超級月亮會“變臉”？——聊聊天體的顏色

近些年幾乎每過一陣子，“超級月亮”——執行至近地點附近的滿月——都會佔據一段時間的熱榜。這一天象本身並不稀奇，每隔410多天就會出現一次。但2020年4月8日的超級月亮，因為有報道中出現了“粉紅月亮”、“金色月亮”的字眼，又引發了人們新的好奇：月亮除了大小有不同外，顏色也可以變化嗎？

瑞利散射：讓日月“變臉”

人們印象中的月亮，通常都是銀光皎皎、一片潔白，所以常常用“皓月當空”、“冷月清輝”等來形容月色。從原理上講，也理當如此，因為月光反射自太陽，當然也同陽光一樣都是白色。不過若留心觀察的話，到當月亮剛升起不久（或快要落山）時，經常能看到它現出暗紅的顏色，隨著高度的上升，逐漸變亮至暗橙黃色。當達到較高時，則已基本上是一片銀白了（圖1）。

圖1：月亮初升時常常因藍光被大氣塵埃散射而顏色發紅，升起後逐漸轉為黃、白色。這張照片經過多重曝光疊加處理後，強化了月面色彩的對比，人眼的視覺感受並沒有這麼明顯。（圖片來自網路）

這就是所謂“粉紅月亮”、“金色月亮”的由來。其實紅和黃並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得更加明顯。旭日初昇時，常常可見一輪紅日噴薄而出，霧霾較重時，也能見到發紅的太陽懸在空中。這都是大氣發生“瑞利散射”的結果：陽光穿過地球大氣時，會被大氣分子以及塵埃顆粒散射，波長越短散射得越厲害。地平附近的太陽，和它位於高處時相比，陽光穿過的大氣要厚上幾倍，波長較短的藍光幾乎被散射殆盡，波長較長的紅光部分雖然也因散射而強度大減，但仍足夠抵達人眼。這時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，藍光等短波長光線（包括太陽直射而來的以及從大氣分子散射而來的）的強度也在增加，我們就看到太陽變成了橙黃色、金黃色直到刺目的亮白。

月亮的顏色變化也如出一轍，只是因為光線闇弱（滿月的亮度只有太陽的40萬分之一），而人眼在暗視覺時對顏色不敏感，看起來沒有太陽變化得這麼明顯。尤其所謂“金色月亮”遠非想象中那麼金光耀目。滿月的亮度只有太陽的40萬分之一，而且當它因塵埃散射而呈現出紅和黃的顏色時亮度更弱，人眼的色覺已很不敏感，我們能感覺到暗黃的色彩，但並不如照片中那麼明顯，和金黃的太陽更是無法相提並論。“金烏西墜，玉兔東昇”才是對日月顏色更恰當的描述。當然，現在由於大氣汙染，“玉兔”變紅也已屢見不鮮了，這通常都發生在大氣中的粉塵較多的時候。

在天文愛好者們眼中，“正宗”的紅月亮指的是月全食時的紅月。此時地球擋住了太陽射向月亮的光芒，陽光中的藍光被地球大氣散射，一部分紅光可以穿過大氣抵達月面，再被月亮反射回來。於是我們可以看到一輪暗如紫銅的紅色滿月，這時大部分月面都是飽和度很低的紅黑色，在環形山較多的月面南部區域則因反照率較高而呈較亮些的橙紅色。紅月亮比“霾月亮”更暗，也比超級月亮更加罕見，經常兩三年才出現一次。

行星顏色：各擅勝場

除了太陽和月亮以外，因為距離太遠，我們用肉眼幾乎看不出其他星球的顏色。實則不然，那些並不起眼的行星也都色彩斐然。

圖2：火星南北兩極有白色的極冠，紅色的表面富含氧化鐵。

太陽系中，大氣稀薄的火星和沒有大氣的水星，展現的是它們的地表“本色”。火星的紅色十分醒目，肉眼就能分辨，因為它表面大部分割槽域都覆蓋著富含氧化鐵的紅褐色塵埃，還有南、北極冠（主要是乾冰）的白色也是火星的特色。水星的表面和月球有些相像，岩石反射陽光，也是一片銀白。

