大气层月球有一个非常稀薄、接近真空的大气层，总质量低于10公吨 。如此小的大气质量在月球表面产生的压力大约是3×10-15atm(0.3nPa) ， 数值随着月球一天的时间不同而改变 。月球大气的来源包括出气和溅射，如太阳风的离子轰极月球表面释放出的原子 。过往曾经检测到由溅射产生的原子包括钠和钾 ， 相同的情况也曾在水星和木卫一埃欧的大气中发现过 。月球大气的氦-4来自太阳风，氩-40、氡-222和钋-210则来自月球地函相关元素放射性衰变后的溅射 。但月球大气中缺乏存在于月球表岩屑的氧、氮、碳、氢和镁等自然元素的原子或分子，目前原因尚不清楚 。月船1号已经在月球大气中发现水蒸气的存在 ， 其含量随着月球纬度的不同而改变，大约在纬度为60-70度时水蒸气的含量最高 。这些水蒸气可能是由月球表面表岩屑的水冰升华而生成的 。月球大气层的气体有些被月球的重力吸引回到表岩屑，有些由于太阳的辐射压 ， 或者被太阳风的电离后逃逸到太空中 。
月球
季节月球的转轴倾角只有1.54°，远小于地球的23.44 。。由于这个缘故，太阳照射对月球季节变化的影响很小 ， 反而是月球表面地形对季节变化有重要作用 。在2004年，约翰.霍普金斯大学的BenBussey博士率领的小组研究克莱芒蒂娜探测器在1994年获得的影像，发现位于月球北极的皮尔斯环形山边缘有4个区域在整个月球日中都被阳光所照亮 ， 形成永昼峰，而在月球南极地区没有类似的区域 。而在极区的许多环形山底部是永久黑暗的，没有受到阳光照射 。这些黑暗的环形山底部是极低温的:月球勘测轨道飞行器在夏天的南极环形山底部测得的最低温度是35K (-238 °C) ， 而在接近冬至时在北极测得埃尔米特环形山的温度只有26K(-247 °C) 。这个温度比冥王星的表面温度还要低，是太空船在太阳系中所测得的最低温度 。
水的存在月球的表面不存在液态水，因为太阳辐射会使水被光解并快速逸入太空 。但从1960年代以来 ， 科学家假设由彗星撞击所带来的水、或者来自太阳风的氢和含氧丰富的月岩反应所产生的水，都可能以冰的型态沉积下来，并在月球两极撞击坑低温的永久阴影区留下可以追踪得到的痕迹 。电脑模拟月面的永久阴影区约有14,000平方公里 。在月球上可用水的数量是一个重要的因素 ， 可以决定建设一个月球适居区计画的成本效益，因为从地球运水到月球的费用极为昂贵 。
近年来，已经在月球表面发现水的特征 。在1994年 ， 安装在克莱门门汀号太空船的双向雷达实验，显示有少量、冰冻的水存在接近表面的凹穴内 。但是，后续使用阿雷西博天文台的雷达观测，又认为此发现可能是由新撞击坑中的岩石近被撞击的岩石喷出的 。在1998年 ， 月球勘探者携带的中子能谱计显示，在极地附近深度1米的风化层存在着高浓度的氢 。在2008年，对一颗由阿波罗15号带回的熔岩珠的分析，显示有微量的水存在于球状硅酸盐玻璃内 。
在2008年，印度的月船1号太空船使用在载月球矿物绘图仪确认表面有水冰的存在 。分光计观测在反射的阳光中侦测到羟基的通用吸收谱线，提供了有大量水冰在月球表面的证据 。太空船显示浓度可能高达1000PPM 。在2009年，月球坑观测和传感卫星送了个2,300 公斤的撞击器到极区永久阴暗的环形山，并且从喷出的羽状物质中至少检测到100公斤的水 。LCROSS另一个实验的数据显示侦测到的水量，更靠近155公斤(土 12公斤) 。
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