红月与血月：地球大气是原因

月食产生微红色的月亮 — 月食：阴影的边界肉眼看起来清晰，但像这里通过望远镜观看时则远不那么清晰。红月或血月是反射穿过地球大气的太阳光线的月亮。
图片来源：F. Aedo, F. Durán/ESO/VLT（新窗口）

科学摘要

Astronoo的文章解释了为什么月亮在某些月食和红月期间呈现红色调。文章详述了所涉及的光学机制：折射、瑞利散射和大气吸收。穿过地球大气的太阳光失去其蓝色和紫色成分，而红色和橙色光线则被偏转向月亮。大气条件、火山或沙漠尘埃调节着观测到的强度和色调。文章还介绍了丹戎标度、全食与偏食之间的差异，以及这一现象的文化和历史解读。

为什么月食期间月亮会变红？

本文回答一个看似简单的问题：为什么在某些月食和红月期间月亮会变红？答案在于天体几何学和大气光学的微妙结合。在月食期间，地球位于太阳和月亮之间。月亮随即进入地球的阴影锥。然而，它并不会完全消失：一部分太阳光穿过地球大气，在那里经历折射、瑞利散射和气溶胶吸收。短波长，即蓝色和紫色，被强烈散射和吸收，而长波长，即红色和橙色，偏转较少并到达月面。月亮随后向地球反射回微红色的光，有时呈铜色或褐色。确切的色调取决于大气的透明度、尘埃、火山灰或污染物的存在。文章还描述了丹戎标度、偏食、亮度变化以及血月的文化解读。

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红月和血月的起源

天体排列与地球阴影

当月食发生时，地球恰好位于太阳和月亮之间，使地球的阴影锥拦截月亮的轨迹。这一现象只有在三个天体完美对齐于黄道平面时，即满月时才可能发生。红月或血月是几何学和光学联合效应的结果：尽管月亮沉浸在地球的阴影中，但它仍然被穿过地球大气折射和散射的太阳光微弱地照亮。

选择性散射与大气过滤

这种光不是白色的，而是微红色的，因为具有较大波长的红色光线受瑞利散射的偏转和吸收较少（光被空气分子和小颗粒散射）。蓝色和紫色光子被强烈地向各个方向散射，在到达月亮之前大部分已丢失。因此，只有太阳光的红橙色成分以低角度穿过大气层，在地球周围形成一个发光的光晕，照亮月面。

瑞利散射

瑞利散射对短波长要强得多。散射强度大约按 \(1/\lambda^4\) 变化。换句话说，波长越短，光子被散射得越有效。对于蓝色（约450 nm）和红色（约650 nm），其比值为：\((650/450)^4 \approx 4.4\)。

蓝色和紫色光子被强烈地向各个方向散射，在到达月亮之前大部分偏离其初始轨迹。它向任意方向离去。因此，一个被散射的光子恰好朝向月亮的概率极低。对于到达月亮的光束来说，它被"丢失"了，即使它在别处继续存在，例如为天空的蓝色做出贡献。

大气条件的影响

观测到的色调在很大程度上取决于月食时地球的大气条件。充满火山颗粒、沙漠尘埃或人为污染物的大气会加剧短波长的吸收，并增强暗红色的着色，有时甚至达到深褐色。相反，晴朗干燥的大气则给出更明亮的月亮，带有橙色调。大气透明度可以从丹戎标度估算，这是一个经验标度，从L = 0（看不见的、完全黑暗的月亮）到L = 4（明亮的、铜色的且清晰可见的月亮）。

历史象征与文化解读

自古代以来，血月一直令文明着迷：在许多文化中，它被视为非凡事件的前兆。巴比伦人将其视为王室的标志，而中国人将其红色调解读为宇宙失衡。今天，这一现象在大气物理学和天体力学的光照下被理解，但仍保留其美学和象征力量。

月食期间红月的典型特征

下表总结了在赋予月亮红色调的月食期间观察到的主要特征。

月食期间红月的典型特征
特征	典型值	注释
色调	红色至褐色	随大气中尘埃和灰烬的浓度而变化
全食持续时间	约1至2分钟	月亮完全穿过地球阴影的时间
月相	满月	月全食只能在满月期间发生
太阳入射角	可变	影响折射光在月面上的分布