红色旭日与粉红月亮一样 都是大气发生瑞利散射的结果

红色旭日与粉红月亮一样，都是大气发生瑞利散射的结果。

在太阳光紫外线的照射下，木星大气中的硫与大气中的分子发生各种光化学反应，形成了各种颜色。NASA

人马座的三叶星云为发射星云，被周围O、B型恒星猛烈的紫外辐射激发，发出亮光。红色来自于氢（Hα）辐射，绿光则来自于氧，黄、褐等颜色来自于硫和其他离子。NASA

我们用肉眼几乎看不出日月之外其他星球的颜色。其实，那些并不起眼的行星也都色彩斐然，宇宙天体更是色彩斑斓。

超级月亮又来了！今年似乎还有了新的花样。“超级粉红月亮”“金色月亮”等词这几天霸占了我们的屏幕。

相信大家对“超级月亮”已经不陌生了。但“粉红月亮”“金色月亮”是什么？事实上月亮颜色的变化并不稀奇，在漆黑深邃的星空中，潜藏着的是无数瑰丽无比的彩色世界。

瑞利散射让日月“变色”

人们印象中的月亮，通常都是银光皎皎、一片洁白，诸如“皓月当空”“冷月清辉”等词句描写的都是这样的场景。从原理上讲，也理当如此，因为月光来自太阳光的反射，当然也同阳光一样都是白色。不过若留心观察的话，当月亮刚升起不久（或快要落山）时，经常能看到它呈现出偏暗红的颜色，随着高度的上升，逐渐变亮至暗橙黄色，当升到较高时，则已基本上是一片银白了。

这就是所谓“粉红月亮”“金色月亮”的由来。其实红和黄并不是月亮本身的颜色，而是地球大气给它“上的色”。类似的颜色变化在明亮的太阳上表现得更加明显。旭日初升时，常常可见一轮红日喷薄而出，雾霾较重时，也能见到发红的太阳悬在空中。这都是大气发生瑞利散射的结果：阳光穿过地球大气时，会被大气分子以及尘埃颗粒散射，波长越短散射得越厉害。地平面附近的太阳，和它位于高处时相比，阳光穿过的大气要厚上几倍，波长较短的蓝光几乎被散射殆尽，波长较长的红光部分虽然也因散射而强度大减，但仍足够抵达人眼。这时的太阳就呈红色或橙黄色，而且直视也不觉刺眼。随着太阳逐渐升高，穿过的大气路径越来越短，阳光越来越强，蓝光等短波长光线的强度也在增加，我们就看到太阳从橙色、金黄色直到变为刺目的亮白。

月亮的颜色变化也如出一辙，只是因为光线暗弱，而人眼在暗视觉时对颜色不敏感，看起来没有太阳变化得这么明显。尤其是所谓的“金色月亮”远非想象中那么金光耀目。满月的亮度只有太阳的40万分之一，而且当它因尘埃散射而呈现出红和黄的颜色时亮度更弱，人眼的色觉已很不敏感，我们能感觉到暗黄的色彩，但并不如照片中那么明显。

现在由于大气污染，“玉兔”变红也已屡见不鲜了，这通常都发生在大气中粉尘较多的时候。天文爱好者们眼中“正宗”的红月亮，指的是月全食时的红月。此时地球挡住了太阳射向月亮的光芒，阳光中的蓝光被地球大气散射，一部分红光穿过大气抵达月面，再被月亮反射回来。于是我们可以看到一轮暗如紫铜的红色满月。

行星颜色多由大气“作主”

除了太阳和月亮以外，因为距离太远，我们用肉眼几乎看不出其他星球的颜色。其实，那些并不起眼的行星也都色彩斐然。

太阳系中，有些行星的颜色来源于他们的地表。大气稀薄的火星和没有大气的水星，展现的是它们的地表“本色”。火星的红色十分醒目，肉眼就能分辨，因为它表面大部分区域都覆盖着富含氧化铁的红褐色尘埃，还有南、北极冠（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，岩石反射阳光，也是一片银白。

