La Luna è l'unico satellite naturale della Terra ed è anche il più interno del sistema solare. Essa ha forma ellissoidale a tre assi con il diametro maggiore rivolto verso la Terra.

Il sistema Luna-Terra (1/81 il rapporto delle masse) ruota attorno al centro di massa, nel senso della rotazione terrestre, in 27.32 gg. rispetto alle stelle (rotazione siderale). Il baricentro si trova ancora all'interno della Terra, in media a 4670 km dal suo centro, in direzione lunare. La gravità sulla superficie lunare è circa 1/6 rispetto a quella terrestre: ciò comporta l'assenza di atmosfera lunare e di conseguenza anche la mancanza d'acqua sulla superficie, poiché il riscaldamento solare ne ha provocato l'evaporazione e la dispersione delle molecole nello spazio.

Nonostante ciò non è da escludere la presenza di acqua o ghiaccio, in qualche riposto anfratto lunare; infatti la sonda Clementine da un lato ed il Lunar Prospector e il radio telescopio di Arecibo dall'altro, forniscono rilevazioni contraddittorie sulla questione. Solo una missione che si posi ai poli lunari potrebbe chiarire definitivamente il problema.

L'assenza di atmosfera impedisce anche il verificarsi di fenomeni crepuscolari come aurore e tramonti, il passaggio dal dì alla notte avviene quindi in modo brusco.
La durata del giorno e della notte è approssimativamente di 15 giorni ciascuno.
L'escursione termica lunare è notevole: si passa dai –150°C della notte per raggiungere i +110°C del giorno.

Struttura esterna

1) crateri che sono causati sia dall'attività vulcanica, ma soprattutto dagli impatti con grossi meteoriti.
I crateri più grandi, con diametro di oltre 200 km, sono chiamati circhi o anfiteatri.
Attorno ad un cratere sono presenti dei raggi formati da detriti vetrosi creati dal calore sviluppatosi nell'impatto del meteorite con il suolo lunare;

2) catene montuose: sono presenti vere e proprie catene montuose e rilievi isolati; le prime separano i mari lunari e possono essere alte fino a 7000 m, i secondi si trovano al centro dei crateri e sono alti come i loro bordi; si rileva anche la presenza di creste o dorsali alte poche centinaia di metri, lunghe diverse centinaia di chilometri e larghe pochi chilometri; queste ultime sono presenti nei mari, affiancate da colline tondeggianti dette cupole o domi, testimonianza di un antico vulcanesimo lunare;

3) mari: vaste aree di colore più scuro rispetto al resto della superficie; sono antiche cavità riempite a più riprese da colate di basalto fuso;

4) fenditure: sono larghe dai 500 ai 2000 m e lunghe centinaia di chilometri; hanno un aspetto sinuoso come se fossero state scavate dal passaggio di un fluido.

Sono presenti basalti dal colore scuro, nei mari lunari ed anortositi dal colore più chiaro nei rilievi.

Sulla Luna sono più abbondanti, rispetto alla Terra, gli elementi poco volatili come Cr, Ti, Ba, Zr, terre rare e meno abbondanti gli elementi più volatili come Cl, Na, K, B.

Altra caratteristica della superficie lunare è la regolite, cioè uno strato di pochi centimetri di sabbia finissima prodotta da micrometeoriti che hanno staccato dal suolo lunare frammenti di roccia. La regolite è composta da sferule, basalti, anortositi e brecce.

Struttura interna

Essendo la densità lunare minore di quella terrestre, si pensa che non esista un nucleo metallico esteso come all'interno della Terra, ma si suppone ci sia la seguente struttura a strati concentrici:

- nucleo di Fe di 340 km di raggio;

- mantello suddiviso in inferiore, intermedio e superiore;

- crosta avente uno spessore variabile dai 30 ai 100 km.

Mantello intermedio, superiore e crosta fanno parte di una litosfera rigida che ha uno spessore di 1000 km in aumento col raffreddarsi del nucleo lunare, mentre mantello inferiore e nucleo fanno parte di una astenosfera plastica.

