Ay

Ay denizleri

Çıplak gözle rahatlıkla görünebilen Ay yüzeyinde bulunan karanlık Ay düzlüklerine Ay denizi denir. Çünkü antik dönem gökbilimcileri bunların suyla dolu olduklarını zannediyordu. Günümüzde bunların katılaşmış bazalt olduğu bilinmektedir. Bazaltı oluşturan lav, Ay yüzüne göktaşları ve kuyrukluyıldızların çarpması sonucu oluşan krater düzlüklerini doldurmuş ve katılaşarak bu bazaltı oluşturmuştur (Oceanus Procellarum krater düzlüğü değildir ve bu kurala önemli bir istisna oluşturur.) Ay denizleri hemen hemen yalnızca Ay'ın görünen yüzünde bulunur. Ay'ın öteki yüzünün yalnızca %2'sinde birkaç dağılmış küçük düzlük bulunur. Ayın görünen yüzündeyse bu oran %31'dir. Bu farklılığın en akla yatkın açıklaması, Lunar Prospector uzay sondasının gamma ışını spektrometresi ile elde edilen jeokimyasal haritalarda gösterildiği üzere Ay'ın görünen yüzünde ısı üreten elementlerin daha yüksek konsantrasyonda bulunmasıdır. Kalkan tipi yanardağlar ve kubbemsidağlar görünen yüz üzerindeki Ay denizlerinde rastlanan özelliklerdir.

Ay dağları

Ay yüzeyinde görünen açık renkli bölgelere Ay dağları (Latince: terrae (çoğul), terra (tekil)) denir çünkü Ay denizlerinden daha yüksektirler. Ay'ın görünen yüzünde, içleri bazalt ile dolu olan kraterlerin çevresinde birçok dağ sırasına rastlanır. Bunların kraterlerin çevrelerinde oluşan yükseltilerin kalıntıları olduğu düşünülmektedir. Dünya'da karşılaşılan oluşumun aksine, başlıca Ay dağlarının hiçbirinin tektonik etkinlikler sonucu oluşmadığına inanılmaktadır.
1994 yılında gerçekleştirilen Clementine görevinden alınan görsellerde Ay'ın kuzey kutbunda bulunan 73 km genişliğindeki Peary kraterinin çevresindeki dört dağlık bölgenin tüm Ay günü boyunca günışığı aldığı görülmüştür. Günışığının sürekli aydınlatığı bu bölgeler, Ay'ın tutulum düzlemine olan oldukça küçük eksenel eğikliği nedeniyle mümkündür. Güney kutbunda benzer bölgelere rastlanmamıştır, ancak Shackleton krateri Ay gününün %80'i boyunca gün ışığı altındadır. Ay'ın küçük eksenel eğikliğinin bir başka sonucu da kutup bölgesinde kraterlerin dibinde sürekli gölgede kalan bölgeler olmasıdır.

Kraterler

Ay'ın yüzeyinde gökcisimlerinin çarpması sonucu oluşan birçok krater bulunur. Çapı 1 km.'den büyük yaklaşık yarım milyon krater Ay yüzeyine göktaşlarının ve kuyrukluyıldızların çarpması sonucu oluşmuştur. Kraterler hemen hemen sabit bir oranla oluştuğu için birim alanda bulunan krater sayısı yüzeyin yaşını tahmin etmek için kullanılabilir. Atmosferin, hava olaylarının ve yakın geçmişte jeolojik etkinliklerin olmaması sayesinde bu kraterler, Dünya'dakilerin aksine oldukça iyi korunmuştur.
Ay yüzeyinin ve Güneş Sistemi'nin bilinen en büyük krateri Güney Kutbu - Aitken düzlüğüdür. Bu çarpma havzası Ay'ın öteki yüzünde Güney Kutbu ile ekvator arasında yer alır; 2240 km. çapında ve 13 km. derinliğindedir. Ay'ın görünen yüzünde başlıca kraterler Mare Imbrium, Mare Serenitatis, Mare Crisium, ve Mare Nectaris'tir.

Regolit

Aykabuğunun üzerinde regolit adı verilen taş ve tozdan oluşan bir tabaka bulunur. Yüzeye çarpan gökcisimleri nedeniyle oluşan regolit eski yüzeylerde yeni yüzeylere nazaran daha kalındır. Özel olarak regolitin kalınlığının denizlerde 3-5 metre, daha eski yayla bölgelerinde ise 10-20 metre arasında değiştiği tahmin edilmektedir. Çok ince toz hâlinde bulunan  regolit tabakasının altında onlarca kilometre kalınlığında oldukça parçalanmış kayalardan oluşan megaregolit tabakası bulunur.

