月兒為什么這樣紅

王偉民　牟銀勇

2022年11月8日（農歷十月十五）16：00—21：57，人們期待已久的天象奇觀“月全食大劇”如期“上演”。當晚，全國絕大多數地區的人們有幸欣賞到了這場百年難遇的自然美景——紅月亮邂逅天王星，如圖1所示。一輪圓圓的、古銅色的月亮高懸于暗灰色的天幕上，左下角緊貼著一顆明亮的行星（天王星），景色非常美。一段時間后，月亮居然神奇地把這顆星星“吃掉”了，之后再從另一側“吐”了出來。月全食發生時的月亮被人們形象地稱為“紅月亮”。

我們不禁要問，月全食過程中的月亮為什么是紅色的呢？它又是如何“吃掉”身旁的這顆星星的？

一、月食的原因

這需要從太陽、地球和月球這三顆星球運行過程中的相對位置說起。每月農歷十五前后，地球會運行至月亮和太陽的中間，且三顆星球近乎共線，如圖2所示。

當月亮位于因為地球遮擋太陽光形成的本影區之外的圖2a附近位置時，站在地球上的人可以看到一輪滿月。倘若月亮運行至部分體積進入本影區的圖2b位置，那么，站在地球上的人就會看到月亮有一部分是黑暗的，這便是月偏食。當月亮運行至圖2c位置時，原來射向月球的太陽光全部被地球遮擋，這就是月全食。

二、何為紅月亮

從大氣層外看太空是黑色的，是因為太空中除了星球之外的空間沒有光線進入人眼。無月的夜晚在地球上看天空，由于大氣對星光的散射，天空看起來是暗灰色的。月全食發生時，地球遮擋住了太陽射向月球的所有光線，按說此時的月亮將從人們的視野中消失，眼前只能看到暗灰色的天空。但實際上，月全食時人們會看到一輪古銅色的月亮高懸于暗灰色的天空，這就是人們所說的“紅月亮”。

三、“紅月亮”現象原因分析

太陽光是由多種色光混合而成，當陽光射入大氣層時，會發生光的散射，其中波長較短的藍光等色光最容易發生散射。在晴朗的白天，從天空不同的方位都有藍光等色光進入人的眼睛，這些色光混合后給人的感覺就是蔚藍色。

如圖3所示，當太陽光射向地球并從地球周圍的大氣層橫向穿過時，太陽光中波長較短的藍光等色光被散射殆盡，只剩下波長較長的紅光等色光穿過，大氣層如同濾網一樣，把波長短的色光“過濾”掉了。

而從透光的角度看，大氣層猶如一個空氣做的凸透鏡—— 一個內側厚、外側薄的“空氣凸透鏡”。凸透鏡對光有匯聚作用，一束平行光通過凸透鏡后，會折射匯聚于凸透鏡的焦點，如圖4所示。相比于玻璃凸透鏡，“空氣凸透鏡”的內外密度不均勻，越靠近地面位置空氣密度越大，對太陽光的折射本領越強，所以，穿過“空氣凸透鏡”的太陽光，越靠近地面的位置，被地球“過濾”而出的紅光等色光偏折角度越大。因此，從大氣層透射出的色光不是如圖4般交于一點，而是如圖3所示，在地球遮擋太陽光形成的本影區域，距離地球較遠的空間內，都有因大氣的折射而透過的紅光。當月球運行到該區域，紅光照射下的它就只能反射紅光了。

由于大氣層透射出的紅光分散到口徑大于月球直徑的空間，光的強度明顯減弱，所以，月全食發生時，我們看到的月亮的亮度很弱，呈暗紅色。

2022年11月8日晚月全食發生時，恰好也是天王星、月球和地球共線的時刻，這時的月亮在地球和天王星之間，三顆星球運行至同一條直線上，月全食的月亮剛好擋住了由天王星射向地球的光（正如月亮是靠反射太陽光而“發光”一樣，天王星也是靠反射太陽光而“發光”），所以才會有紅月亮遮擋天王星這一奇特天文現象的發生。

由此可見，月全食時“紅月亮”現象的形成，與大氣對光的散射和“空氣凸透鏡”對光的折射密不可分。假如地球周圍沒有大氣層，不僅天空是黑色的，月全食發生時，月亮和周圍的太空一樣，都是黑色的，人們也就看不到月亮了，當然，也就不再有“紅月亮”現象的發生。[本文為2021—2023重慶市教育學會基礎教育課題重點課題“以公眾號建設為途徑養成初中物理教師專業素養的實踐研究”（項目批準號XH2021A101）的研究成果。]