Tra il mantello inferiore e quello intermedio, sulla congiungente Luna-Terra, si è rilevata la presenza di lunamoti, sismi di intensità notevolmente minore rispetto a quelli terrestri.

Sull'origine della Luna sono state proposte quattro ipotesi:

a) Fissione: la Terra, più di 4 miliardi di anni fa, si trovava allo stato fuso e ruotava su se stessa compiendo un giro completo in circa quattro ore. A causa della forza centrifuga la Terra acquistò la forma di un ellissoide di rotazione, inizialmente schiacciato, in seguito allungato come un'immensa mazza da baseball che ad un certo punto si è rotta dando origine, con l'estremità minore, alla Luna.
Questa teoria però non tiene conto della notevole forza necessaria per superare l'attrito presente nella Terra fusa.

b) Cattura: in questo caso la Luna viene considerata come un corpo vagante nel sistema solare che, passando nei pressi della Terra, venne catturato dal campo gravitazionale di quest'ultima.
Questa teoria spiegherebbe la diversità di composizione chimica tra Terra e Luna.

c) Accrescimento: secondo questa ipotesi, materiale ruotante attorno alla Terra si sarebbe aggregato dando origine alla Luna.

d) Formazione da impatto: è la teoria più recente e maggiormente accreditata. Un asteroide di massa ingente, cadendo sulla Terra, avrebbe sollevato una nube di detriti, che poi si sono accumulati, dando origine alla Luna.
Questa teoria è supportata da alcuni dati sia astronomici sia geologici:
- nella composizione della Luna è stata rilevata una bassa percentuale di ferro rispetto alla Terra. Questo è giustificabile se si pensa che l'impatto tra l'asteroide e la Terra deve avere asportato da quest'ultima soprattutto materiale del mantello, nel quale la presenza di ferro è già di per sé carente a causa della sedimentazione nel nucleo.
Questo dato inoltre ci porterebbe ad escludere la teoria dell'accrescimento poiché, se tale teoria fosse vera, la composizione media terrestre e lunare dovrebbe essere simile.
- inoltre, confrontando le abbondanze degli isotopi dell'ossigeno presenti nelle rocce terrestri ed in quelle lunari, si trova che tali abbondanze sono identiche.

La storia del nostro satellite può essere suddivisa in sei fasi:

Origine.

Creazione della crosta.

Prima epoca di vulcanesimo con creazione dei "mari".

Era di bombardamento da parte di corpi celesti.

Seconda epoca di vulcanesimo.

Quiescenza: é quella attualmente vissuta dalla Luna.

Studi effettuati col metodo del decadimento radioattivo su campioni di roccia lunare hanno portato a stimare l'età della Luna in 4.6 miliardi di anni.

I movimenti principali della Luna sono:

a) Moto di rotazione: è compiuto da ovest verso est attorno al proprio asse .
Essendo il periodo di rotazione uguale a quello di rivoluzione, la Luna rivolge alla Terra sempre la stessa faccia.
Esistono però delle oscillazioni minori, dette librazioni, dovute all'ellitticità dell'orbita lunare che ci permettono di vedere un pò più della metà di tutta la superficie lunare.

b) Moto di rivoluzione attorno alla Terra su un'orbita abbastanza eccentrica (e = 0.0549) ed inclinata rispetto all'eclittica di 5° 11'. Il punto dell'orbita lunare più lontano dalla Terra è detto apogeo, quello più vicino perigeo.
Le perturbazioni causate dal Sole e dagli altri pianeti provocano lo spostamento del perigeo nel piano dell'orbita lunare attorno alla Terra in senso diretto (cioè nello stesso del moto terrestre).
Di conseguenza l'asse maggiore dell'ellisse dell'orbita lunare ruota lentamente sul piano orbitale: p.e. tra due successivi passaggi al perigeo intercorrono 27.55 gg. La retta, intersezione tra il piano orbitale terrestre e quello lunare, è detta linea dei nodi. I nodi ruotano lentamente in senso opposto rispetto al moto dell'asse maggiore, perciò, la Luna, impiega solo 27.21 gg. per tornare allo stesso nodo, mentre il Sole impiega 346.62 gg.(anno draconico). La Terra intanto si è spostata sull'eclittica, perciò tra due uguali fasi lunari intercorrono 29.53 gg.