İç yapı

Ay, kabuk, manto ve çekirdek gibi jeokimyasal olarak ayrımlanabilen katmanlardan oluşur. Bu yapının yaklaşık 4,5 milyar yıl önce, Ay'ın oluşumundan hemen sonra magma okyanusunun kademeli olarak kristalleşmesiyle meydana geldiğine inanılmaktadır. Ay'ın dış yüzeyini eritmek için gerekli olan enerjinin Dünya ve Ay sistemini oluşturduğu öne sürülen dev çarpma ile elde edildiği düşünülmektedir. Bu magma okyanusunun kristalleşmesi sonucu mafik manto ve plajiyoklâz zengini kabuk ortaya çıkmış olabilir.
Yörüngeden yapılan jeokimyasal haritalama aykabuğunun magma okyanusu varsayımı ile uyumlu bir şekilde oldukça anortositik bir yapıda olduğunu gösterir. Aykabuğu başlıca oksijen, silikon, magnezyum, demir, kalsiyum, ve aluminyum elementlerinden oluşmuştur. Jeofiziksel tekniklere dayanılarak aykabuğunun kalınlığının ortalama 50 km. civarında olduğu tahmin edilmektedir.
Ay'ın mantosunda oluşan kısmi erime Ay denizlerinde bulunan bazaltların yüzeye püskürmesine neden oldu. Bu bazaltların analizi mantonun olivin, ortopiroksen ve klinopiroksen minerallerinden oluştuğunu ve Ay mantosunun Dünya mantosundan demir açısından daha zengin olduğunu gösterir. Bâzı Ay bazaltlarında ilmenit minerali içinde karşılaşılan yüksek oranda titanyum içeriği mantonun bileşiminin oldukça yüksek oranda heterojen olduğunu gösterir. Ay yüzeyinden yaklaşık 1.000 km derinde, mantoda Ay sarsıntıları olduğu bulunmuştur. Aylık periyotlarla oluşan bu sarsıntılar Ay'ın Dünya çevresinde dış merkezli yörüngede dönmesi nedeniyle oluşan gelgit streslerine bağlanmıştır.
Ay 3.346,4 kg/m³'lik ortalama yoğunluğuyla, Güneş Sistemi'nin İo'dan sonra ikinci yoğun doğal uydusudur. Ancak bazı kanıtlar Ay çekirdeğinin yaklaşık 350 km.'lik yarıçapıyla oldukça küçük olduğuna işaret eder. Bu büyüklük Ay'ın yalnızca %20'sine denk gelir, halbuki birçok gökcisminde çekirdeğin oranı %50 civarındadır. Ay çekirdeğinin bileşimi tam olarak saptanamamıştır, ama az bir miktarda kükürt ve nikel alaşımlı metalik demirden oluştuğu sanılmaktadır. Ay'ın zamanla değişkenlik gösteren dönüşünün analizi çekirdeğin en azından kısmen erimiş olduğunu gösterir.

Topoğrafya

Ay'ın topoğrafyası özellikle yakın zamanda yapılan Clementine görevinin sağladığı, lazer altimetri ve stereo görüntü analizi yöntemleriyle elde edilen data sayesinde ölçülmüştür. En çok görünen topografik özellik öteki yüzde bulunan ve Ay'ın en alçak noktalarını barındıran Güney Kutbu - Aitken düzlüğüdür. En yüksek noktalar bu düzlüğün hemen kuzeydoğusunda bulunur. Buranın Güney Kutbu - Aitken düzlüğünün oluşumuna neden olan gökcismi çarpması sonucunda yer değiştirmiş kalın katmanlar nedeniyle oluştuğu önerilmiştir. Diğer büyük kraterler Mare Imbrium, Mare Serenitatis, Mare Crisium, Mare Smythii, ve Mare Orientale 'de de oldukça alçak noktalar ve çevrelerinde yüksek noktalar bulunur. Ay şeklinin dikkat çekici bir noktası da ortalama yüksekliklerin öteki yüzde, görünen yüze göre 1,9 km daha yüksek olmasıdır.

Kütleçekim alanı

Ay'ın kütleçekim alanı, yörüngedeki uzay araçlarının yaydığı radyo dalgalarının izlenmesi sonucu belirlenmiştir. Kullanılan prensip Doppler Etkisi'ne bağlıdır. Uzay aracının bakış açısı yönündeki ivmesi radyo dalgalarının yönünü azar azar değiştirerek ve uzay aracından Dünya üzerindeki sabit bir noktaya olan uzaklığı kullanarak belirlenir. Ancak Ay'ın eş zamanlı dönmesi nedeniyle, uzay aracı öte taraftayken izlenemediğinden ötürü, öteki tarafın kütleçekimi alanı çok iyi belirlenememiştir.
Ay'ın kütleçekim alanının en önemli özelliklerinden birisi dev krater düzlükleri ile bağlantılı olan geniş pozitif kütleçekimsel anomalilerin varlığıdır. Bu anomaliler uzay araçlarının yörüngesini önemli ölçüde etkiler bu nedenle insanlı ya da insansız uçuşların planlanmasında Ay'ın doğru kütleçekimsel modeli gereklidir. Kütleçekimsel yoğunluğun olduğu bölgelerin nedeni kısmen, krater düzlüklerini dolduran yoğun bazaltı oluşturan lava akışının varlığına bağlıdır. Ancak bu lava akışları tek başına kütleçekimsel izin tamamını açıklayamaz, aykabuğu ile manto arasındaki etkileşime de gerek vardır. Lunar Prospector 'un kütleçekimsel modellemeleri bazaltik volkanların etkisi nedeniyle oluşmadığı sanılan bazı kütleçekimsel yoğunlukların varlığını gösterir. Oceanus Procellarumda devasa volkan kaynaklı bazaltlar bulunmasına rağmen kütleçekimsel anomali gözlemlenmemektedir.

