על פני השטח בירח ישנה שכבה של רגולית אשר נוצרה בתהליכי פגיעה. שכבת הרגולית בשטחים של פגיעות עתיקות היא בדרך כלל עבה יותר מזו שנמצאת בשטחים עם פגיעות צעירות יותר. עובי שכבת הרגולית המוערך בימות הוא 3–5 מטר, וברמות כ-10–20 מטר. מתחת לשכבת הרגולית שעברה שחיקה רבה, נמצאת שכבה של "מגה-רגולית". שכבה זו עבה בהרבה, והיא כוללת סלעי אדמה סדוקים.
הימצאות מים.
הפגזתו הממושכת של הירח בשביטים ומטאורואידים תרמה כנראה כמויות קטנות של מים לפני הירח. אם אכן כך, אור השמש גרם לפירוקם של רוב מים אלו ליסודות המרכיבים אותם – חמצן ומימן, ששניהם דלפו ברובם לחלל במשך הזמן, בשל הגרביטציה הנמוכה של הירח. עם זה, בשל הנטייה הקלה של ציר הסיבוב הירחי ביחס למישור המילקה – רק כ-1.5 מעלות – מספר מכתשים עמוקים סמוך לקטבים לא נחשפו מעולם לאור השמש, ולפיכך הם מצויים בחשכה תמידית (כגון מכתש שקלטון). מולקולות מים שנמצאות במכתשים אלו יכולות להיות יציבות לפרקי זמן ארוכים.
גשושית קלמנטיין ביצעה מיפוי של מכתשים חשוכים כאלו בקוטב הדרומי, וסימולציות מחשב מצביעות על כך שייתכן שיש בירח עד כ-14,000 קילומטרים רבועים החשוכים באופן תמידי. תוצאות מניסוי רדאר במשימה של גשושית זו, מלמדות על כיסים קטנים של מים במצב קרח קרוב לפני הקרקע, ומידע מספקטרומטר נייטרונים של משימת לונר פרוספקטור מצביע על ריכוזים גבוהים של מימן הנמצאים בשכבה העליונה של הרגולית קרוב לקטבים. הכמות הכוללת של מים במצב קרח הקיימת בירח, מוערכת בכקילומטר מעוקב אחד.
מים במצב קרח ניתן יהיה לכרות ולהפריד למרכיביהם, למימן ולחמצן, באמצעות תחנות גרעיניות או תחנות חשמליות שיצוידו בלוחות של קולטי שמש. נוכחות של כמות בת שימוש של מים על הירח היא גורם חשוב בניסיון להקים יישוב על פני הירח שיהיה בר-קיימא מבחינת עלויות, וזאת מאחר שהעברת מים מכדור הארץ יקרה. עם זאת, תצפיות עדכניות שנעשו על ידי הרדאר הפלנטרי ארסיבו (Arecibo) מצביעות על כך שמידע הרדאר מהקטבים שהתקבל מקלמנטיין ייתכן שהושפע מסלעים שיצאו ממכתשים צעירים, ולא מנוכחות של מים.
בנובמבר 2009, בעקבות הממצאים שסיפק לוויין המחקר LCROSS, יצאה נאס"א בהודעה רשמית שלפיה נמצאו מאגרי מים גדולים באזור הקוטב הדרומי של הירח.
ביוני 2020, נאס"א הודיעה כי חברת אסטרובוטיקס מהעיר פיטסבורג תקבל כמעט 200 מיליון דולר לבניית רכב רובוטי שייקרא "VIPER" ויסייע בחיפוש ובאיתור מאגרי מים על פני הירח.
מאפיינים פיזיים.
מבנה פנימי.
הירח מורכב ממספר שכבות נפרדות: קרום, מעטפת וליבה. הסברה היא שמבנה זה נוצר בעקבות תהליך של שקיעת מינרלים באוקיינוס המאגמה זמן קצר לאחר יצירתו של הירח לפני 4.54 מיליארד שנה. האנרגיה שנדרשה להתכה של החלק החיצוני של הירח מיוחסת לרוב לאירוע של פגיעת ענק (השערת ההתנגשות הענקית) שלפי המשוער היה אחראי ליצירת מערכת הארץ-ירח. התגבשותו של אוקיינוס המאגמה הזה גרם למעטפת מאפי ולקרום עשיר בפלגיוקלז.
