粉紅月亮并不稀奇 瑞利散射讓日月“變色”

我們用肉眼幾乎看不出日月之外其他星球的顏色。其實(shí)，那些并不起眼的行星也都色彩斐然，宇宙天體更是色彩斑斕。

超級(jí)月亮又來了!今年似乎還有了新的花樣。“超級(jí)粉紅月亮”“金色月亮”等詞這幾天霸占了我們的屏幕。

相信大家對(duì)“超級(jí)月亮”已經(jīng)不陌生了。但“粉紅月亮”“金色月亮”是什么?事實(shí)上月亮顏色的變化并不稀奇，在漆黑深邃的星空中，潛藏著的是無數(shù)瑰麗無比的彩色世界。

瑞利散射讓日月“變色”

人們印象中的月亮，通常都是銀光皎皎、一片潔白，諸如“皓月當(dāng)空”“冷月清輝”等詞句描寫的都是這樣的場(chǎng)景。從原理上講，也理當(dāng)如此，因?yàn)樵鹿鈦碜蕴柟獾姆瓷?，?dāng)然也同陽光一樣都是白色。不過若留心觀察的話，當(dāng)月亮剛升起不久(或快要落山)時(shí)，經(jīng)常能看到它呈現(xiàn)出偏暗紅的顏色，隨著高度的上升，逐漸變亮至暗橙黃色，當(dāng)升到較高時(shí)，則已基本上是一片銀白了。

這就是所謂“粉紅月亮”“金色月亮”的由來。其實(shí)紅和黃并不是月亮本身的顏色，而是地球大氣給它“上的色”。類似的顏色變化在明亮的太陽上表現(xiàn)得更加明顯。旭日初升時(shí)，常?？梢娨惠喖t日噴薄而出，霧霾較重時(shí)，也能見到發(fā)紅的太陽懸在空中。這都是大氣發(fā)生瑞利散射的結(jié)果：陽光穿過地球大氣時(shí)，會(huì)被大氣分子以及塵埃顆粒散射，波長(zhǎng)越短散射得越厲害。地平面附近的太陽，和它位于高處時(shí)相比，陽光穿過的大氣要厚上幾倍，波長(zhǎng)較短的藍(lán)光幾乎被散射殆盡，波長(zhǎng)較長(zhǎng)的紅光部分雖然也因散射而強(qiáng)度大減，但仍足夠抵達(dá)人眼。這時(shí)的太陽就呈紅色或橙黃色，而且直視也不覺刺眼。隨著太陽逐漸升高，穿過的大氣路徑越來越短，陽光越來越強(qiáng)，藍(lán)光等短波長(zhǎng)光線的強(qiáng)度也在增加，我們就看到太陽從橙色、金黃色直到變?yōu)榇棠康牧涟住?/p>

月亮的顏色變化也如出一轍，只是因?yàn)楣饩€暗弱，而人眼在暗視覺時(shí)對(duì)顏色不敏感，看起來沒有太陽變化得這么明顯。尤其是所謂的“金色月亮”遠(yuǎn)非想象中那么金光耀目。滿月的亮度只有太陽的40萬分之一，而且當(dāng)它因塵埃散射而呈現(xiàn)出紅和黃的顏色時(shí)亮度更弱，人眼的色覺已很不敏感，我們能感覺到暗黃的色彩，但并不如照片中那么明顯。

現(xiàn)在由于大氣污染，“玉兔”變紅也已屢見不鮮了，這通常都發(fā)生在大氣中粉塵較多的時(shí)候。天文愛好者們眼中“正宗”的紅月亮，指的是月全食時(shí)的紅月。此時(shí)地球擋住了太陽射向月亮的光芒，陽光中的藍(lán)光被地球大氣散射，一部分紅光穿過大氣抵達(dá)月面，再被月亮反射回來。于是我們可以看到一輪暗如紫銅的紅色滿月。

行星顏色多由大氣“作主”

除了太陽和月亮以外，因?yàn)榫嚯x太遠(yuǎn)，我們用肉眼幾乎看不出其他星球的顏色。其實(shí)，那些并不起眼的行星也都色彩斐然。

太陽系中，有些行星的顏色來源于他們的地表。大氣稀薄的火星和沒有大氣的水星，展現(xiàn)的是它們的地表“本色”?；鹦堑募t色十分醒目，肉眼就能分辨，因?yàn)樗砻娲蟛糠謪^(qū)域都覆蓋著富含氧化鐵的紅褐色塵埃，還有南、北極冠(主要是干冰)的白色也是火星的特色。水星的表面和月球有些相像，巖石反射陽光，也是一片銀白。

