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Sur la surface sans air de la Lune, les températures varient considérablement selon qu’une région est exposée directement au soleil ou à l’ombre. Une zone ensoleillée peut monter jusqu'à environ 121°C (250°F), tandis que les zones ombragées peuvent chuter jusqu'à -157°C (-250°F). Les pôles lunaires sont encore plus froids; le Lunar Reconnaissance Orbiter a enregistré des températures minimales de -238°C (-396°F) au pôle sud et de -247°C (-413°F) au pôle nord, des températures rivalisant avec celles de la surface de Pluton.
Contrairement à la Terre, la Lune n’a pas d’atmosphère pour redistribuer la chaleur. Le rayonnement solaire frappe la surface et la réchauffe directement, mais sans les gaz atmosphériques pour absorber et réémettre cette énergie, la chaleur reste localisée. Par conséquent, les régions ensoleillées atteignent des températures torrides tandis que les zones ombragées perdent rapidement de la chaleur à cause du vide.
L’atmosphère terrestre capte le rayonnement infrarouge sortant selon un processus connu sous le nom d’effet de serre. L'énergie solaire traverse l'atmosphère, réchauffe la surface, puis est réfléchie vers l'espace. Les gaz atmosphériques absorbent et réémettent cette énergie, maintenant une température relativement stable même du côté nocturne. La Lune, dépourvue d'atmosphère, permet à l'énergie réfléchie de s'échapper directement dans l'espace, de sorte que les ombres deviennent glaciales.
Ces températures extrêmes ont posé des défis importants aux astronautes et à leur équipement. Les missions Apollo ont utilisé un contrôle thermique passif, appelé « rouleau de barbecue », où le vaisseau spatial tournait lentement jusqu'à des températures moyennes. Sur la surface lunaire, les astronautes portaient de lourdes combinaisons spatiales avec régulation de température intégrée pour éviter la surchauffe au soleil ou le gel à l'ombre.