为什么月亮在地平线是红色在天顶却是白色的？

当来自天体的光（或者更具体地说，称为光子的光束，月亮表面是来自太阳的反射光）穿过地球大气层时，它会通过地球大气层中的粒子散射掉。结果发现，这些粒子比红光更“喜欢”分散蓝光，所以“蓝”光子（波长较短的光子）趋向于散射，而“红”光子（波长较长的光子）直接通过照射到地面。因此，天体从地球上看起来比从太空上看起来更红，因为来自天体更红的波长要比那些更蓝的波长更容易穿透大气到达地面。顺便说一下，这就是为什么天空是蓝色的原因：来自太阳的蓝光散布在地球的各个方向上。

但是，这又如何解释月球的偶然发红嘞？ 大多数人可能已经注意到它们总是在月亮接近地平线时会出现红色的。 如果你想一想，当太阳或月亮在地平线上时，阳光或月光必须穿过最大的大气层含量才能到达你的眼睛（请记住，那个大气层是地球周围的球体，水平上的大气含量最多）。 因此，当太阳或月亮在地平线上时，你会发现“更多”蓝光从阳光或月光中散射，比起在头顶上的，这就会让天体看起来更红。 换句话说，太阳或月亮在上升或下降时往往看起来呈橙色或红色，因为这是由于光线必须穿过最大的大气含量才能到达你的眼睛。 当太阳或月亮前面有薄云时，效果会加剧：云层本身也会发出明亮的粉红色，因为它们很容易散射出蓝光。

该图显示在大气中，相对于红光，蓝光的散射光比例比较大。图：The original uploader was

出于同样的原因，这与天空是蓝色的原理一样：瑞利散射（Rayleigh Scattering）。瑞利散射是半径比光或其它电磁辐射的波长小很多的微小颗粒（例如单个原子或分子）对入射光束的散射。瑞利散射在光通过透明的固体和液体时都会发生，但以气体最为显著。在大气中，太阳光的瑞利散射会导致弥漫天空辐射，这也是天空为蓝色和太阳偏黄色的原因。

瑞利散射在日落之后更加明显。这张照片是在日落后，大约一小时在500米海拔高度拍摄，方向对着著在地平线上的太阳。图：Rnbc

清澈的白天天空是蓝色的，它是因为大气分子优先散射较短波长的光。红色和红外线可以直接穿过并撞到地面上，所以这就是你看不到太多红光的原因。

但是在黎明或黄昏附近时，阳光必须通过几倍厚的大气层中的空气才能到达我们肉眼。当其光穿过时几乎所有的蓝色都被散射到各处了（对于其他人的白天），因此只给我们留下了红色的光。

要清楚，你在中午看不到太多的红光，是因为红光直接从太阳传播到地球的，除非你能看到太阳的本身，由于其强光的原因，你只有永远不要拦截你的眼睛才能看见，这样做的后果是失明。你会看到蓝光的原因，是因为它是散射的，因此蓝色光子不断从各个方向击中你的眼睛。如果大气没有散射光，你根本看不到它，白天的天空会像月亮一样黑暗。

当大气被极细的灰尘，烟雾或海盐或冰晶污染时，瑞利散射会被夸大，但当它含有较大的颗粒时，所有频率均匀分散，因此天空可能会呈灰色甚至白色。

为什么月全食时月亮的颜色是红色的？

月全食发生时，月亮表面的颜色看起来是近乎暗红色的。我们前面提到过，乒乓球比作月亮，模拟出其表面却是近乎纯黑色的。那么，为什么啦？因为篮球没有大气层，在月全食发生时，地球有大气层。太阳光传过大气层折射后到达了月亮表面，从而形成暗红色月面。

在生活中，相信大家经常会发现，一根筷子插入水中，筷子在水中看起来（和空气中不一样）是偏折的。这是因为，光线进入不同介质（水）造成的。光线在同一介质中（如空气，太空）是直线传播的（这里不考虑引力影响），但是从一种介质到另一种介质时，就会发生折射现象。

在月全食时，太阳光线首先会从太空中进入地球大气层中，发生一次向内折射，折射后的光线又从大气层中传播到太空中去，又会向内折射，有点像凸透镜那种原理。两次折射的光线向内（向地球本影内）很多，所以基本上一些光线会照到月亮表面上，这和在地平线时看见的“假”太阳位置类似。因为太阳光中红色的光线波长比较长，“穿透力”强，基本不受大气层中（颗粒分子等）散射影响而直接穿过地球大气层照射到月面上，其它波长颜色基本散射了，无法到达月面。我们熟知的蓝天就是容易受分子颗粒散射的短波长蓝色光线造成的。因此，太阳的红色光线就照到了月面上，使得月面呈现暗红色。不过，有时候由于地球大气层影响的复杂条件而使得照射到月面上的颜色有所不同，如深红色、橙色等不同颜色。这个复杂条件，有当时大气层的天气空气条件等，如阴天，雾霾等等，都会影响月全食时月亮表面的颜色。

类似的模拟，动画图片来自网络

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