天文科普 | 月食
在光与影的交织中，造就了这样一个天文奇观。
今年9月7日有月食上演，咱们这就来聊一聊月食背后的小知识和原理，帮你下次看月亮“变脸”时，能指着天空跟身边人侃侃而谈，收获一波羡慕的目光！
地球的影子
先问个问题：你认为地球的影子是由太阳这个点光源发出的光被地球阻挡，在地球背后形成的一个锥形阴影吗？
如果认为地球的影子就是这个锥形阴影的话，那月食就是月球进入了这个阴影区域。我们都知道月光是来自月面反射的太阳光，那按理说月亮进入地球的阴影后应该变得暗黑或者消失不见。然而我们上网搜索月食的图片，可以发现此时的月亮往往是血红色的，而非我们刚刚的猜测，所以这背后一定有更复杂的原因导致了这一天文现象。
因为太阳不是我们想象中那种一点发光的理想点光源（根本原因是太阳的尺度相对于太阳到地球的距离还是可比的，所以不能被视为点光源），所以地球的影子是分层的，天文学家给它们起了俩专业名称：本影和半影。简单而言，本影就是地球完全挡住太阳光的核心黑区，半影则是半侧光线被遮挡，半侧光线没有被遮挡、光线比较暗的“外围区”。
▲ 太阳、地球与地球的影子的关系示意图（非实际比例）
地球本影长度大约137万千米，下面这张图与实际比例相仿，大家可以将地球、月球、地月距离的尺度与本影尺度建立一个基本的大小概念。可以看到在当前日地距离、地月距离的尺度下，月球的直径与地月轨道处本影的直径在一个数量级，本影之外便是半影，所以在月亮依次穿过地球半影、本影、半影的过程中，我们会观察到不同的现象。
▲地球、月球与地球本影的关系示意图（接近实际比例）
如果想要更直观地看到本影和半影的样子，大家可以在发光面积比较大（不能被视作点光源）的灯下放置一个不透明物体，可以观察到在影子的外围，有一圈没有那么暗的阴影，这就是半影。
血月何来
现在让我们回答开头提出的问题：为啥月食时月亮会变成血红色，而不是笼罩在地球的阴影中黯淡无光？这背后全是光线与地球大气的奇妙互动。
我们认为本影区是地球的阴影基于一个假设，即地球是一个边界清晰的刚性球体，恰好通过地球边缘的光线沿直线传播。然而，事实上我们的地球周围包裹着一层大气，大气的折射率高于真空，所以会发生折射，于是一部分光线离开原来的直线路径，转向了原本黯淡无光的本影区域。此外，光线在经过大气时会与大气分子发生散射，大气中的大多数气体分子尺度在1nm及更小尺度，而太阳光中的可将光波长在380-750nm，满足瑞利散射发生的条件：光线的波长远大于微小颗粒或分子的尺寸。瑞利散射会将原本定向直线传播的光线散播到空间中各个方向上，各个方向散射光强略有不同，具体情况见下方示意图。
▲ 瑞利散射光强与散射角的关系
图源 知乎
瑞利散射的强度与波长的四次方成反比，也就是波长短的光散射更强烈，因此大部分蓝光和紫光都被散射到四面八方，消散到太空或照亮了我们的天空。最后剩下更多的是波长较长的红光成功地穿透了大气层，并经过大气层的折射，改变了原本的路径，使其弯折后照向了原本处于地球阴影中的月亮。这些光线再在月亮表面反射，反射向地球的一部分进入观察者的眼睛，所以大家看到的就是红彤彤的血月。
▲ 瑞利散射光强与波长的关系
图源 网络
而在半影和本影的交界地带，情况又不一样了，这里的光线会经过臭氧层。臭氧对可见光波段均有吸收，但是吸收强度的极小值出现在390nm左右的蓝光，这么一筛，穿过臭氧层剩下的光线就是蓝光，于是月食部分的边缘多了条淡淡的蓝色弧带，看起来十分壮观。
▲臭氧对光的吸收强度与波长的关系
图源 网络
下图是摄影师Chris King Studio在Oklahoma City历经五小时，利用相机 望远镜的配置记录的高分辨率月食过程，蓝色光带清晰可见。
