Hai phía Mặt Trăng

Mặt Trăng nằm trên quỹ đạo quay đồng bộ, có nghĩa là nó hầu như giữ nguyên một mặt hướng về Trái Đất ở tất cả mọi thời điểm. Buổi đầu mới hình thành, Mặt Trăng quay chậm dần và bị khoá ở vị trí hiện tại vì những hiệu ứng ma sát xuất hiện cùng hiện tượng biến dạng thuỷ triều do Trái Đất gây ra[6].

Từ đã rất lâu khi Mặt Trăng còn quay nhanh hơn hiện tại rất nhiều, bướu thuỷ triều (tidal bulge) của nó chạy trước đường nối Trái Đất-Mặt Trăng bởi nó không thể làm xẹp bướu đủ nhanh để giữ bướu này luôn ở trên đường thẳng đó[7]. Lực quay khiến bướu luôn vượt quá đường nối này. Hiện tượng này gây ra mô men xoắn, làm giảm tốc độ quay của Mặt Trăng, như một lực vặn siết chặt đai ốc. Khi tốc độ quay của Mặt Trăng giảm xuống đủ để cân bằng với tốc độ quỹ đạo của nó, khi ấy bướu luôn hướng về phía Trái Đất, bướu nằm trên đường thẳng nối Trái Đất-Mặt Trăng, và lực xoắn biến mất. Điều này giải thích tại sao Mặt Trăng quay với tốc độ bằng tốc độ quỹ đạo và chúng ta luôn chỉ nhìn thấy một phía của Mặt Trăng.

Các biến đổi nhỏ (đu đưa - libration) trong góc quan sát cho phép chúng ta có thể nhìn thấy được khoảng 59% bề mặt Mặt Trăng (nhưng luôn luôn chỉ là một nửa ở mọi thời điểm)[1].

Mặt quay về phía Trái Đất được gọi là phần nhìn thấy, và phía đối diện được gọi là phần không nhìn thấy. Phần không nhìn thấy thỉnh thoảng còn được gọi là "phần tối," nhưng trên thực tế nó cũng được chiếu sáng thường xuyên như phần nhìn thấy: một lần trong mỗi ngày Mặt Trăng, trong tuần trăng mới mà chúng ta quan sát thấy từ Trái Đất khi phần nhìn thấy đang bị che tối. Phần không nhìn thấy của Mặt Trăng lần đầu tiên được tàu thăm dò Xô Viết Luna 3 chụp ảnh năm 1959. Một đặc điểm phân biệt của phần không nhìn thấy được là nó hầu như không có "các vùng tối Mặt Trăng" (các "biển").

Các vùng tối trên Mặt Trăng/Biển Mặt Trăng

Các đồng bằng tối và hầu như không có đặc điểm riêng trên Mặt Trăng có thể được nhìn thấy rõ bằng mắt thường được gọi là "các vùng tối" hay các biển Mặt Trăng, từ tiếng Latin (mare) có nghĩa là "biển", bởi chúng được các nhà thiên văn học cổ đại cho là những nơi chứa đầy nước. Hiện chúng đã được biết chỉ là những bề mặt lớn chứa dung nham bazan cổ đã đông đặc. Đa số các dung nham này đã được phun ra hay chảy vào những chỗ lõm hình thành nên sau các vụ va chạm thiên thạch hay sao chổi vào bề mặt Mặt Trăng. (Oceanus Procellarum là trường hợp khác bởi nó không được hình thành do va chạm). Các biển xuất hiện dày đặc phía bề mặt nhìn thấy được của Mặt Trăng, phía không nhìn thấy có rất ít biển và chúng chỉ chiếm khoảng 2% bề mặt[8], so với khoảng 31% ở phía đối diện[1]. Cách giải thích có vẻ đúng đắn nhất cho sự khác biệt này liên quan tới sự tập trung cao của các yếu tố sinh nhiệt phía bề mặt nhìn thấy được, như đã được thể hiện bởi các bản đồ địa hóa học có được từ những máy quang phổ tia gama[9][10]. Nhiều vùng có chứa những núi lửa hình khiên và các vòm núi lửa được tìm thấy trong các biển ở phía có thể nhìn thấy[11].