Manyetik alanı

Ay'ın dış manyetik alanı bir ile yüz nanotesla arasındadır yani 30-60 mikrotesla büyüklüğündeki Dünya'nın manyetik alanından yüz kat daha küçüktür. Diğer önemli farklılıklar çekirdeğindeki jeodinamo tarafından üretilmiş bir dipolar manyetik alanı yoktur ve varolan manyetik alanların kaynağı tamamen aykabuğudur. Bir varsayıma göre aykabuğundaki manyetikleşmelerin Ay daha gençken ve çekirdeğinde bir jeodinamo bulunurken oluştuğudur. Ancak Ay çekirdeğinin küçüklüğü bu varsayımın doğruluğu karşısında bir engel oluşturmaktadır. Alternatif varsayımlar arasında, Ay gibi havası olmayan gökcisimlerinde süreksiz manyetik alanlar büyük gök cisimlerinin çarpması bulunur. Bu varsayımı destekleyecek şekilde en geniş aykabuğu manyetikleşmelerinin dev kraterlerin tam karşısında Ay yüzeyinde gerçekleştiğinin farkına varılmasıdır. Böyle bir fenomenin çarpışma sonucu oluşan plazma bulutunun ortamda bir manyetik alan bulunurken serbest olarak yayılmasından kaynaklanabileceği önerilmiştir.

Ay'ın atmosferi

Ay'ın atmosferi öyle incedir ki yok bile sayılabilir. Toplam atmosferik kütlesi 10⁴ kg.'dır. Atmosferinin kaynaklarından biri aykabuğunda ve mantoda oluşan radyoaktivite sonucu ortaya çıkan radon gibi gazların salınımıdır. Diğer önemli bir kaynak ise mikrogöktaşları, güneş rüzgârı iyonları, elektronlar ve günışığının bombardımanı sonucu oluşan püskürtüm süreciyle gerçekleşir. Püskürtüm yoluyla salınan gazlar ya tekrar regolit içinde hapsolur ya da güneş radyasyon basıncı veya iyonize olmuşlarsa güneş rüzgârının manyetik alanı nedeniyle uzaya kaçar. Dünya üzerinden yapılan spektroskopik yöntemlerle sodyum (Na) ve potasyum (K) gibi elementlerin varlığı tespit edilmiştir. Radon–222 (²²²Rn) ve Polonyum-210 (²¹⁰Po) gibi elementler ise Lunar Prospector 'un alfa parçacık spektrometresi ile tespit edilmiştir. Argon–40 (⁴⁰Ar), helyum-4 (⁴He), oksijen (O₂) ve/veya metan (CH₄), nitrojen (N₂) ve/veya karbon monoksit (CO), ve karbon dioksit (CO₂) Apollo astronotları tarafından yerleştirilen detektörler tarafından tespit edilmiştir.

Yüzey sıcaklığı

Ay günü boyunca yüzey sıcaklığı ortalama 107 °C, Ay gecesi boyunca da ortalama -153 °C civarındadır.

Ay magma okyanusu

Hem dev çarpma olayı sırasında hem de bunu izleyen Dünya'nın yörüngesinde maddenin birikmesinde çok büyük miktarlarda enerji salındığı için Ay'ın önemli bir kısmının başlangıçta erimiş olduğu düşüncesi yaygındır. Ay'ın o sırada erimiş dış yüzeyine Ay magma okyanusu adı verilir ve derinliğinin 500 km ile Ay'ın yarıçapı arasında değiştiği tahmin edilmektedir.
Magma okyanusu soğudukça kısmen kristalleşti ve katmanlara ayrılarak jeokimyasal olarak ayrı olan aykabuğu ve manto oluştu. Manto olivin, klinopiroksen ve ortopiroksen minerallerinin çökelmesi sonucu meydana geldiği düşünülmektedir. Magma okyanusunun dörtte üçünün kristalleşmesi tamamlandıktan sonra düşük yoğunluğu nedeniyle anortit minerali çökelmiş ve yüzeye çıkıp aykabuğunu oluşturmuştur.
Magma okyanusunun kristalleşen son sıvı bölümü Ay kabuğu ile manto arasında sıkışmıştır ve ısı üreten, birbiriyle uyumsuz elementleri kapsar. Bu jeokimyasal bileşiğe potasyum (K), soy toprak elementleri (İngilizce: rare earth elements - REE) ve fosfor (P) simgelerinden oluşan kısaltma KREEP adı verilir ve görünen yüzde Oceanus Procellarum ile Mare Imbrium'un çoğunu kapsayan küçük jeolojik bölgede toplanmış gözükmektedir.

Jeolojik evrimi

Ay'ın magma okyanusu sonrası jeolojik evrimi gökcisimlerinin çarpması ile oluşmuştur. Ay'ın jeolojik dönemleri Nectaris, Imbrium, Orientale gibi büyük kraterlerin oluşumuna neden olan çarpma olaylarına göre ayrılmıştır. Çarpma sonucu oluşan bu yapılar yukarı fırlayan maddenin oluşturduğu çoklu halkaları ile gözlemlenir. Bu halkaların çapı genellikle yüzlerce kilometreden binlerce kilometreye kadar uzanır. Her çoklu halka düzlüğünde bölgesel stratigrafik ufuğu oluşturan püskürtü katmanları ile bağlantılıdır. Yalnızca birkaç çoklu halka düzlüğü kesin olarak tarihlendirildiyse de stratigrafik katmanlar sayesinde göreceli yaşların tespitinde faydalıdır. Sürekli olarak gökcisimlerinin çarpması sonucunda regolit oluşur.
Ay yüzeyinin oluşumunu etkileyen diğer önemli bir jeolojik süreçi ay denizlerinin oluşumunun temelindeki volkanik etkinliktir. Procellarum KREEP katmanında ısı üreten elementlerin toplanması sonucunda altında kalan mantonun ısınıp sonunda kısmen eridiği düşünülmektedir. Eriyen magmanın bir kısmı yüzeye çıkarak püskürtüldü ve Ay'ın görünen yüzünde bulunan ay denizi bazaltlarını oluşturdu. Ay'ın bu jeolojik bölgesinde bulunan bazaltların çoğu 3,0 - 3,5 milyar yıl önce Imbrian döneminde püskürtüldü. Yine de en eski tarihlenmiş örnekler 4,2 milyar yıla uzanırken en yeni püskürtüler yalnızca 1,2 milyar yıl önce oluşmuştur.
Ay yüzeyinin zamanla değişiklik gösterip göstermediği konusunda bazı anlaşmazlıklar bulunmaktadır. Bazı gözlemciler kraterlerin ortaya çıktığını ya da ortadan kaybolduğunu ya da diğer geçici fenomenlerin oluştuğunu iddia etti. Günümüzde bu iddiaların çoğunun yanılsama olduğu ve farklı ışık koşulları, zayıf astronomik gözlem ya da yetersiz eski çizimler nedeniyle oluştuğu düşünülmektedir. Yine de gaz çıkması gibi fenomenlerin ara sıra oluştuğu ve bunların iddia edilen geçici Ay fenomenlerine sebebiyet vermiş olabileceği bilinmektedir. Geçenlerde, yaklaşık bir milyon yıl önce gazın serbest kalması nedeniyle kabaca 3 km çaplı bir bölgenin yüzey şeklinin değişmiş olabileceği önerilmiştir.

