輕的斜長石浮起聚集，成為高地的地殼。重的礦物則下沉，形成地函。之後，地函的一部分熔化（部分熔融）產生玄武岩質岩漿，填滿撞擊盆地，就成了月海。正面與背面在地殼厚度和海的量上差異極大，稱為「月球的二分性」。根據NASA重力探測器的觀測，地殼厚度平均約在30～40多km，並確認正面較薄。
📖 算式的推導，以及更進階的內容：月海（維基百科，日文） ／ NASA・月球重力探測器的說明（英文）
研究目前還不清楚的事
- 為什麼只有正面的地殼比較薄？有人主張是產生熱的放射性元素集中在正面，有人主張是背面被別的天體撞擊使地殼堆積，也有人主張是剛形成的熾熱地球照射，使正面不容易冷卻，目前尚無定論。
- 月球的火山活動持續到什麼時候？2020年中國探測器帶回的岩石，據報告是約20億年前的熔岩。是否還有更年輕的熔岩，仍在調查中。
- 形成盆地的撞擊，是集中在短時間內嗎？有一派說法認為約39億年前撞擊急遽增加，但也有反駁認為那只是樣本偏差造成的假象。
也就是說，這篇文章的內容也只是「目前已知範圍內的說明」。帶回月球岩石的計畫現在仍在持續，每當有新的樣本送達，兔子圖案的歷史就會被一點一點改寫。
與課本的連結（依程度區分）
| 程度 | 科目・單元 | 本文的哪個部分 |
|---|---|---|
| 國中 | 理科「月亮與金星的看法」「火山與火成岩」 | 月球表面的圖案、玄武岩這種岩石 |
| 高中 | 地球科學「行星與太陽系」「火成岩的分類」 | 斜長岩與玄武岩的差異、海的面積計算 |
| 高中＋ | 地球科學進階「放射性定年」 | 阿波羅岩石的年代測定 |
| 大學 | 行星科學・月球與行星地質學 | 岩漿海、部分熔融、月球的二分性 |
| 研究 | 月球的起源與熱歷史 | 只有正面地殼較薄的原因、火山活動的終結 |
| ― | 與生活的連結 | 賞月、用雙筒望遠鏡觀察月亮 |
- 維基百科「月の海」（月海，日文）
- NASA Science, GRAIL (Ebb and Flow)
- Wieczorek, M. A. et al. (2013) The Crust of the Moon as Seen by GRAIL. Science 339, 671–675.
- Hiesinger, H. et al. (2011) Ages and stratigraphy of lunar mare basalts: A synthesis. Geological Society of America Special Paper 477.
- 国立天文台 編『理科年表』（國立天文台〔National Astronomical Observatory of Japan〕編，《理科年表》），丸善出版（月球半徑等數值）
※本文是為一般讀者撰寫的科學解說。文中的數值是為了理解原理而給的參考值與概算。月球的年代與地殼厚度，各研究的估計並不相同。