מיפוי גאוכימי רומז כי הקרום הוא בעל הרכב אנורתוציטי בעיקרו, ועובדה זו תואמת את היפותזת אוקיינוס המאגמה. מבחינת יסודות, הקרום מורכב בעיקר מחמצן, סיליקון, מגנזיום, ברזל, סידן ואלומיניום. על סמך שיטות גאופיזיות, נאמד עוביו של הקרום בכ-50 קילומטר (להשוואה, עוביו הממוצע של קרום כדור הארץ נמדד בכ-30 ק"מ).
היתוך חלקי במעטפת של הירח גרם להתפרצויות של בזלת הימות על פני הירח. ניתוח הרכב הבזלת מצביע על כך שהמעטפת מורכבת בעיקר מהמינרלים אוליבין, אורתופירוקסן וקלינופירוקסן, ושהמעטפת עשירה יותר בברזל מאשר זו של כדור הארץ. חלק מהבזלת בירח מכילה שפע גדול של טיטניום (שמופיע במינרל אילמניט), דבר המצביע על הטרוגניות רבה בהרכב המעטפת. נמצא כי רעידות אדמה בירח מתרחשות עמוק במעטפת, כ-1,000 קילומטר מתחת לפני השטח. זה מתרחש במחזוריות חודשית וקשור ללחצי הגאות והשפל הנגרמים מהמסלול האקסצנטרי של הירח.
צפיפותו הממוצעת של הירח היא 3,346.4 ק"ג/מטר מעוקב, עובדה ההופכת אותו לירח השני בצפיפותו במערכת השמש לאחר איו. אף על פי כן, קיימות ראיות לכך שליבת הירח קטנה והרדיוס שלה הוא כ-350 קילומטר או פחות מכך, כ-20% מגודלו של הירח, וזאת בשונה מרוב הגופים הארציים האחרים שבהם הליבה מגיעה לכ-50% מגודל הגוף. הרכבה של ליבת הירח אינו ידוע היטב, אולם מקובל לשער שהיא מורכבת מברזל מתכתי יחד עם כמויות קטנות של גופרית וניקל. ניתוח תנועת הסיבוב של הירח מרמז על כך שהליבה, לפחות בחלקה, מותכת.
טופוגרפיה.
הטופוגרפיה של הירח נמדדה באמצעות אלטימטריית לייזר וניתוח תמונות תלת-ממדיות, כשהמידע העדכני ביותר מקורו ממשימת קלמנטיין. האתר הבולט ביותר מבחינה טופוגרפית בירח הוא אגן איטקן הגדול של קוטב הדרום, שבו נמצאים המקומות הנמוכים ביותר על פני הלבנה. המקומות הגבוהים ביותר בפני הירח שוכנים צפון-מזרחה מהאגן. גם באגני פגיעה גדולים אחרים, כדוגמת ים הגשמים, ים השלווה, ים המשברים, ים סמית והים המזרחי, ישנם אזורים נמוכים ושפת המכתשים גבוהה. הגבהים בצד הרחוק של הירח גבוהים בממוצע בכ-1.9 קילומטר מאלו שבצד הקרוב.
אטמוספירת הירח.
אף שמקובל לחשוב שהירח נטול אטמוספירה אין הדבר מדויק. לירח אטמוספירה דלילה ביותר שמורכבת בעיקר ממימן, מהליום, מניאון ומארגון, וכן מכמויות קטנות יותר של חומרים אחרים כמו פחמן דו-חמצני, ראדון, מתאן, אמוניה, עקבות של חמצן וכמות מזערית של אדי מים.
המקור לגזי האטמוספירה אינו ברור לגמרי, אך משוער כי הם נובעים ממספר מקורות: רוח השמש, קרינת השמש, מרבצי סלעים רדיואקטיביים, מיקרו-מטאוריטים וגזי פליטה של חלליות אפולו.
אטמוספירת הירח נמצאת על קו הגבול המאפשר את בלימת הידלדלותה בהשפעת רוח השמש וכוחות הכבידה שמפעיל עליה כדור הארץ. קשה לקבוע בוודאות מה מצבה העכשווי של האטמספירה: האם היא הולכת ומידלדלת, או לחלופין האם שכבת האטמוספירה מכילה את המסה הקריטית הדרושה כדי להחזיק באטמוספירה לעשרות אלפי שנים. ראיות גאולוגיות, כגון היעדר מיקרו-מכתשים, בשל התפרקותם של מטאוריטים קטנים בחדירתם לאטמוספירה, מצביעות על כך שהירח היה בעבר הרחוק בעל אטמוספירה משמעותית.