Ay taşları

Ay taşları iki ana kategoride incelenir; Ay denizlerinde ve Ay dağlarında bulunan Ay taşları. Ay dağlarında bulunan Ay taşları üç takımdan oluşur: demir anortosit takım, magnezyum takımı, ve alkali takımı. Demir anortosit takımı taşlar hemen hemen tamamen anortit mineralden oluşmuştur ve Ay magma okyanusu üzerinde yüzerek toplanan plajiyoklâzdan geldiğine inanılmaktadır. Radyometrik yöntemlerle demir anortositlerin yaklaşık 4,4 milyar yıl önce oluştuğu bulunmuştur.
Magnezyum ve alkali takımı Ay taşları asıl olarak mafik plütonik kayaçlardır. Tipi olarak rastlanan kayaçlar dunit, troktolit, gabbro, alkali anortosit ve nadiren de granittir. Demir anortosit takımı Ay taşlarıyla karşılaştırıldıklarında bu takımın mafik minerallerinde görece daha yüksek Mg/Fe oranları bulunur. Genel olarak bu kayaçlar önceden olmuş dağlık alan aykabuğuna sonradan girmiştir ve yaklaşık 4,4-3,9 milyar yıl önce oluşmuşlardır. Bu Ay taşlarında yüksek oranda KREEP bileşeni bulunur.
Ay denizlerinde hemen hemen yalnızca bazalt bulunur. Dünya bazaltlarına benzese de çok daha fazla demir barındırırlar ve su bazlı değişim ürünleri barındırmazlar. Ayrıca çok miktarda titanyum da içerirler.
Astronotlar yüzeydeki tozun kar gibi hissedildiğini ve yanık barut koktuğunu bildirmiştir. Toz asıl olarak Ay yüzeyine çarpan göktaşları nedeniyle oluşmuş olan silikon dioksit camından (SiO₂) ibarettir. Aynı zamanda kalsiyum ve magnezyum da içerir.

Yörüngesi ve Dünya ile olan ilişkisi

Ay, sabit yıldızlara göre Dünya yörüngesinde her 27,3 günde bir tam tur atar. Ancak Dünya'da kendi yörüngesinde Güneş'in çevresinde döndüğü için Ay'ın evrelerinin dönüşümü için biraz daha uzun bir zaman, 29,5 gün gerekir. Diğer gezegenlerin uydularının aksine Ay Dünya'nın ekvator düzlemi üzerinde değil, tutulum düzlemi yakınlarında yörüngededir. Gezegeninin boyutlarına göre Güneş Sistemi içinde en büyük doğal uydudur. (Charon cüce gezegen Plüton'dan daha büyüktür.)
Dünya üzerinde görülen gelgit etkilerinin çoğu Ay'ın kütleçekim alanı nedeniyle oluşmaktadır, Güneş'in etkisi çok azdır. Gelgit etkileri nedeniyle Dünya ile Ay arasındaki ortalama uzaklık her yüzyılda 3,8 m artmaktadır. Açısal momentumun korunumu nedeniyle Ay'ın yarı büyük ekseninin artmasıyla birlikte Dünya'nın dönüşü yüzyılda 0,002 saniye kadar yavaşlamaktadır.
Dünya ve Ay sistemi bazen gezegen-uydu sistemi olarak değil de çifte gezegen sistemi olarak değerlendirilir. Bunun nedeni Ay'ın çevresinde döndüğü gezegene göre oldukça büyük olan boyutlarıdır. Ay'ın çapı Dünya'nın dörtte biri, kütlesi de 1/81'idir. Ancak sistemin orta kütle merkezi yeryüzünün 1.700 km. yani Dünya yarıçapının dörtte biri kadar altında olması nedeniyle bu görüş bazıları tarafından eleştirilmektedir. Ay yüzeyi Dünya'nın onda birinden azdır ve Dünya'nın kara alanının yaklaşık dörtte biri kadardır.
1997'de asteroit 3753 Cruithne'nin Dünya ile bağlantılı olağandışı bir atnalı yörünge üzerinde olduğu bulundu. Ancak gökbilimciler bu asteroiti Dünya'nın ikinci doğal uydusu olarak kabul etmemektedir çünkü yörüngesi uzun dönemde kararlı değildir. Daha sonra Cruithne ile benzer yörüngede bulunan Dünya'ya yakın üç asteroit daha bulunmuştur: (54509) 2000 PH5, (85770) 1998 UP1 ve 2002 AA29.

