1、月球大氣層的成分及其來源，大氣組分的運動規律及其演化過程
月球形成時可能存在稀薄的原始大氣層，月球早期巖漿與火山活動必然釋放出大量火山氣體，但這些氣體早已逃逸殆盡，沒有留下可供追索的痕跡。現今月球極稀薄的大氣層主要由氖、氫、氦、氬等氣體組成，推測其可能主要來源于太陽風，但月球大氣層中的氣體分子的精確組成、月球白晝與黑夜期間氣體分子被月壤吸附或釋放的過程與機理，月球大氣層的演化過程等問題，至今仍然模糊不清。
2、月球的電離層
現有的月球探測資料證明，31億年前月球曾經有過全球性偶極磁場，月球早期可能存在過比現今更為稠密的大氣層，因而可能曾經有過電離層的發育；但隨著月球全球性偶極磁場的消失和大氣分子的逃逸，月球全球性電離層或局部區域電離層是否存在，尚有待新的探測結果來證實。
3、月球地形地貌的類型與成因
月球的地形地貌類型主要包括月海、高地與撞擊坑。為什么絕大多數月海分布在月球正面(面向地球的一面)，而月球背面卻以高地為主，月海分布很少？月球上存在著古代火山口及構造盆地三種不同成因的環形構造，但從遙感影像上難以區分與鑒別，因此只能統稱為撞擊坑，這一問題還有待澄清。月球上撞擊坑的大小與密度隨月球演化的歷史進程而減小，是否說明太陽系小天體的數量和小天體撞擊行星的頻率隨時間而變小？這一問題也有待回答。
4、地月空間環境與月表環境
太陽活動與銀河宇宙線通量、能量的變化直接影響了地月空間環境的變化，由于探測數據不足，對地月空間環境難以取得規律性認識。而月表環境受太陽活動、宇宙射線、晝夜溫差、月球表面地形地貌、月壤和月球巖石的物理化學性質與分布、內部物理場等諸多因素的影響，不同區域的差異性極大，需要進行多種區域環境探測的資料積累。
5、月壤的物質來源、分布特征與形成過程
一般認為，月壤起源于就地巖石粉碎和外來濺射物的混合，月壤形成的主要動力包括：月球巖石受溫差變化熱脹冷縮破碎，受撞擊粉碎濺射，以及宇宙射線、太陽輻射和太陽風粒子的長期注入。月壤中的各種組分具有不同的來源和成因，不同地區的月壤在物質組成的物理化學的性質上差異性極大，這些需要進行系統的探測與積累。
月壤的成熟度與顆粒直徑、物質成分和月壤厚度存在一定的相關性，月壤成熟度的判定指標尚存在爭議。月壤吸附太陽風粒子的機制和效應，特別是不同礦物吸附太陽風粒子的能力差異的內在機制尚不清晰，太陽風組分在月壤顆粒中的賦存狀態還缺乏精細研究。
6、月球的主要巖石類型與分布
月球的主要巖石類型僅僅是根據月球正面9個采樣點獲得的樣品和月球隕石的精細研究而確定的，各種巖石類型的分布是根據地形地貌、礦物、化學成分的遙感探測資料的反演而推測的，存在一定的多解性，月球上是否存在酸性巖漿巖仍存在疑問。
7、月球水冰之謎
1994年，克萊門汀號月球探測器使用雙基地雷達對月球進行了探測，根據雷達波反射的數據，估計月球極區的撞擊坑(處于太陽照射不到的永久陰影區)中可能存在水冰。1998年，月球勘探者號探測器使用中子譜儀，也對該地區進行了探測，為了進一步證實水冰是否存在，當月球勘探者號完成基本探測任務后，美國國家航空航天局發布指令讓它撞擊在可能含有水冰的地區。如果這個地區確實含有大量的水冰，則當月球勘探者號撞擊之后的瞬間，將會產生大量的水蒸氣；但是，通過在地面觀測站和太空衛星觀測，都沒有觀測到這種現象，因此，月球極區是否有水冰，目前還是一個謎。
如果月球上真的存在水冰，那么，水冰來自哪里，如何在極區的永久陰影區中富集并保存下來，月球上的水冰有沒有開發利用前景，能否解決未來月球基地的水資源需求？這些問題的分歧和爭議還很多，目前尚無定論。
8、月球的大地構造區劃
目前，人類對月球地質構造的認識完全是基于全月球的小比例尺遙感影像的解譯，因而存在難以確定的多解性。關于月球地體單元的劃分，也僅僅是依據某些化學元素的遙感探測并結合少量樣品的精細研究而做出的推測。因此，關于月球的大地構造區劃、地體單元的厘定、斷裂與環形構造原分布等，仍然缺乏實地的驗證。
至于月球的區域地質構造研究，目前幾乎還是空白，僅有月球正面的個別區域，根據月表遙感影象進行地質構造的初步分析。
9、月球內部層圈結構與形成過程
根據月震波和小天體撞擊產生的彈性波在月球內部傳播速度的變化，月球的內部結構與地球和其他類地行星相似，可以劃分出月殼、月幔與月核，對于月殼的特質成分、巖石類型與物理性質判斷有比較充分的科學依據，而對于月幔與月核的礦物組成、化學成分、熱狀態與物理特征的描述，目前推測與地球的地幔和地核相似，但仍然缺少嚴密的科學論證。
至于月球內部層圈結構的成因，基本上是用地球層圈結構成因的模型，帶有較大的不確定性，尚缺乏月球內部層圈結構的成因模型。
10、月球內部物質分布的不均一性
月球內部物質分布不均一性的研究主要是依據月球勘探者號探測器軌道的精確測定數據和Apollo月球地震臺站對月震產生的彈性波傳播速度的記錄數據、反演重力場模型和內部物質分布的不均一性，證明月球內部物質分布極不均一，發育著多個重力異常區——質量瘤。質量瘤的大小、分布、物質組成與成因仍然眾說紛糾。
11、月球內部能源與月球物質的演化
月球和行星的內部能源以及隨時間的衰減、傳導和分配是制約月球的行星演化的的動力。根據組成月球的初始物質和放射性元素豐度的模型，可以推測出月球的熱演化歷史。據推測，月球形成初期曾發生過巖漿洋事件，形成廣泛分布的斜長巖；相繼發生了廣泛的月海玄武巖噴發。由于月球內部能源衰減的速度較快，內部冷卻固化，巖漿難以持續分異演化，因而自31億年以來，月球的巖漿活動、火山活動和構造運動趨于平和與寧靜，月球內部能源的衰減、熱平衡與內部物質的演化至今還沒有建立定量的演化模型。
12、月球演化的重大事件
人類對地球進行過全面、深入、系統的研究，但對于地球演化的重大事件至今仍然難以精細確定，對每一重大事件的起因和對地球演化進程的作用與影響，仍然爭論不息。
月球演化重大事件的研究是建立月球演化歷史的關鍵,而其與地月系的軌道演化、月球內部層圈結構的形成與內部物質的分異調整、內部物理場的形成與演變、月球空間環境變化、內部能量的積累、傳輸與平衡的內在聯系，仍然很不清晰。(來源：《月球科學概論》）
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