金星、木星、土星、天王星和海王星，颜色则全凭大气“做主”。金星大气十分浓密，其质量是地球大气的90倍，导致无法看到行星表面。另外四颗气态行星则根本没有确定的地表，物质由外到内从气态逐渐过渡到液态和固态。不同的大气成分以及反射、吸收等效应，给它们带来了斑斓的色彩，其中木星尤为多彩多姿。

木星大气的最主要成分是氢气和氦气，还有少量甲烷、氨气和水蒸气等。它们本都没有颜色，但却因活跃的“着色剂”——硫，而鲜艳起来。在太阳光紫外线的照射下，硫和上层大气中的分子发生各种光化学反应，形成的硫化物（例如硫氢化铵）产生了红、褐、黄等颜色。

土星的颜色也是如此。它的引力小于木星，云层比木星更“蓬松”也更厚。再加上离太阳更远，大气光化学反应更弱，颜色不如木星丰富。但却更加均匀齐整，在硫化物的“着色”下，呈现为柔和的奶黄色。

更远处的天王星和海王星，光化学反应很弱，整个表面基本都是一片蓝色。这得归功于甲烷。甲烷没有颜色，却是强力的红光“捕手”，能大量吸收波长较长的红、黄光，把短光反射出去。甲烷浓度越高，反射光的颜色越蓝。天王星大气中甲烷含量约为2%，它呈现为蓝绿色；海王星甲烷含量约为3%，就成了一片湛蓝。

表面温度决定恒星“色调”

太阳系以外，宇宙天体更是色彩斑斓，气象万千。

在晴朗的夜晚仔细观察的话，用肉眼也能发现恒星有着不同的颜色，这些都取决于它们的表面温度。比如离我们最近的恒星——太阳的颜色是黄色，这是因为它是一颗G型星，表面温度为5800开尔文（K）。其他恒星例如蓝色的参宿一是O型星，表面温度将近40000K，白色的织女星为A型，温度约为10000K，红色的心宿二属于M型，温度只有3000K左右。

上述G型、O型、A型其实都是恒星的光谱类别。恒星可以按照光谱分为7大类，以O、B、A、F、G、K、M表示（即光谱型），不同类型具有不同的表面温度，从O到M递减。同时，恒星的颜色也由蓝、蓝白而逐渐变成黄、红色。

除了恒星，宇宙深空中还有不计其数的星云、星系等天体，色彩更加瑰丽。红色的星云大多是发射星云，它们被周围O型、B型恒星猛烈的紫外辐射激发，然后发出光芒。其中的红色来自于氢（Hα）辐射，绿光则来自于氧，黄、褐等颜色来自于硫和其他离子。蓝色的星云为反射星云。它们周围的恒星没有足够的辐射使之电离发光，但足以让它们因反射而发亮。这背后的物理机制也是瑞利散射，与“天空之所以是蓝色”的道理一样：附近恒星射来的星光里，蓝光被星云中的物质颗粒大量散射，而红光大部分可以透射出去。我们从旁边观测星云时，就只见蓝光而不见红光了。

星系的尺度比星云大得多，动辄包含数以千亿计的恒星、星云以及大量星际尘埃、气体等，它们有的生、有的灭、有的发射、有的吸收……在各种难以想象的纷繁扰攘中共同塑造出星系的颜色，已非笔墨所能形容。

我们之所以能欣赏到众多天体的壮美图像，要得益于摄影师的辛勤劳动，以及各种尖端设备的助力，它们大大延伸了人类的视觉。这些照片大都需要几小时甚至几十小时的长曝光，再加上复杂的后期处理，尽管色彩细节或许并不等同于肉眼所见，也足以让我们一睹宇宙的无尽之美了！

（作者系北京天文馆研究员 李 鉴 ）