Gelgit

Dünya üzerinde okyanuslarda görülen gelgit Ay kütleçekiminin etkisiyle oluşur. Kütleçekimsel gelgit kuvvetlerinin oluşmasının sebebi Dünya'nın Ay karşısında bulunan yüzünün merkezine ve arka yüzüne göre Ay'ın kütleçekiminden daha fazla etkilenmesidir. Kütleçekimsel gelgit, okyanusları Dünya'nın merkezinde olduğu bir elips şekline esnetir. Bunun etkisi birisi Ay'a doğru bakan yüzde, diğeri de bunun zıt yüzünde oluşan tümsek yani deniz seviyesinin yükselmesi olarak görülür. Dünya kendi ekseni etrafında dönerken bu iki tümsek de Dünya çevresinde bir günde döndüğü için okyanus suları sürekli olarak hareket eden bu iki tümseğe doğru akar. Bu iki tümseğin ve onlara doğru giden büyük okyanus akıntılarının etkisi; Dünya'nın dönüşü nedeniyle okyanus tabanlarında oluşan suyun sürtünme etkisi, su hareketinin eylemsizliği, karaya yaklaştıkça sığlaşan okyanus tabanları ve değişik okyanus tabanları arasındaki salınımlar gibi nedenlerle daha da büyür.
Ay ile okyanuslar arasındaki kütleçekimsel bağ Ay'ın yörüngesini etkiler. Ay'dan bakıldığında gelgit tümsekleri Dünya'nın dönüşüyle ileriye doğru taşındığından doğrudan Ay'ın karşısında değildir. Kütleçekimsel eşleşme Dünya'nın dönüşünden kinetik enerji ve açısal momentumu emer. Buna karşın Ay'ın yörüngesine açısal momentum eklenir. Bu da Ay'ı daha uzun periyotlu daha yüksek bir yörüngeye iter. Bunun sonucunda da her yıl iki gökcismi arasındaki ortalama uzaklık 3,8 cm. artar. Dünya ile Ay arasındaki gelgit etkilerin önemsiz hâle gelene kadar Ay yavaş yavaş uzaklaşmaya devam edecektir, ve bu durumda yörüngesi kararlı olacaktır.

Ay ve Güneş tutulmaları

Güneş, Dünya ve Ay aynı çizgi üzerinde sıralanınca, bu durum Dünya'da Ay ve Güneş tutulması olarak gözlenir. Güneş tutulması yeni ay evresinde, Ay Güneş ile Dünya'nın arasında iken oluşur. Buna karşın Ay tutulması dolunay evresinde Dünya Güneş ile Ay'ın arasında olduğunda oluşur.
Ay'ın yörüngesinin Dünya'nın Güneş çevresindeki yörüngesine nazaran yaklaşık 5° eğik olması nedeniyle her yeni ay ve dolunayda tutulmalar olmaz. Bir tutulmanın olması için Ay'ın her iki yörünge düzleminin kesişimine yakın bir yerde olması gerekir.
Ay ve Güneş tutulmalarının zamanlamaları yaklaşık 6.585,3 günlük (18 yıl 11 gün 8 saat) bir periyota sahip olan ve Babiler zamanında bulunan Saros çevrimi ile belirlenebilir.
Ay'ın ve Güneş'in Dünya'dan görülen açısal çapları değişimlerle üst üste gelebildiği için hem tam hem de yarım güneş tutulması oluşabilmektedir. Tam güneş tutulmasında Ay Güneş diskini tamamen kapatır ve Güneş koronası çıplak gözle görünür hâle gelir. Ay ile Dünya arasındaki uzaklık zamanla az da olsa arttığı için Ay'ın açısal çapı azalmaktadır. Bu yüzlerce milyon yıl önce Ay'ın tutulmalarda Güneş'in açısal çapı da değişmezse Ay artık Güneş diskini tamamen örtemeyecek ve yalnızca yarım tutulma oluşacaktır.
Tutulma ile ilgili bir başka fenomen "örtülme"dir. Ay sürekli olarak gökyüzünde 1/2 derece genişliğinde dairesel bir alanı kaplar. Parlak bir yıldız ya da gezegen Ay'ın arkasından geçerse örtülür yani gözden kaybolur. Güneş tutulması Güneş'in örtülmesidir. Ay Dünya'ya yakın olduğu için tek tek yıldızların örtülmesi aynı zamanda ve her yerden görülemez. Ay yörüngesinin yalpalaması sonucu her yıl farklı yıldızlar örtülür.
En son ay tutulması 20 Şubat 2008'de olan tam tutulmadır. Güney Amerika ve Kuzey Amerika'nın çoğu yerinden 20 Şubat'ta gözlemlenen tutulma Batı Avrupa, Afrika ve Batı Asya'dan 21 Şubat'ta gözlemlenmiştir. Güney Amerika ile Antarktika'nın bazı bölümlerinden gözlemlenen 1 Ağustos 2008'den sonraki güneş tutulması 15 Ocak 2010'dadır.

