月球小知識:紅月高掛

上兩回的月球小知識,我們討論過月食和月相的成因了。今次,我們就來看看在某些神話、流言裡面惡名昭彰的「血紅月亮」的成因吧!

紅色的月亮的出現大致可以分為以下三個情況:

(1) 在月食的時候,太陽光應該被地球遮住了的 (參考《月球小知識:天狗食月》的圖解),可是我們卻可以看見整個染成血紅色的月亮!

(2) 在太陽還未完全下山時,向東邊地平線看去可以看到剛升起的月球。如果我們細心留意,會發現越接近地平線的月亮顏色就越偏紅;

(3) 在新月前後時期 (即初一前後數天),月球面向地球的一面應該是幾乎沒有太陽光照射到的 (參考《月球小知識:月有陰晴圓缺》的圖解)。可是,在夕陽或早晨太陽光仍未太強的時候,我們也可以看見偏紅色的月球!

其實,血紅月亮的出現並非什麼神祕的現象,與什麼厄運、惡兆一點關係也沒有。其原因原來是太陽光穿過地球大氣層時發生的折射 (refraction) 及散射 (scattering)!

大家都知道,當我們看進去水中,會低估了水深 (這就是為什麼看起來很淺水的地方也會有人遇溺,切記欺山莫欺水)。這是因為光線在穿過不同介質時會發生折射 (介質:水/空氣)。同樣地,太陽光在真空傳播,來到地球上我們的眼睛之前會穿過大氣層 (介質:真空/空氣),所以也會發生折射,如下圖:

Screen Shot 2015-05-30 at 14.42.01

所以在 (1) 的情況下,折射後的太陽光就可以照到正在發生月食的月球上,再反射到地球上。而光線在空氣裡的另一個特性,就是會發生散射。故名思義,散射就是說光線會被空氣向四方八面散射開去。越偏藍的光線就越容易被散射,所以在上圖中,穿過大氣層後仍能夠向著月球前進的光線就只剩下紅光。當這些少量剩下的紅光再經月面反射回到地球上時,我們就會看到一個很詭異的、暗血紅色的月亮了!

在 (2) 的情況,為什麼越接近地平線的月亮看起來會越偏紅呢?其實也是同樣道理:因為越接近地平線的光線所穿過的大氣層越厚,所以散射掉的藍光也越多、月亮也就越紅了。就如下圖所示,月球在 2 的位置比 1 的位置更接近地平線,因而 1 號光線也比 2 號光線更接近地平線,所以會穿過較厚的大氣 (即是 A 的距離比 B 長):

Screen Shot 2015-05-30 at 15.14.52

最後,在情況 (3),我們能夠看到月亮的原因,是因為地球把太陽光反射到月面上,然後再反射回到地球。這個情況有個特別的名稱,叫做地照 (earthshine)。由於光線在反覆反射的過程中會多次穿過地球大氣 (如下圖),所以也會發生比較強的散射現象,我們看到的地照月亮也就因而變成血紅色:

Screen Shot 2015-05-30 at 15.20.22

不過,由於地球的反照率 (albedo) 不高,所以地照月亮看起來很暗。其實不單止地球和月球之間會發生地照,其他行星與它們的衛星也會發生所謂的行星照 (planetshine)。NASA 的行星照教育網頁就有很多漂亮的圖片和詳細解釋。

順帶一提,達文西 (Leonardo da Vinci) 原來早在 16 世紀已經解釋了地照的成因!所以,只要多點動動腦筋、思考一下各種現象背後的科學原因,就會發現其實我們身邊的事物也很科幻、很有趣的呢!

*本文封面圖片來自達文西的地照手繪圖解,嗚謝 Alan Chiu。

By David Yu

David Yu is the father of Simba and an Astrophysicist. He obtained his PhD in Astrophysics from the Max Planck Institute of Extraterrestrial Physics, Germany. He was formerly a postdoc at the KTH Royal Institute of Technology, Sweden, and is currently a lecturer at the University of Hong Kong. He served as the host of the RTHK TV31 programme Science Night, the Depute Editor-in-Chief of the Taiwanese Science Magazine Physics Bimonthly, and the Science Consultant of Stand News. The books he authored include Dr David’s 21 Mysteries of The Universe (2021), Space – A Down-to-Earth Astrophysicist (2021), Time – A Spacetime Journey of Astronomy and Physics (2019), and Secrets from the Stars (2017).

2 comments

  1. 簡單清楚的說明, 除了地球照其實並不會特別偏紅, 特別是跟月全食月球進入地球本影時比起來, 實際看到或拍到的地球照大至上是灰白色, 有時甚至有些偏藍, 也許是因為地表上海洋覆蓋面積大, 反射短波長部份多一些

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