月全食呈現(xiàn)紅色的現(xiàn)象被稱為“血月”，其核心原因在于地球大氣層對陽光的散射和折射作用，結(jié)合月球表面的反射特性。以下是詳細的物理學(xué)解析：
關(guān)鍵物理過程
陽光進入地球大氣層：
- 發(fā)生日食時，太陽光并非直接照射到月球上（否則就是滿月了）。月全食發(fā)生時，月球進入了地球的本影區(qū)（地球完全遮擋住太陽直射光的區(qū)域）。
- 然而，地球有厚厚的大氣層包裹著。當(dāng)陽光（白光，包含所有可見光波長）照射到地球大氣層邊緣時，它并沒有完全被地球阻擋，而是會穿過地球周圍的大氣層。
瑞利散射（Rayleigh Scattering）：
- 這是解釋天空為什么是藍色的同一物理原理。陽光中的短波長光（主要是藍光和紫光）比長波長光（紅光和橙光）更容易被空氣中的氣體分子（主要是氮氣和氧氣）散射到四面八方。
- 在陽光穿過地球大氣層邊緣（特別是相對較長的路徑，比如在日出/日落方向）時，這種散射效應(yīng)極其顯著。藍光和紫光被強烈地散射掉，偏離了原本射向月球的方向，甚至散射回太空或被大氣吸收。
- 結(jié)果： 穿過地球大氣層邊緣到達地球本影區(qū)的陽光，其光譜成分發(fā)生了顯著變化——短波藍紫光被大量削弱甚至移除，長波紅光和橙光則相對保留得更多。這束光不再是“白光”，而是變成了富含紅光和橙光的“紅化”光。
大氣折射（Refraction）：
- 地球大氣層的密度從外到內(nèi)逐漸增加，就像一個巨大的透鏡。當(dāng)光線（即使是已經(jīng)紅化的光）穿過這種密度梯度時，會發(fā)生折射——光線路徑發(fā)生彎曲。
- 這種折射效應(yīng)使得一部分原本應(yīng)該從地球旁邊“擦肩而過”或者被地球完全擋在背后的陽光，彎曲進地球的本影區(qū)內(nèi)部。
紅光照射并反射回地球：
- 經(jīng)過大氣散射（過濾掉藍光）和折射（彎曲路徑）雙重作用后，富含紅光和橙光的光線得以進入地球的本影區(qū)，并照射到位于本影區(qū)內(nèi)的月球表面。
- 月球表面本身并不發(fā)光，它像一面鏡子（雖然反射率不高，約7-12%）反射照射到它上面的光。因此，它將這束已經(jīng)紅化的陽光反射回地球。
人類觀測：
- 地球上的人類觀測者接收到月球反射回來的光。由于這束光主要由紅光和橙光組成，我們看到的月球就不再是明亮的銀白色，而是呈現(xiàn)出暗紅色、古銅色或橙紅色。具體色調(diào)取決于當(dāng)時地球大氣層的狀態(tài)（塵埃、火山灰、水汽、污染物的含量）。
光譜學(xué)解析
- 入射光譜（太陽光）： 連續(xù)光譜，覆蓋整個可見光波段（約380nm - 780nm），峰值在綠光區(qū)域。
- 大氣散射效應(yīng)： 主要作用于短波長端（藍紫光，~380-500nm）。散射強度與波長λ的四次方成反比 (I_scatter ∝ 1/λ?)。因此，藍光（~450nm）的散射強度大約是紅光（~650nm）的 (650/450)? ≈ 4.8倍。藍紫光被極大地削弱。
- 透射光譜（到達月球的光）： 短波部分（藍、綠）被強烈衰減，長波部分（紅、橙）相對透過率高。光譜峰值向長波方向移動。
- 月球反射光譜： 月球表面（月壤）對光譜沒有強烈的選擇性吸收（不像地球植被吸收紅光），它對不同波長的反射率相對平坦（略帶紅色調(diào)）。因此它主要反射接收到的紅化光譜。
- 最終接收光譜（人眼/相機）： 以紅光（~600-700nm）和橙光（~580-600nm）為主的連續(xù)光譜，缺乏藍光和大部分綠光。這就是我們感知為紅色的原因。
影響顏色的因素
- 大氣透明度： 如果地球大氣層非常清澈，散射掉的藍光多，透過的紅光純粹，月全食會呈現(xiàn)較暗的深紅色或古銅色。
- 大氣中的微粒：
- 火山灰/氣溶膠： 大型火山噴發(fā)后，平流層會懸浮大量細小的火山灰和氣溶膠粒子。這些粒子會散射和吸收更多光線，特別是紅光也可能被部分散射或吸收，導(dǎo)致月全食顏色更深、更暗（甚至接近黑色），或者呈現(xiàn)更深的棕紅色。
- 水汽/云層： 大氣中水汽含量高或低層云多，會進一步削弱透過的光強，但通常不會顯著改變紅光主導(dǎo)的特性。
- 污染/塵埃： 類似火山灰，會散射和吸收光線，可能使顏色變暗。
- 月球在陰影中的位置： 月球越靠近本影中心，接收到的折射光越少（主要來自地球邊緣更厚的大氣層，紅光也更純粹），顏色通常越暗紅。越靠近本影邊緣，可能接收到少量未被完全散射的偏黃或偏綠的光，顏色可能稍亮或偏橙黃。
總結(jié)
月全食呈現(xiàn)紅色并非月球自身發(fā)光，而是地球大氣層扮演了關(guān)鍵的“濾鏡”和“透鏡”角色：
散射（瑞利散射）： 過濾掉陽光中的藍紫光，只讓紅光和橙光通過。
折射： 將過濾后的紅光彎曲，使其能夠照射到位于地球本影區(qū)內(nèi)的月球。
反射： 月球表面將這部分紅光反射回地球。
因此，我們看到的“血月”，本質(zhì)上是被地球大氣層“染紅”的太陽光，經(jīng)過月球反射后形成的景象。這是地球大氣層光學(xué)特性的一個絕妙展示。