Terrae/Đất liền

Các vùng có màu sáng trên Mặt Trăng được gọi là terrae, hay theo cách thông thường hơn là các "cao nguyên", bởi chúng cao hơn hầu hết các biển. Nhiều rặng núi cao ở phía bề mặt nhìn thấy được chạy dọc theo bờ ngoài các vùng trũng do va chạm lớn, nhiều vùng trũng này đã được bazan lấp kín. Chúng được cho là các tàn tích còn lại của các gờ bên ngoài của vùng trũng va chạm[12]. Không giống Trái Đất, không một ngọn núi lớn nào trên Mặt Trăng được cho là được hình thành từ các sự kiện kiến tạo[13].

Các bức ảnh được chụp bởi phi vụ Clementine năm 1994 cho thấy bốn vùng núi trên vùng gờ hố va chạm Peary rộng 73 km tại cực bắc Mặt Trăng luôn được chiếu sáng trong cả ngày Mặt Trăng. Những đỉnh sáng vĩnh cửu này là có thể do độ nghiêng trục tự quay rất nhỏ trên mặt phẳng hoàng đạo của Mặt Trăng. Không vùng sáng vĩnh cửu nào được phát hiện ở phía cực nam, dù vùng gờ của hố va chạm Shackleton được chiếu sáng trong khoảng 80% ngày Mặt Trăng. Một hậu quả khác từ việc Mặt Trăng có độ nghiêng trục nhỏ là một số vùng đáy của các hố va chạm vùng cực luôn ở trong bóng tối[14].

Hố va chạm

Bề mặt Mặt Trăng cho thấy bằng chứng rõ ràng rằng nó đã bị ảnh hưởng nhiều bởi các sự kiện va chạm thiên thạch[15]. Các hố va chạm hình thành khi các thiên thạch và sao chổi va chạm vào bề mặt Mặt Trăng, và nói chung có khoảng nửa triệu hố va chạm với đường kính hơn 1 km. Do các hố va chạm hình thành với tỷ lệ gần như cố định, nên số lượng hố va chạm trên một đơn vị diện tích chồng lên trên một đơn vị địa chất có thể được sử dụng để ước tính tuổi của bề mặt (xem Đếm hố va chạm). Vì không có khí quyển, thời tiết và các hoạt động địa chất gần đây nên nhiều hố va chạm được bảo tồn trong trạng thái khá tốt so với những hố va chạm trên bề mặt Trái Đất.

Hố va chạm lớn nhất trên Mặt Trăng, cũng là một trong các hố va chạm lớn nhất đã được biết đến trong Hệ Mặt Trời, là Vùng trũng Nam cực-Aitken. Vùng này nằm ở phía mặt không nhìn thấy, giữa Nam cực và xích đạo, và có đường kính khoảng 2.240 km và sâu khoảng 13 km[16]. Các vùng trũng va chạm lớn ở phía bề mặt nhìn thấy được gồm Imbrium, Serenitatis, Crisium và Nectaris.

Hầu hết các hố va chạm trên Mặt Trăng được đặt theo tên người, bao gồm tên các học giả, nhà khoa học, nhà thám hiểm, nhà nghệ thuật nổi tiếng (xem thêm danh sách nhân vật được đặt tên cho hố va chạm trên Mặt Trăng - tiếng Anh). Thói quen này bắt đầu từ năm 1645.