Riassumendo, i "mesi" lunari sono denominati:

- siderale: 27.32 gg. ; rotazione rispetto alle stelle

- anomalistico: 27.55 gg.; rotazione rispetto al perigeo

- draconico: 27.21 gg. ; rotazione rispetto ai nodi

- sinodico (lunazione): 29.53 gg. ; rotazione rispetto alle fasi lunari

c) Moto di rivoluzione attorno al Sole.
Nel compiere la sua rivoluzione attorno alla Terra, la Luna si sposta, assieme ad essa, attorno al Sole; la traiettoria risultante dai 2 moti, descritta nello spazio non è più un'ellisse, ma una epicicloide ed ha la caratteristica peculiare di rivolgere la sua concavità sempre dalla parte del Sole.

d) Assieme alla Terra ed al Sole la Luna partecipa al moto di traslazione verso la stella n Herculis, alla rotazione attorno al centro della Galassia ed ai moti di quest'ultima rispetto alla Radiazione Cosmica di Fondo.

Poiché le distanze del Sole e della Luna sono proporzionali ai loro diametri, essi ci appaiono mediamente sotto lo stesso angolo visuale (circa 32').

Le posizioni reciproche di Luna, Terra e Sole determinano le fasi lunari e le eclissi.

Nei giorni attorno al novilunio la parte oscura del disco lunare, che dovrebbe essere invisibile, è rischiarata da una luce cinerea causata dai raggi solari riflessi dalla superficie terrestre.

Se Luna, Terra e Sole si trovassero sullo stesso piano, ogni mese avremmo un'eclisse di Sole al novilunio ed una di Luna al plenilunio, ma il piano dell'orbita terrestre e quello lunare sono inclinati, quindi le eclissi si verificano solo quando la Luna si trova in prossimità dei nodi.

Eclisse di Luna: la luce solare che attraversa l'atmosfera terrestre viene diffusa più nel blu che nel rosso, quindi il bordo esterno della penombra e dell'ombra appaiono sfumati e di colorazione rosso-rame.

Eclisse di Sole: poichè 223 lunazioni corrispondono quasi esattamente a 19 anni draconici, cioè 18 anni tropici, 11 gg e 8 ore circa, dopo questo intervallo di tempo, detto Ciclo di Saros (scoperto dai Caldei nel 2° millennio A.C.) il Sole, la Luna e la Terra riacquisteranno le stesse posizioni rispetto ai nodi e le eclissi, verificatesi in precedenza, si ripeteranno con poche differenze. In un Saros si verificano 43 eclissi solari, di cui 12 totali e 28 eclissi lunari, di cui 13 totali. Fra un'eclisse totale di Sole e quella dopo un Saros, la sola differenza è solo nella zona terrestre di visibilità che si sposterà di 8 ore, cioè 120° in longitudine verso occidente. Perciò, trascorsi 3 Saros, un'eclisse si verificherà nello stesso luogo quasi alla stessa ora. Questo Ciclo è detto di Exeligmos (conosciuto dalla Scuola alessandrina, Ipparco, nel 3° sec. A.C.).

Se la Luna si trova vicina all'apogeo, il cono d'ombra non è abbastanza lungo da raggiungere la superficie della Terra; il Sole in questo caso non viene oscurato completamente, ma le regioni più esterne rimangono visibili e l'eclisse è detta anulare.

La Luna che rischiara la notte col suo quieto fulgore è stata da sempre fonte di ispirazione per poeti, pittori e musicisti di tutti i tempi e di tutte le nazioni.