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:

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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):

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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:

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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。

月球小知識:天狗食月

在上一篇關於月球的文章《月球小知識:月有陰晴圓缺》中,我們討論過月相的成因並不是因為地球的影子了。

另一個關於月球的現象「月食」的成因,才是因為月球運行到了地球後面,被地球遮擋了太陽光。現在,再問大家一條問題:月食有哪幾種呢?

月全食?正確!月偏食?也對!月環食?喔,要小心了,日食才會有「環食」現象,而月食是沒有的。不過,月食也有另一種特別的食法,叫做半影月食。

為什麼月食沒有環食,卻有半影食呢?假如地球投影在月球上的影子不夠月球本身大,就有可能出現環食。但事實上,因為地球的影子比月球大,所以不會有環食現象。下圖我嘗試不按比例地描繪出太陽光照向地球時,是如何被地球遮擋的:

(注意,我沒有畫比本影小的月球。而且實際上這情況是 3D 的,即大家應該想像把下圖把地球和太陽連線,然後在腦海中旋轉 360 度。)

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上圖中的「本影」就是完全沒有太陽光照射到的地方。而這個本影的大小比月球大很多,所以如果月球完全進入本影,就只會發生月全食,不會出現月環食。而寫著「半影」的地方就是地球只遮住了一部分太陽光的地方,如果月球剛好經過本影和半影之間,就會發生月偏食。如果月球完全進入半影地帶,就會發生半影月食。

下面所畫的三個情況中,在 (1) 位置的月球完全進入本影,所以就會發生月全食;在 (2) 位置的月球,部分進入本影、部分進入半影,所以就會是月偏食;在 (3) 位置的月球完全進入半影,發生的就是半影月食了)。

Screen Shot 2015-05-10 at 19.35.57Screen Shot 2015-05-10 at 19.36.06

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上面的三幅圖都是從第三身角度看月食,我再嘗試在下圖畫出在地球上會看見的情況:

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還記得在《月球小知識:月有陰晴圓缺》提到,地球與月球的公轉軌道平面有大約 5 度相差嗎?就是因為這個原因,如果月球經過的軌跡不是上圖所畫的任何一種,而是完全在半影之外的話,就不會發生月食了,而我們就只會看見正常的月相。

最後,送給大家兩張我自己拍攝的月食影片,一張是這文章的封面圖片,是我在 2009 年拍攝的半影月食;另外一張則是我在 2011 年拍攝的月全食,兩張都是在香港拍攝的:

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大家知道為什麼在月食的時候,我們也能夠看到整個月亮,而不是好像日食那樣真的被天狗「食」了一部分?大家知道為什麼在上面的月全食和半影月食中,月球都變成了橙紅色?其實在新月時,我們也可以看見很暗、很紅的月亮,大家又知道為什麼嗎?下一次,我們就來討論一下,紅月亮出現的原因吧!