月全食呈现红色的现象被称为“血月”，其核心原因在于地球大气层对阳光的散射和折射作用，结合月球表面的反射特性。以下是详细的物理学解析：
关键物理过程
阳光进入地球大气层：
- 发生日食时，太阳光并非直接照射到月球上（否则就是满月了）。月全食发生时，月球进入了地球的本影区（地球完全遮挡住太阳直射光的区域）。
- 然而，地球有厚厚的大气层包裹着。当阳光（白光，包含所有可见光波长）照射到地球大气层边缘时，它并没有完全被地球阻挡，而是会穿过地球周围的大气层。
瑞利散射（Rayleigh Scattering）：
- 这是解释天空为什么是蓝色的同一物理原理。阳光中的短波长光（主要是蓝光和紫光）比长波长光（红光和橙光）更容易被空气中的气体分子（主要是氮气和氧气）散射到四面八方。
- 在阳光穿过地球大气层边缘（特别是相对较长的路径，比如在日出/日落方向）时，这种散射效应极其显著。蓝光和紫光被强烈地散射掉，偏离了原本射向月球的方向，甚至散射回太空或被大气吸收。
- 结果： 穿过地球大气层边缘到达地球本影区的阳光，其光谱成分发生了显著变化——短波蓝紫光被大量削弱甚至移除，长波红光和橙光则相对保留得更多。这束光不再是“白光”，而是变成了富含红光和橙光的“红化”光。
大气折射（Refraction）：
- 地球大气层的密度从外到内逐渐增加，就像一个巨大的透镜。当光线（即使是已经红化的光）穿过这种密度梯度时，会发生折射——光线路径发生弯曲。
- 这种折射效应使得一部分原本应该从地球旁边“擦肩而过”或者被地球完全挡在背后的阳光，弯曲进地球的本影区内部。
红光照射并反射回地球：
- 经过大气散射（过滤掉蓝光）和折射（弯曲路径）双重作用后，富含红光和橙光的光线得以进入地球的本影区，并照射到位于本影区内的月球表面。
- 月球表面本身并不发光，它像一面镜子（虽然反射率不高，约7-12%）反射照射到它上面的光。因此，它将这束已经红化的阳光反射回地球。
人类观测：
- 地球上的人类观测者接收到月球反射回来的光。由于这束光主要由红光和橙光组成，我们看到的月球就不再是明亮的银白色，而是呈现出暗红色、古铜色或橙红色。具体色调取决于当时地球大气层的状态（尘埃、火山灰、水汽、污染物的含量）。
光谱学解析
- 入射光谱（太阳光）： 连续光谱，覆盖整个可见光波段（约380nm - 780nm），峰值在绿光区域。
- 大气散射效应： 主要作用于短波长端（蓝紫光，~380-500nm）。散射强度与波长λ的四次方成反比 (I_scatter ∝ 1/λ⁴)。因此，蓝光（~450nm）的散射强度大约是红光（~650nm）的 (650/450)⁴ ≈ 4.8倍。蓝紫光被极大地削弱。
- 透射光谱（到达月球的光）： 短波部分（蓝、绿）被强烈衰减，长波部分（红、橙）相对透过率高。光谱峰值向长波方向移动。
- 月球反射光谱： 月球表面（月壤）对光谱没有强烈的选择性吸收（不像地球植被吸收红光），它对不同波长的反射率相对平坦（略带红色调）。因此它主要反射接收到的红化光谱。
- 最终接收光谱（人眼/相机）： 以红光（~600-700nm）和橙光（~580-600nm）为主的连续光谱，缺乏蓝光和大部分绿光。这就是我们感知为红色的原因。
影响颜色的因素
- 大气透明度： 如果地球大气层非常清澈，散射掉的蓝光多，透过的红光纯粹，月全食会呈现较暗的深红色或古铜色。
- 大气中的微粒：
- 火山灰/气溶胶： 大型火山喷发后，平流层会悬浮大量细小的火山灰和气溶胶粒子。这些粒子会散射和吸收更多光线，特别是红光也可能被部分散射或吸收，导致月全食颜色更深、更暗（甚至接近黑色），或者呈现更深的棕红色。
- 水汽/云层： 大气中水汽含量高或低层云多，会进一步削弱透过的光强，但通常不会显著改变红光主导的特性。
- 污染/尘埃： 类似火山灰，会散射和吸收光线，可能使颜色变暗。
- 月球在阴影中的位置： 月球越靠近本影中心，接收到的折射光越少（主要来自地球边缘更厚的大气层，红光也更纯粹），颜色通常越暗红。越靠近本影边缘，可能接收到少量未被完全散射的偏黄或偏绿的光，颜色可能稍亮或偏橙黄。
总结
月全食呈现红色并非月球自身发光，而是地球大气层扮演了关键的“滤镜”和“透镜”角色：
散射（瑞利散射）： 过滤掉阳光中的蓝紫光，只让红光和橙光通过。
折射： 将过滤后的红光弯曲，使其能够照射到位于地球本影区内的月球。
反射： 月球表面将这部分红光反射回地球。
因此，我们看到的“血月”，本质上是被地球大气层“染红”的太阳光，经过月球反射后形成的景象。这是地球大气层光学特性的一个绝妙展示。
