月兒為什么這樣紅

王偉民　牟銀勇

2022年11月8日（農(nóng)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(dāng)晚，全國(guó)絕大多數(shù)地區(qū)的人們有幸欣賞到了這場(chǎng)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(shí)間后，月亮居然神奇地把這顆星星“吃掉”了，之后再?gòu)牧硪粋?cè)“吐”了出來(lái)。月全食發(fā)生時(shí)的月亮被人們形象地稱(chēng)為“紅月亮”。

我們不禁要問(wèn)，月全食過(guò)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(yáng)、地球和月球這三顆星球運(yùn)行過(guò)程中的相對(duì)位置說(shuō)起。每月農(nóng)歷十五前后，地球會(huì)運(yùn)行至月亮和太陽(yáng)的中間，且三顆星球近乎共線，如圖2所示。

當(dāng)月亮位于因?yàn)榈厍蛘趽跆?yáng)光形成的本影區(qū)之外的圖2a附近位置時(shí)，站在地球上的人可以看到一輪滿月。倘若月亮運(yùn)行至部分體積進(jìn)入本影區(qū)的圖2b位置，那么，站在地球上的人就會(huì)看到月亮有一部分是黑暗的，這便是月偏食。當(dāng)月亮運(yùn)行至圖2c位置時(shí)，原來(lái)射向月球的太陽(yáng)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?yàn)樘罩谐诵乔蛑獾目臻g沒(méi)有光線進(jìn)入人眼。無(wú)月的夜晚在地球上看天空，由于大氣對(duì)星光的散射，天空看起來(lái)是暗灰色的。月全食發(fā)生時(shí)，地球遮擋住了太陽(yáng)射向月球的所有光線，按說(shuō)此時(shí)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(shí)際上，月全食時(shí)人們會(huì)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(shuō)的“紅月亮”。

三、“紅月亮”現(xiàn)象原因分析

太陽(yáng)光是由多種色光混合而成，當(dāng)陽(yáng)光射入大氣層時(shí)，會(huì)發(fā)生光的散射，其中波長(zhǎng)較短的藍(lán)光等色光最容易發(fā)生散射。在晴朗的白天，從天空不同的方位都有藍(lán)光等色光進(jìn)入人的眼睛，這些色光混合后給人的感覺(jué)就是蔚藍(lán)色。

如圖3所示，當(dāng)太陽(yáng)光射向地球并從地球周?chē)拇髿鈱訖M向穿過(guò)時(shí)，太陽(yáng)光中波長(zhǎng)較短的藍(lán)光等色光被散射殆盡，只剩下波長(zhǎng)較長(zhǎng)的紅光等色光穿過(guò)，大氣層如同濾網(wǎng)一樣，把波長(zhǎng)短的色光“過(guò)濾”掉了。

而從透光的角度看，大氣層猶如一個(gè)空氣做的凸透鏡—— 一個(gè)內(nèi)側(cè)厚、外側(cè)薄的“空氣凸透鏡”。凸透鏡對(duì)光有匯聚作用，一束平行光通過(guò)凸透鏡后，會(huì)折射匯聚于凸透鏡的焦點(diǎn)，如圖4所示。相比于玻璃凸透鏡，“空氣凸透鏡”的內(nèi)外密度不均勻，越靠近地面位置空氣密度越大，對(duì)太陽(yáng)光的折射本領(lǐng)越強(qiáng)，所以，穿過(guò)“空氣凸透鏡”的太陽(yáng)光，越靠近地面的位置，被地球“過(guò)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(diǎn)，而是如圖3所示，在地球遮擋太陽(yáng)光形成的本影區(qū)域，距離地球較遠(yuǎn)的空間內(nèi)，都有因大氣的折射而透過(guò)的紅光。當(dāng)月球運(yùn)行到該區(qū)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(qiáng)度明顯減弱，所以，月全食發(fā)生時(shí)，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(fā)生時(shí)，恰好也是天王星、月球和地球共線的時(shí)刻，這時(shí)的月亮在地球和天王星之間，三顆星球運(yùn)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(yáng)光而“發(fā)光”一樣，天王星也是靠反射太陽(yáng)光而“發(fā)光”），所以才會(huì)有紅月亮遮擋天王星這一奇特天文現(xiàn)象的發(fā)生。

由此可見(jiàn)，月全食時(shí)“紅月亮”現(xiàn)象的形成，與大氣對(duì)光的散射和“空氣凸透鏡”對(duì)光的折射密不可分。假如地球周?chē)鷽](méi)有大氣層，不僅天空是黑色的，月全食發(fā)生時(shí)，月亮和周?chē)奶找粯?，都是黑色的，人們也就看不到月亮了，?dāng)然，也就不再有“紅月亮”現(xiàn)象的發(fā)生。[本文為2021—2023重慶市教育學(xué)會(huì)基礎(chǔ)教育課題重點(diǎn)課題“以公眾號(hào)建設(shè)為途徑養(yǎng)成初中物理教師專(zhuān)業(yè)素養(yǎng)的實(shí)踐研究”（項(xiàng)目批準(zhǔn)號(hào)XH2021A101）的研究成果。]