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月球小知識:紅月高掛

2015/5/30 — 23:16

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) !

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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:

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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):

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:

不過,由於地球的反照率 (albedo) 不高,所以地照月亮看很起很暗。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。

原刊於作者博客

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