Gözlemsel bulgular

En parlak olduğu dolunay evresinde Ay'ın görünür kadir derecesi yaklaşık −12,6'dır. Kıyaslanacak olursa Güneş'in görünen kadir derecesi −26,8'dir. Ay'ın dördün evrelerinde parlaklığı dolunay evresindeki parlaklığının yarısı değil ancak onda biridir. Bunun nedeni Ay yüzeyinin mükemmel bir Lambert yansıtıcısı olmamasıdır. Dolunay iken gözlemcinin arkasından gelen ışık nedeniyle olduğundan parlak görünen Ay diğer evrelerde yüzeye düşen gölgeler nedeniyle yansıtılan ışığın miktarı azalır.
Ay ufka yakınken daha büyük olarak görünür. Fakat bu tamamen Ay illüzyonu olarak bilinen psikolojik bir etkidir.
Ay düşük albedosuna rağmen gökyüzünde oldukça parlak bir gökcismi olarak görünür. Ay, Güneş Sistemi'nde bulunan en kötü yansıtıcıdır ve üzerine düşen ışığın ancak %7'sini yansıtır. Bu oran bir parça kömürün yansıtma oranı ile hemen hemen aynıdır. 
Görsel sistemlerde renk istikrarı bir nesnenin rengiyle etrafındakilerin rengi arasındaki ilişkiyi ayarlar, dolayısıyla da görece karanlık olan gökyüzünde Güneş'in aydınlattığı Ay parlak bir nesne olarak algılanır.
Ay'ın gün içinde ulaştığı en yüksek nokta değişiklik gösterir ve Güneş ile aynı sınırlarda dolaşır. Ayrıca Dünya üzerindeki mevsime ve Ay'ın evrelerine göre değişir. Kış mevsiminde dolunayda en yüksek noktaya ulaşır. Ayrıca 18,6 yıllık düğüm çevriminin de etkisi vardır. Ay yörüngesinin yükselen düğüm noktası ilkbahar noktasındaysa Ay yükselimi 28° kadar yükselebilir. Bunun sonucunda 28 derece enlemlere kadar Ay tepe noktasına çıkar. Yaklaşık dokuz yıl kadar sonra yükselim yalnızca 18° kuzey ve güney enlemlere ulaşacaktır.
Ayçanın yönü de gözlem noktasının enlemine bağlıdır. Ekvator'a yakın yerlerde bir gözlemci Ay'ı sandal gibi görebilir.
Güneş gibi Ay'da bazı atmosferik etkilere neden olabilir. Bunların arasında 22°'lik hâle halkası ve ince bulutlar arasından görünen daha küçük korona halkaları sayılabilir.

İlk dönem gözlemler

M.Ö. 5. yüzyılda Babilli gözlemcilerin Ay'ın döngülerini incelediğini, Hindistan'da benzer bulguların varlığını, Çinli Shi Shen'in M.Ö. 4. yüzyılda Ay ve Güneş tutulmalarının tarihlerini hesaplama yöntemi geliştirdiğini biliyoruz.
M.Ö. 4. yüzyılda Aristo; yanlış da olsa uzun bir süre çok etkili olan evren açıklamasında, Ay'ın dört temel eleman (toprak, su, hava ve ateş) arasındaki sınır bölgede yer aldığını öne sürdü. Öte yandan, Seleucus ve Aristarchus (M.Ö. 2. yüzyıl) ile Ptolemy (M.S. 90–168) Aristocu anlayışı çürüten gözlem ve hesaplamalar sundular.
Orta Çağ Avrupası için "gökbilim"den söz etmek zordur ve dönemin bilgisi gözlemden çok dinî inanışların etkisi altındaydı. Ay'ın tam bir yuvarlak ve yüzeyinin pürüzsüz olduğu da bu inanışlar arasındaydı.
Teleskobun keşfi ve bilimlerde yaşanan yaklaşık eşzamanlı paradigma değişimi, Ay gözleminde bir dönüm noktası olmuştur. Galileo Galilei 1609'da yayımladığı kitabı Sidereus Nuncius; Ay yüzündeki dağları ve kraterleri gösteren ilk teleskobik çizimlerden bazılarını içeriyordu. Ardından Ay'ın teleskobik haritalanması başladı: 17. yüzyılın devamında Giovanni Battista Riccioli ve Francesco Maria Grimaldi; Ay'ın yüzey unsurlarını bugün adlandırırken kullanılan sistemin temellerini attılar. Wilhelm Beer ve Johann Heinrich Mädler'in kitapları Mappa Selenographica (1834-6) ve Der Mond (1837); binden fazla dağ dahil olmak üzere Ay'daki yüzey unsurlarını, yeryüzündeki coğrafya için mümkün olan hassasiyetle tanımladı.

Öncü keşifler dönemi (1958-1980)