金星、木星、土星、天王星和海王星，顏色則全憑大氣“做主”。金星大氣十分濃密，其質(zhì)量是地球大氣的90倍，導(dǎo)致無法看到行星表面。另外四顆氣態(tài)行星則根本沒有確定的地表，物質(zhì)由外到內(nèi)從氣態(tài)逐漸過渡到液態(tài)和固態(tài)。不同的大氣成分以及反射、吸收等效應(yīng)，給它們帶來了斑斕的色彩，其中木星尤為多彩多姿。

木星大氣的最主要成分是氫氣和氦氣，還有少量甲烷、氨氣和水蒸氣等。它們本都沒有顏色，但卻因活躍的“著色劑”——硫，而鮮艷起來。在太陽光紫外線的照射下，硫和上層大氣中的分子發(fā)生各種光化學(xué)反應(yīng)，形成的硫化物(例如硫氫化銨)產(chǎn)生了紅、褐、黃等顏色。

土星的顏色也是如此。它的引力小于木星，云層比木星更“蓬松”也更厚。再加上離太陽更遠(yuǎn)，大氣光化學(xué)反應(yīng)更弱，顏色不如木星豐富。但卻更加均勻齊整，在硫化物的“著色”下，呈現(xiàn)為柔和的奶黃色。

更遠(yuǎn)處的天王星和海王星，光化學(xué)反應(yīng)很弱，整個(gè)表面基本都是一片藍(lán)色。這得歸功于甲烷。甲烷沒有顏色，卻是強(qiáng)力的紅光“捕手”，能大量吸收波長(zhǎng)較長(zhǎng)的紅、黃光，把短光反射出去。甲烷濃度越高，反射光的顏色越藍(lán)。天王星大氣中甲烷含量約為2%，它呈現(xiàn)為藍(lán)綠色;海王星甲烷含量約為3%，就成了一片湛藍(lán)。

表面溫度決定恒星“色調(diào)”

太陽系以外，宇宙天體更是色彩斑斕，氣象萬千。

在晴朗的夜晚仔細(xì)觀察的話，用肉眼也能發(fā)現(xiàn)恒星有著不同的顏色，這些都取決于它們的表面溫度。比如離我們最近的恒星——太陽的顏色是黃色，這是因?yàn)樗且活wG型星，表面溫度為5800開爾文(K)。其他恒星例如藍(lán)色的參宿一是O型星，表面溫度將近40000K，白色的織女星為A型，溫度約為10000K，紅色的心宿二屬于M型，溫度只有3000K左右。

上述G型、O型、A型其實(shí)都是恒星的光譜類別。恒星可以按照光譜分為7大類，以O(shè)、B、A、F、G、K、M表示(即光譜型)，不同類型具有不同的表面溫度，從O到M遞減。同時(shí)，恒星的顏色也由藍(lán)、藍(lán)白而逐漸變成黃、紅色。

除了恒星，宇宙深空中還有不計(jì)其數(shù)的星云、星系等天體，色彩更加瑰麗。紅色的星云大多是發(fā)射星云，它們被周圍O型、B型恒星猛烈的紫外輻射激發(fā)，然后發(fā)出光芒。其中的紅色來自于氫(Hα)輻射，綠光則來自于氧，黃、褐等顏色來自于硫和其他離子。藍(lán)色的星云為反射星云。它們周圍的恒星沒有足夠的輻射使之電離發(fā)光，但足以讓它們因反射而發(fā)亮。這背后的物理機(jī)制也是瑞利散射，與“天空之所以是藍(lán)色”的道理一樣：附近恒星射來的星光里，藍(lán)光被星云中的物質(zhì)顆粒大量散射，而紅光大部分可以透射出去。我們從旁邊觀測(cè)星云時(shí)，就只見藍(lán)光而不見紅光了。

星系的尺度比星云大得多，動(dòng)輒包含數(shù)以千億計(jì)的恒星、星云以及大量星際塵埃、氣體等，它們有的生、有的滅、有的發(fā)射、有的吸收……在各種難以想象的紛繁擾攘中共同塑造出星系的顏色，已非筆墨所能形容。

我們之所以能欣賞到眾多天體的壯美圖像，要得益于攝影師的辛勤勞動(dòng)，以及各種尖端設(shè)備的助力，它們大大延伸了人類的視覺。這些照片大都需要幾小時(shí)甚至幾十小時(shí)的長(zhǎng)曝光，再加上復(fù)雜的后期處理，盡管色彩細(xì)節(jié)或許并不等同于肉眼所見，也足以讓我們一睹宇宙的無盡之美了!

(作者系北京天文館研究員李 鑒)

關(guān)鍵詞： 粉紅月亮 行星顏色