הבדל הטמפרטורות העצום בירח בין היום (100 מעלות צלזיוס) ללילה (170- מעלות צלזיוס), יוצר סחף של אטמוספירה לכיוון הצד הקר. זאת מכיוון שהגזים שבו קופאים ושוקעים על הקרקע ובכך יוצרים מפל לחצים קל אשר מושך אליו את הגזים של האזור החם.
היווצרות הירח.
ההתנגשות הענקית.
השערת המכה הגדולה, שהעלתה האסטרופיזיקאית האמריקנית רובין קאנופ , היא המקובלת ביותר בתחילת המאה ה-21. על פיה, הירח נוצר לפני מיליארדי שנים כאשר מערכת השמש הייתה בתקופת היווצרותה, ועצם שנקרא תיאה בגודלו של מאדים התנגש בכדור הארץ המתהווה. שברים מן הפגיעה נזרקו לחלל, התמזגו, ויצרו את הירח. אם אכן כך התרחש הדבר, ומכיוון שפני כדור הארץ מכילים בעיקר מתכות קלות יותר כמו מגנזיום ואלומיניום, הירח עשוי להכיל פחות ברזל מאשר כדור הארץ. לפי אותו מודל, חלק מהשברים לא התמזגו בירח המתהווה, אלא שבו והתנגשו עם כדור הארץ.
השערות אחרות.
השערות נפוצות אחרות, שהיו מקובלות עד לשנות ה-80 וה-90 של המאה ה-20:
עיתוי זריחת הירח ומיקום זריחתו כלפי הצופה.
מבחינת הצופה, עיתוי זריחת הירח משתנה מדי יום בהתאם למיקומו של הירח ביחס לכדור הארץ. בנוסף לכך, הצופה הדקדקן יבחין כי הירח עולה במסלול שונה מדי יום בכיפת השמיים המקומית.
עיתוי זריחת הירח ביחס לצופה בנקודה מסוימת, ניתן לניבוי כללי על פי מופעו של הירח. זאת מפני ש"מופע הירח", מעיד גם על מיקומו ביחס לכדור הארץ והשמש. מתחילת החודש הירחי עד אמצע החודש הירחי, קל להתייחס לזמן שקיעת השמש. מדי יום בזמן שקיעת השמש יראה הירח לצופה רחוק יותר מהשמש עד שבאמצע החודש הירח זורח כשהשמש שוקעת. מאמצע החודש עד סוף החודש הירחי קל להתייחס לזמן זריחת השמש. מאמצע החודש יראה הירח לצופה מדי יום קרוב יותר לשמש. משך הזמן משקיעת השמש עד זמן שקיעת הירח או מזריחת הירח עד זריחת השמש מכונה "שירות הירח".
לדוגמה - ירח מלא, זורח עם שקיעת השמש ושוקע עם זריחתה (בכל עונות השנה). ירח ברבע הראשון (חצי ירח), יזרח בחצות היום, וישקע בחצות הליל (בכל עונות השנה).
מסלול הירח בכיפת השמיים המקומית ומיקום זריחתו ושקיעתו, משתנים גם הם, בהתאם לעונות השונות ובהתאם למופע הירח. הואיל וחילופי העונות, גורמים לשינוי מיקומו של הצופה ביחס לירח, גם אלו מובאים בחשבון. דוגמאות - ירח מלא בעונת הקיץ, זורח בדרום-מזרח ושוקע בדרום-מערב. ירח מלא בעונת החורף, זורח בצפון-מזרח ושוקע בצפון-מערב.
חקר הירח.
ב-1959 שיגרה ברית המועצות כמה גשושיות בלתי מאוישות לחקר הירח.
נחיתת האדם הראשון על הירח בוצעה ב-21 ביולי 1969 בשיא המירוץ לחלל שהושפע מהמלחמה הקרה בין ברית המועצות לארצות הברית. האדם הראשון שדרך על אדמת הירח היה האסטרונאוט ניל ארמסטרונג, מפקד האפולו 11. כאשר צעד על אדמת הירח אמר: "That's one small step for a man, one giant leap for mankind." "זהו צעד קטן לאדם, צעד גדול לאנושות", משפט שהפך למפורסם ביותר. הנחיתה התבצעה במסגרת תוכנית אפולו, שבמהלכה בוצעו שש נחיתות בירח בשנים 1969–1972. הפעם האחרונה בה הילך אדם על הירח הייתה בדצמבר 1972 במשימת אפולו 17, כאשר האסטרונאוט יוג'ין סרנן הלך על הירח.
זמן הטיסה אל הירח במסגרת תוכנית אפולו היה כ-65 שעות.