Soğuk Savaş ile kaynaklanan Sovyetler Birliği ile ABD arasındaki uzay yarışı; Ay üzerindeki ilginin giderek artmasına neden oldu. Fırlatıcı yetenekleri izin verir vermez hem alçak uçuş hem de çarpma/iniş görevleri için insansız sondalar, uzaya gönderildi. Sovyetler Birliği'nin Luna programı Ay yüzüne insansız uzay araçları ile ulaşmayı başaran ilk program olmuştur. Yerçekimini yenip Ay'ın yanından geçmeyi başarabilen ilk insan yapımı nesne Luna 1 uzay sondası olmuştur. 1959 yılında Ay yüzüne çarpan ilk insan yapımı nesne Luna 2, ve Ay'ın öteki yüzünün fotoğraflarını çeken ilk uydu da Luna 3 olmuştur. 1966 yılında Ay yüzeyine başarılı bir yumuşak iniş yapan ilk uzay aracı Luna 9 ve Ay yörüngesine giren ilk uzay aracı da Luna 10 olmuştur. Ay yüzeyinden örnekler üç Luna uçuşu (Luna 16, Luna 20, ve Luna 24) ile  Apollo 11'den Apollo 17'ye kadar (Apollo 13 hariç)  Apollo görevleri ile Dünya'ya getirilmiştir.
Ay yüzeyine 1969 yılında ilk insanların inmesi, uzay yarışının doruk noktasını oluşturmuştur. Neil Armstrong, ABD uçuşu Apollo 11'in komutanı olarak Ay'da yürüyen ilk insan oldu. Ay'da ilk adımını 21 Temmuz 1969 tarihinde saat 02:56'da (UTC) attı. 1960'ların başında özellikle yüzel erime kimyası ve atmosfere yeniden giriş konularında olduğu gibi önemli teknolojik gelişmeler; Ay yüzeyine iniş ve geri dönüşü mümkün kılmıştır.
Apollo uçuşlarının tamamında bilimsel ölçüm aletleri, Ay yüzeyine yerleştirildi. Uzun süreli ALSEP (İngilizce: Apollo lunar surface experiment package - Apollo Ay yüzeyi deney paketi) istasyonları Apollo 12, 14, 15, 16, ve 17 iniş sahalarına yerleştirildi. Apollo 11 uçuşuyla EASEP (İngilizce: Early Apollo Scientific Experiments Package - Erken Apollo bilimsel deney paketi) adı verilen geçici istasyon yerleştirilmiştir. ALSEP istasyonlarında ısı akış sondaları, sismometreler, manyetometreler, ve küp köşeli retroreflektörler bulunmaktaydı. Bütçe sorunları sebebiyle 30 Eylül 1977'de Dünya'ya bilgi iletimi kesilmiştir. Ay laser mesafe ölçüm araçları pasif ekipmanlar olduğu için hâlâ kullanılmaktadır. Dünya üzerindeki istasyonlardan yönetilen ölçümler sonucu birkaç santimetrelik hassasiyetle ay çekirdeğinin boyutları belirlenebilmektedir.
14 Aralık 1972'de Apollo 17 uçuşunun bir parçası olarak Ay üzerinde yürüyen Eugene Cernan'dan beri başka bir insan Ay üzerinde yürümemiştir.
1960'ların ortasından 1970'lerin ortasına kadar Ay yüzüne ulaşan yaklaşık 65 farklı uçuş görevi yapılmıştır. Bunların sonuncusu, 1976 yılındaki Luna 24'tür. Bunları yalnızca 18'i kontrollü olarak Ay yüzeyine inmiş, dokuzu geriye dönerek ay taşı örnekleri getirmiştir. Daha sonra ise Sovyetler Birliği, Venüs ve uzay istasyonlarına ilgisini çevirirken ABD, Mars ve ötesi ile ilgilenmeye başladı.
Bir kısım uzmanlar Ay'a iniş yapılmasıyla ilgili görüntülerin sahte olduğunu iddia etmişlerdir. 2000'li yılların sonlarından bu yana LROC uzay aracı tarafından çekilen çok sayıda yüksek çözünürlüklü fotoğrafta Ay'a iniş yapmış uzay araçları ve izler görülebilmektedir. 2012 yılında Apollo bayraklarının Ay yüzeyindeki fotoğrafları yayınlanmıştır.

Yakın dönem, 1980 sonrası

Özellikle 1990'lardan itibaren Ay'a yönelik ilgi tekrar canlandı ve projeler arttı.
1990 yılında Japonya Hiten uzay aracını Ay yörüngesine oturtarak bunu başaran üçüncü ülke oldu. Uzay aracı Hagormo adlı küçük bir sondayı yörüngede bıraktı ama vericinin arıza yapması nedeniyle uçuş görevinden bilimsel olarak daha fazla yararlanılamadı.

ABD projeleri

1994 yılında Clementine uçuş görevini gönderen ABD tekrar Ay ile ilgilenmeye başladı. Bu görev ile birlikte Ay'ın ilk küresel topoğrafik haritası ve ay yüzeyinin ilk multispektral görselleri elde edildi. Bunu 1998 yılındaki Lunar Prospector uçuş görevi izledi. Lunar Prospector 'da bulunan nötron spektrometresi ay kutuplarında hidrojen oranının görece yüksekliğini gösterdi. Bunun nedeni olarak sürekli olarak gölge altında kalan kraterlerdeki regolitin üst birkaç metresinde su buzu var olabileceği düşünüldü.
14 Ocak 2004'te ABD Başkanı George W. Bush 2020 yılından itibaren Ay'a insanlı uçuşların yapılmasını öngören bir plan yapılmasını istedi.
NASA'nın Ay Arayışları (Lunar Quest) çatısı altında topladığı, Ay yörüngesinde (örneğin Haziran 2009'da fırlatılan LRC, Lunar Reconnaissance Orbiter) ve yüzeyinde (örneğin Ay'ın sürekli karanlık güney kutbunda su buzu varlığını aramayı amaçlayan LCROSS) çeşitli programları vardır. NASA, ay kutuplarından birinde kalıcı bir üssün kuruluşunu da planlamaktadır.

Avrupa projeleri

Avrupa uzay aracı Smart 1 27 Eylül 2003'te fırlatıldı ve 15 Kasım 2004'ten 3 Eylül 2006'ya kadar Ay yörüngesinde kaldı.

Japonya projeleri

Japan Aerospace Exploration Agency (Japon Uzay Araştırma Ajansı) 14 Eylül 2007'de yüksek çözünürlüklü kamera ve iki küçük uydu ile donatılmış olan SELENE adlı uzay aracını fırlattı. Uçuşun bir yıl sürmesi beklenmektedir.

Çin projeleri

Çin Ay araştırmaları için istekli olduklarını Chang'e programını başlatarak gösterdi. İlk uzay aracı Chang'e-1 24 Ekim 2007'de fırlatıldı.