Regolith

Bao trùm phía ngoài bề mặt Mặt Trăng là một lớp bụi rất mịn (vật chất vỡ thành các phần tử rất nhỏ) và lớp bề mặt vỡ vụn do va chạm này được gọi là regolith. Bởi được hình thành từ các quá trình va chạm, regolith của các bề mặt già thường dày hơn tại các nơi bề mặt trẻ khác. Đặc biệt, người ta đã ước tính rằng regolith có độ dày thay đổi từ khoảng 3–5 m tại các biển, và khoảng 10–20 m trên các cao nguyên[17]. Bên dưới lớp regolith mịn là cái thường được gọi là megaregolith. Lớp này dày hơn rất nhiều (khoảng hàng chục km) và bao gồm lớp nền đá đứt gãy[18].

Nước trên Mặt Trăng

Những vụ bắn phá liên tiếp của các sao chổi và các thiên thạch có lẽ đã mang tới một lượng nước nhỏ vào bề mặt Mặt Trăng. Nếu như vậy, ánh sáng Mặt Trời sẽ phân chia đa phần lượng nước này thành các nguyên tố cấu tạo là Hiđro và ôxy, cả hai chất này theo thời gian nói chung lại bay vào vũ trụ, vì lực hấp dẫn của Mặt Trăng yếu. Tuy nhiên, vì độ nghiêng của trục tự quay của Mặt Trăng so với mặt phẳng hoàng đạo nhỏ, chỉ chênh 1,5°, nên có một số hố va chạm sâu gần các cực không bao giờ được ánh sáng Mặt Trời trực tiếp chiếu tới (xem Hố va chạm Shackleton). Các phân tử nước ở trong các hố va chạm này có thể ổn định trong một thời gian dài.

Clementine đã vẽ bản đồ các hố va chạm tại cực nam Mặt Trăng[19] nơi luôn ở trong bóng tối, và các cuộc thử nghiệm mô phỏng máy tính cho thấy có thể có tới 14.000 km² luôn ở trong bóng tối[14]. Các kết quả thám sát radar từ phi vụ Clementine cho rằng có một số túi nước nhỏ, đóng băng nằm gần bề mặt, và dữ liệu từ máy quang phổ nơtron của Lunar Prospector cho thấy sự tập trung lớn dị thường của hiđrô ở vài mét phía trên của regolith gần các vùng cực[20]. Các ước tính tổng số lượng băng gần một kilômét khối.

Băng có thể được khai thác và phân chia thành nguyên tử cấu tạo ra nó là hiđrô và ôxy bằng các lò phản ứng hạt nhân hay các trạm điện mặt trời. Sự hiện diện của lượng nước sử dụng được trên Mặt Trăng là yếu tố quan trọng để việc thực hiện tham vọng đưa con người lên sinh sống trên Mặt Trăng có thể trở thành hiện thực, bởi việc chuyên chở nước từ Trái Đất lên quá tốn kém. Tuy nhiên, những quan sát gần đây bằng radar hành tinh Arecibo cho thấy một số dữ liệu thám sát radar của chương trình Clementine gần vùng cực trước kia được cho là dấu hiệu của sự hiện diện của băng thì trên thực tế có thể chỉ là hậu quả từ những tảng đá bị bắn ra từ các hố va chạm gần đây[21]. Năm 2008, những phân tích mới đã tìm thấy một lượng nước nhỏ ở bên trong dung nham núi lửa mang về Trái Đất từ tàu Apollo 15.[22]Tháng 9 năm 2009, phổ kế trên tàu Chandrayaan-1' đã xác định được các vạch phổ hấp thụ của nước và Hydroxyl nhờ sự phản xạ của tia sáng Mặt Trời, mang lại chứng cứ về sự có mặt của một lượng lớn nước trên bề mặt của Mặt Trăng, có thể cao tới 1.000 ppm.[23] Vài tuần sau, tàu LCROSS phóng một thiết bị va chạm nặng 2.300 kg vào một hố va chạm ở vùng cực tối vĩnh cửu, và xác định được ít nhất 100 kg nước trong đám vật chất bắn tung lên từ vụ va chạm.[24][25]