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1971年阿波罗15号登月任务期间，机组指挥官宇航员大卫·斯科特同时从约1.6米高处向月球风化层表面投下一把重1.32公斤的铝制地质锤和一根重0.03公斤的猎鹰羽毛。两个物体同时到达表面。这个实验证实了等效原理，即重力作用在所有物体上，无论其质量或成分如何。
这样的实验在地球上是行不通的。由于猎鹰羽毛的表面积相对于其质量较大而造成空气阻力，其速度会减慢。出于同样的原因，雨滴在空气中减速，最终达到每秒几米的速度，其大小与其大小的平方根成正比。摩擦力与面积乘以速度的平方成正比，平衡了与质量成正比的重力。月球表面的引力加速度只有地球的16.6%，但月球的大气层薄了多少呢？
月球大气层每立方厘米含有约二十万个原子，比地球大气层中的分子密度少四分之一万万亿分之一。在晨跑之前，我计算出月球大气中的摩擦力一定会稍微减缓猎鹰羽毛的下落速度，使其在锤击后三分之一飞秒后真正到达表面。如果大卫·斯科特有更好的科学设备，他也许能够测量到这个微小的延迟。
月球大气层的总质量约为25吨。它主要由氦气、氖气、分子氢和氩气以及少量的甲烷、氨和二氧化碳组成。
由于月球的重力较低，氢和氦等轻分子从太阳加热中获得足够的能量，从而在短短几个小时内逃逸。较重的原子停留的时间较长，但最终会被太阳的紫外线辐射电离，然后被太阳风带走。月球大气的高泄漏率表明存在恒定的原子和分子源，甚至可以维持如此稀薄的状态。
月球大气的来源是什么？《科学》杂志上的一篇新论文表明，从长远来看，月球大气中新鲜原子和分子的主要来源是微流星体的撞击。这一结论是基于对阿波罗任务收集的月球土壤中钾和铷的高精度同位素分析得出的。该研究测试了从月球不同地点采集的 10 个月球土壤样本。结果表明，月球大气主要由微陨石撞击补充，而太阳风风化作用仅占总供给量的不到30%。
微流星体是小石头碎片，以每秒几十公里的特征速度与月球相撞，这与地月系统绕太阳运行的速度相当。这个速度比月球表面每秒2.4公里的逃逸速度高出十倍。结果，微流星体的持续撞击从月球表面释放出的原子产生了碎片云，形成了月球周围的大气层。
地球上每天由微陨石和宇宙尘埃输送的质量流量约为 28 吨。月球表面积是地球的7.4%，这意味着月球表面每天接收约2吨物质。鉴于撞击速度的一半平方是单位质量引力结合能的100倍（逃逸速度的一半平方），坠落的微流星体和尘埃产生的大量动能很容易维持25吨的稳定月球大气质量低于逃逸速度。
地球天文观测的主要限制之一是大气层的光密度和红外辉光。大气中的分子、原子和离子会散射和吸收光，尤其是阻挡紫外线和X射线辐射。由于月球大气稀薄且没有光污染，月球为天文观测提供了更有利的平台。
月球的好处还延伸到了引力波观测站。月球大气层比 LIGO-Virgo-KAGRA 系统所达到的最佳真空还要稀薄一百万倍，月球上的地震噪声比地球上低几个数量级。认识到这些优势，2021 年，我提议与范德比尔特大学的合著者卡兰·贾尼创建一个月球引力观测站。我们的计算表明，这样的天文台将能够探测到第一批恒星形成之前所有质量的天体物理黑洞。如今，我们的提案已发展成为一项名为激光干涉仪月球天线 (LILA) 的国际合作项目，并得到 13 个组织的支持。
随着人类开始居住在月球上，月球大气层可能会发生变化。特别是，当美国宇航局在月球上建立永久基地的阿尔忒弥斯计划取得成果时，月球建筑工地使用的重型机械可能会增加月球大气中原子、分子和灰尘的数量。我愿意相信，在建造的定居点内，将可以呼吸具有通常大气压力和成分的新鲜空气：78.08% 分子氮和 20.95% 分子氧。