Hindistan projeleri

Hindistan, Şubat 2008'de Chandrayaan I ve bunu takip edecek olan 2010 ya da 2011'de Chandrayaan II ile değişik insansız uçuş yapma niyetindedir. Bu ikinci uçuşta robotik bir ay aracı da planlanmaktadır. Hindistan aynı zamanda 2030 yılında Ay'a insanlı bir uçuş yapmak istediğini de belirtmiştir.

Rusya projeleri

Rusya da dondurulmuş olan Luna-Glob projesine tekrar başlamayı ve 2012 'de Ay yüzeyine iniş yapmayı düşünmektedir.

Özel girişimler

13 Eylül 2007'de duyurulan Google Lunar X Prize (Google Ay X Ödülü) özel sektör tarafından finanse edilen Ay araştırmalarını artırmayı amaçlamaktadır. X Ödülü Vakfı, Ay üzerine robotik bir ay aracı gönderebilecek olan ve diğer bazı kriterlere uyacak olan herhangi bir kişiye 20 milyon dolar önermektedir.

İnsan kavrayışı

Ay birçok sanat ve edebiyat eserine konu olmuş ve sayısız başkalarına da ilhâm kaynağı olmuştur. Görsel sanatlar, sahne sanatları, şiir, yazın ve müzik için bir motif oluşturur. İrlanda'da Knowth'da bulunan 5.000 yıllık kaya üzerinde kazılı bulunan ve Ay'ı tasvir ettiği düşünülen eser keşfedilen en eski eserdir. Birçok tarihöncesi ve antik kültürde Ay'ın tanrı olduğuna ve diğer doğaüstü fenomenlerin kaynağı olduğuna inanılırdı. Ay üzerindeki astrolojik görüşler günümüzde de yaygındır.
Batı uygarlığında Ay hakkında bilimsel açıklama getiren ilk kişi Yunan filozof Anaxagoras olmuştur. Anaxagoras Güneş ve Ay'ın dev küresel kayalar olduğunu ve Ay'ın Güneş'in ışığını yansıttığını öne sürmüştür. Gökyüzü hakkında tanrıtanımaz görüşleri tutuklanmasına ve sürgüne gönderilmesine neden olmuştur.
Aristo'nun evren tanımında Ay değişken elementler (toprak, su, hava ve ateş) alanı ile Eter'in ölümsüz yıldızları arasındaki sınırı oluşturur. Bu ayrım yüzyıllar boyunca fiziğin bir parçasını oluşturmuştur.
Orta Çağ'a gelindiğinde, teleskobun keşfinden önce birçok kişi Ay'ın bir küre olduğunu kabul etti ancak "tamamen pürüzsüz" olduğuna inanılıyordu. 1609'da, Galileo Galilei, Siderus Nuncius adlı kitabında Ay'ın ilk teleskobik çizimlerini yayımladı ve ay yüzeyinin pürüzsüz olmadığını, dağlar ve kraterlerden oluştuğunu yazdı. Daha sonra 17. yüzyılda Giovanni Battista Riccioli ve Francesco Maria Grimaldi Ay'ın bir haritasını çizerek birçok kratere günümüzde bilinen adlarını verdi.
Haritalarda Ay yüzeyinin karanlık bölümleri maria ya da denizler ve açık bölümleri terrae ya da kıtalar olarak belirtilmiştir.
Ay üzerinde bitki örtüsünün varlığı ve yaşam olabileceği düşüncesi 19. yüzyılın başlarına kadar önemli gökbilimciler tarafından bile dikkate alınmıştır. Parlak yüksek bölgeler ile koyu denizler arasındaki kontrast değişik kültürler tarafında Ay'daki adam, tavşan, buffalo ve bunun gibi çeşitli modellemelere yol açmıştır.
1835'te Büyük Ay Aldatmacası birçok insanı Ay üzerinde egzotik hayvanların yaşadığına inandırmıştır. Hemen hemen aynı zamanlarda (1834–1836 arasında) Wilhelm Beer ve Johann Heinrich Mädler dört ciltlik Mappa Selenographica 'yı ve 1837'de Der Mond adlı kitabı yayımlamaktaydı. Bu eserler Ay üzerinde su ve atmosfer olmadığını belirtiyordu.
Ay'ın öteki yüzü 1959'da Luna 3 uzay sondası fırlatılana kadar bilinmiyordu. 1960'larda Lunar Orbiter programı tarafından haritası çıkarılmıştır.

Yasal durumu

Her ne kadar 1959 yılında Luna 2 ve bunu izleyen diğer inişlerde birçok Sovyetler Birliği bayrağı ile ABD bayrağı Ay yüzüne sembolik olarak dikilmişse de günümüzde Ay yüzeyi üzerinde hiçbir ulus hak iddia etmemektedir. Rusya ve ABD Ay'ı uluslararası sular ile aynı statüye koyan (res communis) Dış Uzay Anlaşması'nın taraflarıdır. Bu anlaşma aynı zamanda Ay'ın yalnızca barışçıl amaçlar için kulllanılmasını emreder ve askerî üsler ile kitle imha silahlarını ve her türden silahları  yasaklar.
Ay kaynaklarının herhangi bir ülke tarafından tek başına kullanılmasını kısıtlayan ikinci bir anlaşma olarak Ay Anlaşması önerilmiştir ama uzay yolculuğuna çıkabilen ülkelerden hiçbiri bu anlaşmayı imzalamamıştır. Çeşitli kişiler Ay üzerinde tamamen ya da kısmen hak iddia etse de bunlar dikkate alınmamıştır.