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▲ 月亮从本影半影交界地带进入本影
by 小红书@Chris King Studio
月食的条件
说到这，肯定有人疑惑：既然满月时月亮和太阳、地球差不多成一条线，那为啥不是每次满月都有月食？
天文学上把地球绕太阳转的轨道叫黄道，月亮绕地球转的轨道叫白道，这两个轨道并不是完全重合的，而是有个大约5°的倾角——相当于两个平面稍微错开了一点。所以只有当满月且月亮刚好跑到黄道和白道的交点（也就是黄白交点）时，三者才能精准排成一条直线，月亮完全钻进地球本影，太阳系由内及外依次是太阳、地球、月亮，这时才会出现月全食；要是月亮离交点稍微远一点，只钻进一部分本影，那就是月偏食啦；要是偏离过多，本影和半影都没有进入，那就没有月食。
▲ 月食或日食时日、月、地三者的相对位置
▲ 月球过高
▲ 月球过低
月食的频率
还有个冷知识：每年至少会有两次月食，这又是为啥？
我们先搞懂俩概念：“升交点”和“降交点”。简单说，月亮绕地球转时，从南向北穿过黄道的点叫升交点，从北向南穿的叫降交点，这两个点统称为上文说的黄白交点。假设月亮轨道不进动（其实月亮轨道会慢慢绕地球转，也就是所谓的进动，周期约18.6年），月亮绕地球一圈是一个月，地球绕太阳一圈是一年。那发生一次月食后，地球得绕到太阳对面，差不多要6个月，所以下次月食大概率在6个月后。
但实际情况更复杂：每个月天数不一样，地球还在不停公转，加上月亮轨道会发生进动，所以两次月食的间隔会在5-6个月之间浮动，最短就5个月。这么算下来，一年里月食最少2次，最多3次。
月食的过程
过几天（2025年9月7日晚至2025年9月8日凌晨）就有月全食，我们这里从NASA网站获取了这次月食的时间表，以供大家参考。
▲ 图源 NASA
可能有人看着这些食象的名词头大，别急，我们来翻译一下：
●半影食始：月亮刚碰到地球半影的边缘，开始进入半影区；
●半影食既：月亮完全钻进半影区，这下能明显看到月亮暗了点；
●初亏：月亮碰到本影的边缘，开始进入核心黑区，月食正式开场；
●食既：月亮完全钻进本影区，月亮完全变成红色（月偏食没有这个过程）；
●食甚：月亮跑到本影区域中间，是月食最精彩的时刻 ；
●生光：月亮开始离开本影区，边缘重新亮起来（月偏食没有这个过程）；
●复圆：月亮完全离开本影区，血月阶段结束；
●半影生光：月亮开始离开半影区；
●半影食终：月亮完全离开半影区，整场月食落幕；
下面的结合示意图可以更好地理解这些名词。
▲ 月食过程示意图（非实际比例）
这是摄影师@Simon想去冰岛2022年11月8日拍摄于上海外滩的月全食，延时摄影很好地展现了月食的各个阶段。
▲ 月食全过程
by 小红书@Simon想去冰岛
最后再补个知识点：最大食分是衡量月食期间月球深入本影程度的指标——月全食的最大食分≥1，月偏食的＜1。而且计算方式也不一样：月偏食是食甚时月亮进本影的直径和总直径的比值，月全食则是本影直径和月亮直径的比值。
读罢，下次看月食，大家也可以指着月亮给亲朋好友们科普这些知识，我们也希望以上的科普对各位有所帮助，有疑问或者发现错误的也可以在评论区指出，我们一起讨论。
撰稿 | Iris WOOF
图片 | WOOF Chris King Studio Simon想去冰岛
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编辑 | WOOF
初审 | alpha_gozero Pz.
审核 | BetelgeuseNebula 曳涂 illureion
审核发布 | WOOF
