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Sulla superficie senz’aria della Luna, le temperature oscillano drammaticamente a seconda che una regione sia esposta alla luce solare diretta o all’ombra. Un punto illuminato dal sole può salire fino a circa 121°C (250°F), mentre le aree in ombra possono precipitare fino a -157°C (-250°F). I poli lunari sono ancora più freddi; il Lunar Reconnaissance Orbiter ha registrato temperature minime di -238°C (-396°F) al polo sud e -247°C (-413°F) al polo nord, temperature che rivaleggiano con quelle della superficie di Plutone.
A differenza della Terra, la Luna non ha un’atmosfera per ridistribuire il calore. La radiazione solare colpisce la superficie e la riscalda direttamente, ma senza i gas atmosferici che assorbono e riemettono quell’energia, il calore rimane localizzato. Di conseguenza, le regioni illuminate dal sole raggiungono temperature torride mentre le aree ombreggiate perdono rapidamente calore a causa del vuoto.
L’atmosfera terrestre intrappola la radiazione infrarossa in uscita in un processo noto come effetto serra. L'energia solare attraversa l'atmosfera, riscalda la superficie e viene quindi riflessa verso lo spazio. I gas atmosferici assorbono e riemettono questa energia, mantenendo una temperatura relativamente stabile anche di notte. La Luna, priva di atmosfera, consente all'energia riflessa di fuggire direttamente nello spazio, quindi le ombre diventano gelide.
Queste temperature estreme hanno rappresentato sfide significative per gli astronauti e le attrezzature. Le missioni Apollo utilizzavano il controllo termico passivo, denominato “rotolo del barbecue”, in cui la navicella spaziale ruotava lentamente fino a raggiungere temperature medie. Sulla superficie lunare, gli astronauti indossavano tute spaziali pesanti con regolazione della temperatura integrata per evitare il surriscaldamento alla luce del sole o il congelamento all'ombra.
