月亮作为人类重要的情感寄托载体，有着丰富的色彩。那么这些颜色变化的秘密什么呢？我们在什么样的情况下才会看到特定颜色的月亮呢？
本文解释了银白色、橙色、红色、蓝色以及具有光晕等月亮出现的条件，揭开月亮颜色变化的奥秘。
1 前言
中国人自古以来对月亮有着深厚的情感，它常常成为文学作品中的重要意象。李白在《古朗月行》中写道：“小时不识月，呼作白玉盘。”苏轼在《行香子·述怀》中则描述道：“清夜无尘，月色如银。”宋代的晁补之在《青烟幂处》中提到：“青烟幂处，碧海飞金镜。”在古人的月亮描写中，时而将月亮比作白玉盘，时而形容为金色镜子，这些描绘展示了月亮在不同情境下的色彩变化。那么，月亮究竟是什么颜色的呢？让我们来一探月亮颜色变化的秘密。
2 变色月亮
意大利摄影师用10年时间在不同地方拍摄的48种颜色的月亮。为我们展示了月亮颜色的多样性。月亮为何有如此多的颜色形态？各种不同颜色月亮是在什么样的情况能够被我们肉眼所捕捉到呢？
图1 48种颜色月亮（图片来源：NASA)
2.1 月亮光的来源
在太阳系中，我们所见到的所有光线都源自太阳。
月亮的颜色变化，归根结底是太阳光通过月亮的反射或折射，然后被地球上的人眼捕捉到的结果。
那么，月亮的不同颜色是如何在我们的眼中展现出来的呢？
2.2 月亮本色
在NASA发布的地月合照中，月球是一个灰扑扑的球体，这种颜色与我们在地球上观察到的银白色月亮有所不同。这种色差主要来源于月球表面的实际物质组成和光线的反射特性。
月球表面的灰色外观是由于其地质构成。
月球表面覆盖着一种称为“月壤”的物质，
它主要由钛、硅、铁、钙、铝、镁等元素的矿物质组成[1]。这些矿物质包括各种类型的玄武岩和辉长岩，它们的颜色往往偏向灰色或暗灰色。
这些矿物质的反射特性使得从空间卫星拍摄的月球照片呈现出这种灰色调。
图2 地月合照（图片来源:NASA）
2.3 银白色月亮
在日常生活中，
我们大多数时间看到的月亮是银白色的。这种颜色的出现主要与天气条件以及大气层的状况密切相关。
当天气晴朗时，大气中的尘埃和水汽含量相对较低，太阳光能够更为直接地穿透大气层，抵达地球表面。此时，太阳光中的各种颜色几乎均匀地反射到我们眼中，综合形成了接近白色的光线。
此外，月亮本身的表面是由暗灰色的月壤和岩石构成的，这种色调会与反射的太阳光相结合。当月亮的光线经过相对清澈的大气层时，它不会被大气中的颗粒物质显著改变颜色。因此，我们看到的月亮往往是银白色的，这种颜色显示月亮表面反射了大量的阳光，并且大气条件对光线的散射较少。
综上所述，银白色的月亮是因为在晴朗的天气条件下，太阳光的各种颜色均匀地反射回我们的眼睛，同时月亮表面的暗灰色也影响了最终的视觉效果。在这种情况下，月亮看起来明亮而洁白。
图3 月球反射光到地球（自制）
2.4 橙月亮
除了银白色，月亮有时还会呈现出橙色或黄色，
这种现象通常发生在大气层中有较多水汽或颗粒物质时。
造成这种颜色变化的原因与大气对不同波长光线的散射特性有关。
在大气层中，短波长的光线，例如蓝光，比较容易被散射。当月亮在接近地平线的位置时，它的光线必须穿过更厚的大气层。
此时，大气中的尘埃、水汽和其他微小颗粒会有效地散射掉大部分的蓝光，使得蓝光的成分减少。
与此同时，长波长的光线，例如红光和黄光，较少受到散射，能够较为直接地穿透大气层并到达我们的眼睛。
因此，在这种条件下，月亮呈现的颜色更倾向于暖色调，如橙色或黄色。
特别是在湿度较高的情况下，空气中的水汽会进一步增强这种现象。水汽能够更加显著地散射短波长的光线，使得蓝光和绿色光线被更多地过滤掉，而黄光和橙光则更为明显地被反射回来。这就是为什么在这些情况下，月亮会显示出更加明显的橙黄色调。
总的来说，月亮呈现橙色或黄色的原因是由于大气层中的水汽和颗粒物质对光线的散射作用。短波长的蓝光被大量散射和过滤，而长波长的黄光和红光则能更直接地到达我们眼中，从而使得月亮看起来具有暖色的光芒。
图4 橙色深度不一的月亮(自制)
2.5 红月亮
红月亮，常于月全食时出现，这是因为太阳、地球和月亮在这一时刻排列成一条直线。
月全食发生时，地球位于太阳和月亮之间，使得地球的阴影完全遮住了月亮。
此时，地球的大气层对阳光的散射和折射作用使得月亮呈现出独特的红色。
在月全食期间，太阳光穿过地球的大气层。由于大气层对短波长的蓝光和紫光有较强的散射作用，这些短波长的光线在穿越大气层时被散射得更加严重，无法有效地到达月球表面。
与此同时，波长较长的红光和橙光相对较少受到散射，它们能够通过地球的大气层并弯曲折射到月球表面。这种现象被称为“瑞利散射”，是造成红月亮颜色的主要原因[2]。
