Измерения на лунной поверхности показывают, что вскоре после захода солнца и в течение всей лунной ночи давление составляет 10-12 миллиметров ртутного столба при температуре 100° Кельвина. Лунным днем давление поднимается до 10-10 миллиметров ртутного столба при температуре 300° Кельвина. Плотность газовой оболочки Луны настолько мала, что пространство надлунной поверхностью можно считать экзосферой. Это — самый верхний слой планетной атмосферы, из которого свободно диссипируют молекулы.
Наибольшая плотность лунной атмосферы наблюдается в ночное время (в пересчете на плотность у поверхности 2 × 105 см-3). В дневное время лунных суток концентрация газов соответственно падает до 104 см-3. Эта величина составляет всего лишь 10—13 концентрации молекул газов в земной атмосфере, но все же на три-четыре порядка больше концентрации частиц в солнечном ветре в районе Земли. Основными компонентами лунной атмосферы являются прежде всего водород, гелий, неон и аргон.
Говоря об атмосфере и гравитационном поле Луны, нельзя не коснуться вопроса о возможности создания на ней обсерваторий. О Луне как о своеобразном «астрономическом рае» ученые мечтали очень давно. Действительно, на Луне нет почти никакой атмосферы, которая своими колебаниями, непрозрачностью в обширном диапазоне дайн волн, облаками и пылью искажала бы объект наблюдения; а слабая сила тяжести, казалось бы, позволяет создавать гигантские (в земных понятиях) телескопы и т. д. Однако вся эта радужная перспектива оказывается под большим вопросом.
Условия астрономических наблюдений на Луне были специально изучены с помощью советского самоходного аппарата «Луноход-2». Он был оборудован особым прибором — астрономическим фотометром, предназначенным для измерения яркости лунного неба. С 16 января по 30 марта 1973 года состоялось двенадцать сеансов связи с этим фотометром (девять из них в условиях лунной ночи и один в так называемых лунных сумерках).
В результате обработки полученных с Луны данных выяснилось, что вопреки ожиданиям свечение как дневного, так, кстати, и ночного лунного неба оказалось заметно выше предполагаемого. Столь яркое свечение, возможно, было вызвано рассеянной в пространстве лунной пылью, которая образовалась в результате бомбардировки лунной поверхности метеоритами.
Эти частицы рассеивают не только солнечный свет, но и отраженный свет от Земли. Дело в том, что наша планета в лунном небе — это достаточно большое светило, которое в сорок раз ярче, чем полная Луна в небе Земли. Все эти моменты делают вопрос создания на Луне землянами обсерваторий очень и очень проблематичным.
Изучение лунного грунта, доставленного на Землю из разных районов видимой поверхности Луны советскими автоматическими станциями «Луна-16», «Луна-20» и «Луна-24», а также шестью американскими пилотируемыми аппаратами серии «Аполлон», показало, что породы в морских и в материковых районах существенно отличаются друг от друга.
К настоящему времени описано более 50 минералов, содержащихся в лунных породах. Кроме того, около 40 недостаточно охарактеризованных минеральных фаз нуждаются в дополнительном изучении. Следует заметить, что в земной коре известно более двух тысяч минералов. Относительно ограниченное число минералов в лунных породах связано с тем, что на Луне практически нет воды, летучих компонентов и кислорода, а все это и обуславливает как безводный, так и восстановительный характер минералообразования.
Основные сведения о химическом составе и физико-механических свойствах лунного вещества получены в результате изучения пород поверхностного слоя. При этом лунный грунт детально исследовался как в естественном состоянии, так и в лабораторных условиях на Земле.
В лунном веществе было найдено, например, химически чистое, не окисляющееся железо, которое в земных условиях получить довольно трудно. Лунные образцы, как оказалось, содержат много известных минералов, но было найдено и три новых, то есть не встречающихся на Земле. Один из них в честь американских астронавтов «Аполлона-11», первыми опустившимися на Луну, Армстронга, Олдрина и Коллинза, назван армолколлитом.
Самый верхний слой Луны состоит из слабо связанных, мелких фрагментов. В морских районах средний размер отдельных лунных зерен составляет 0,08—0,10 миллиметра, а в материковых местах — около 0,07—0,08 миллиметра. Верхний слой (реголит) вплоть до глубины нескольких миллиметров представляет собой рыхлый пылевидный порошок. Ниже к нему примешиваются осколки скальных пород различных размеров.