金星、木星、土星、天王星和海王星，顏色全憑大氣“做主”。金星大氣十分濃密（質量是地球大氣的90倍），無法看到表面。另外四顆氣態行星則根本沒有確定的地表，物質由外到內從氣態逐漸過渡到液態和固態。不同的大氣成分以及反射、吸收等效應，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（共佔99%），還有少量甲烷、氨氣和水蒸氣等，本都沒有顏色，但卻因活躍的“著色劑”——硫——而鮮豔起來。在太陽紫外光的照射下，硫和上層大氣中的分子發生各種光化學反應，形成的硫化物（例如硫氫化銨）產生了紅、褐、黃等顏色。另外，木星內部具有熱源，這使得它的大氣活動極為複雜，再加上各色氣旋持續的時間很長（因無陸地，不會像地球上的颱風那樣登陸後便很快消失），所以它總是顯得色彩斑斕，熱鬧非凡。不過大紅斑中大片的紅色究竟從何而來，現在人們還並不清楚。

土星的顏色也是如此。它的引力小於木星，雲層比木星更“蓬鬆”也更厚。再加上離太陽更遠，大氣光化學反應更弱，顏色不如木星豐富。但卻在更加均勻齊整，在硫化物的“著色”下，呈現為柔和的奶黃色。

更遠處的天王星和海王星，光化學反應很弱，見不到鮮豔的色塊（雲團），整個表面基本都是一片藍色。這得歸功於甲烷。它倆的大氣中除了氫（約84%）和氦（約14%），其餘幾乎全是甲烷。甲烷沒有顏色，卻是強力的紅光“捕手”，能大量吸收波長較長的紅、黃光，把短光反射出去。甲烷濃度越高，反射光的顏色越藍。天王星大氣中甲烷含量約為2%，它呈現為藍綠色；海王星甲烷含量約為3%，就成了一片湛藍。

深空天體：氣象萬千

太陽系以外，宇宙天體更是色彩斑斕，氣象萬千。

在晴朗的夜晚仔細觀察的話，用肉眼也能發現恆星有著不同的顏色，例如紅色的大火星（心宿二）、橙色的大角星（牧夫座α）、白色的織女星以及藍色的參宿一等等。這取決於它們的表面溫度。恆星可以按照光譜分為7大類，以O、B、A、F、G、K、M表示（叫做光譜型）。不同型別具有不同的表面溫度，從O到M遞減。同時，恆星的顏色也由藍、藍白而逐漸變成黃、紅色。例如，藍色的參宿一是O型星，表面溫度將近40 000K，白色的織女星為A型，溫度約為為10 000K，紅色的心宿二屬於M型，溫度只有3 000K左右了。太陽是一顆G型星，表面溫度為5 800K，對應的顏色是黃色。

宇宙深空中還有不計其數的星雲、星系等天體，色彩更加瑰麗（圖2）。紅色的星雲大多是發射星雲，它們被周圍O、B型恆星猛烈的紫外輻射激發，然後發出光芒。其中的紅色來自於氫（Hα）輻射，綠光則來自於氧，黃、褐等顏色來自於硫和其他離子。藍色的星雲為反射星雲。它們周圍的恆星沒有足夠的輻射使之電離發光，但足以讓它們因反射而發亮。這背後的物理機制也是瑞利散射，與“天空之所以是藍色”的道理一樣：附近恆星射來的星光裡，藍光被星雲中的物質顆粒大量散射，而紅光大部分可以透射出去。我們從旁邊觀測星雲時，就只見藍光而不見紅光了。

圖3：紅色的發射星雲是位於人馬座的三葉星雲（Trifid Nebula），大小約為20光年。藍色部分是一個距離更近的前景反射星雲。（圖片來自網路）

圖4：這個美麗而複雜的塵埃雲，位於銀河系盤面上的天蠍座內，它看上去有點像一個馬頭，不過比著名的獵戶座馬頭星雲大得多，橫跨至少200光年。馬眼附近（照片中心）的藍色星雲稱為IC4592，距離我們400多光年。馬耳（右上角）附近藍色星雲稱為IC4601。它們都是“反射星雲”，也就是靠反射和散射近旁星光而變得明亮可見的星雲。與發射星雲不同，這些鄰近的恆星沒有足夠的熱輻射讓雲氣電離而發光，但有卻足以讓星雲裡的因塵埃散射和反射星光而發亮。由於塵埃對波長較短的藍光散射更為強烈，因此它們看上去呈藍色，這一點與湛藍的天空類似。（圖片來自網路）

星系的尺度比星雲大得多，動輒包含數以千億記的恆星、星雲以及大量星際塵埃、氣體等，它們有的生、有的滅，有的發射、有的吸收……在各種驚心動魄的紛繁擾攘中共同塑造出了星系的顏色，已非筆墨所能形容。更不用說，我們根本就無法想象還有什麼樣的未知天體、未解之謎……對於宇宙中的顏色，也許我們永遠也品不完。

（本文原載於《科技日報》，作者：北京天文館 李鑑，經作者修改後授權釋出。）