由于地球的大气层不仅仅是散射蓝光，还会将红光折射到月球上，所以当月亮完全进入地球的阴影区域时，它会呈现出迷人的红色或铜色。这种红色是由散射和折射的红光组成的，通常被称为“血月”。
图5 月全食发生时太阳、地球以及月球所处位置(自制)
2.6 “蓝月亮”
“蓝月亮”是一个在特定条件下出现的天文现象。这一术语的出现源于每个季度正常只有三个满月，但每隔一段时间会有一个额外的满月。这是由于月球绕地球运行的周期大约是29.5天，而月份存在30天和31天导致产生间隙时间，间隙时间的积累就会出现额外的满月。现在对“蓝月亮”有两种说法，第一种是指一个公历月内出现两次满月时，后一次的满月被称为“蓝月亮”。第二种是指在一个季节中出现四次满月，此时第三个满月就称为“蓝月亮”[3]。尽管名字中带有“蓝”字，但实际上，蓝月亮在绝大多数情况下并不会呈现蓝色。它的名称更多是由偶发的天文学现象而来，而非实际的颜色变化。
真正的蓝色满月是极为罕见的现象，主要需要特殊的气候和环境条件。
要使得月亮呈现出蓝色，必须有大量的烟雾、尘埃或其他微小颗粒悬浮在地球的大气层中。这些颗粒物质会对光线产生散射作用，特别是当这些颗粒物质的尺寸接近蓝光的波长时，就会使得蓝光在穿越大气层时得到增强，从而使得月亮看起来呈现出蓝色。
历史上确实有记录过真正的蓝色满月。例如，在1950年和1951年瑞典和加拿大的森林大火之后，都曾经出现过蓝色的月亮。这些自然现象导致了大气层中悬浮的尘埃和烟雾量显著增加，使得蓝色光线的散射效应明显，从而使月亮呈现出蓝色。
图6 蓝月亮(自制)
2.7 毛月亮
当天空多云时，月亮有时会出现彩色的光环现象，这种现象被称为“月晕”。
月晕是一种光学现象，它发生在月亮周围形成了一个光晕，通常呈现出多种颜色，如红色、橙色、黄色和绿色等。
这种现象主要是由大气中的透光云层中的水滴造成的。
月晕形成的原因是这些云层中的水滴大小相似，能够有效地散射和衍射通过的光线。
具体来说，当光线通过这些云层中的水滴时，光线会发生弯曲和分散，形成一个圆形的光晕。
由于水滴的大小和光线的折射角度关系，光线在衍射过程中会分解成不同的颜色，类似于光谱中的彩虹色带，因此月晕通常呈现出丰富的彩色效果。
这种现象也被称为“毛月亮”，因为它的光环形态有时类似于毛发的边缘。月晕的颜色和强度可能会因大气中的湿度、云层的厚度以及其他气象条件的变化而有所不同。在某些情况下，月晕的颜色可能会非常鲜艳，而在其他情况下则可能比较淡。
图7 毛月亮(自制)
3 总结
月亮的颜色变化可以由多种因素造成。
首先，月亮的颜色会受到地球大气层的影响。
当月亮低于地平线时，经过大气层的光线路径较长，短波长的蓝光和绿光会被散射，剩下的光线呈现出红色或橙色，使得月亮看起来呈现出温暖的色调。
其次，月亮的颜色也会受到地球上的环境因素影响，
如空气中的尘埃、污染物质和水蒸气，这些因素都会改变月光的散射方式，从而影响月亮的颜色。
最后，空间中太阳、地球和月亮所处的相对位置也是月亮颜色变化因素之一。
此外，月亮的颜色也与观测地点的地理条件有关。
在不同的地理环境中，空气质量和大气层的条件不同，这也会影响月亮的观感。
摄影师可以通过在不同地点拍摄，捕捉这些颜色变化，展现月亮在不同环境下的多样色彩。
[1]Yang, C., Zhang, X., Bruzzone, L. et al. Comprehensive mapping of lunar surface chemistry by adding Chang'e-5 samples with deep learning. Nat Commun 14, 7554 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-43358-0.
[2]李鉴.红色旭日与粉红月亮一样，都是大气发生瑞利散射的结果.https://baijiahao.baidu.com/s?id=1663815986228648383. 2020.
[3]Borgna Brunner;Anne Marie Imbornoni.Once in a Blue Moon https://www.infoplease.com/once-blue-moon.2020
袁欢容，上海工程技术大学计算物理与应用中心研究生，研究方向为系外行星动力学。
王颖，上海工程技术大学计算物理与应用中心副教授，研究方向为系外行星动力学，几何算法
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来源：
中国科学院国家天文台
编辑：紫竹小筑
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