月全食呈現紅色的現象被稱為“血月”，其核心原因在于地球大氣層對陽光的散射和折射作用，結合月球表面的反射特性。以下是詳細的物理學解析：

陽光進入地球大氣層：

• 發生日食時，太陽光并非直接照射到月球上（否則就是滿月了）。月全食發生時，月球進入了地球的本影區（地球完全遮擋住太陽直射光的區域）。
• 然而，地球有厚厚的大氣層包裹著。當陽光（白光，包含所有可見光波長）照射到地球大氣層邊緣時，它并沒有完全被地球阻擋，而是會穿過地球周圍的大氣層。

瑞利散射（Rayleigh Scattering）：

• 這是解釋天空為什么是藍色的同一物理原理。陽光中的短波長光（主要是藍光和紫光）比長波長光（紅光和橙光）更容易被空氣中的氣體分子（主要是氮氣和氧氣）散射到四面八方。
• 在陽光穿過地球大氣層邊緣（特別是相對較長的路徑，比如在日出/日落方向）時，這種散射效應極其顯著。藍光和紫光被強烈地散射掉，偏離了原本射向月球的方向，甚至散射回太空或被大氣吸收。
• 結果： 穿過地球大氣層邊緣到達地球本影區的陽光，其光譜成分發生了顯著變化——短波藍紫光被大量削弱甚至移除，長波紅光和橙光則相對保留得更多。這束光不再是“白光”，而是變成了富含紅光和橙光的“紅化”光。

大氣折射（Refraction）：

• 地球大氣層的密度從外到內逐漸增加，就像一個巨大的透鏡。當光線（即使是已經紅化的光）穿過這種密度梯度時，會發生折射——光線路徑發生彎曲。
• 這種折射效應使得一部分原本應該從地球旁邊“擦肩而過”或者被地球完全擋在背后的陽光，彎曲進地球的本影區內部。

紅光照射并反射回地球：

• 經過大氣散射（過濾掉藍光）和折射（彎曲路徑）雙重作用后，富含紅光和橙光的光線得以進入地球的本影區，并照射到位于本影區內的月球表面。
• 月球表面本身并不發光，它像一面鏡子（雖然反射率不高，約7-12%）反射照射到它上面的光。因此，它將這束已經紅化的陽光反射回地球。

人類觀測：

• 地球上的人類觀測者接收到月球反射回來的光。由于這束光主要由紅光和橙光組成，我們看到的月球就不再是明亮的銀白色，而是呈現出暗紅色、古銅色或橙紅色。具體色調取決于當時地球大氣層的狀態（塵埃、火山灰、水汽、污染物的含量）。

• 入射光譜（太陽光）： 連續光譜，覆蓋整個可見光波段（約380nm - 780nm），峰值在綠光區域。
• 大氣散射效應： 主要作用于短波長端（藍紫光，~380-500nm）。散射強度與波長λ的四次方成反比 (I_scatter ∝ 1/λ?)。因此，藍光（~450nm）的散射強度大約是紅光（~650nm）的 (650/450)? ≈ 4.8倍。藍紫光被極大地削弱。
• 透射光譜（到達月球的光）： 短波部分（藍、綠）被強烈衰減，長波部分（紅、橙）相對透過率高。光譜峰值向長波方向移動。
• 月球反射光譜： 月球表面（月壤）對光譜沒有強烈的選擇性吸收（不像地球植被吸收紅光），它對不同波長的反射率相對平坦（略帶紅色調）。因此它主要反射接收到的紅化光譜。
• 最終接收光譜（人眼/相機）： 以紅光（~600-700nm）和橙光（~580-600nm）為主的連續光譜，缺乏藍光和大部分綠光。這就是我們感知為紅色的原因。

• 大氣透明度： 如果地球大氣層非常清澈，散射掉的藍光多，透過的紅光純粹，月全食會呈現較暗的深紅色或古銅色。
• 大氣中的微粒：
  • 火山灰/氣溶膠： 大型火山噴發后，平流層會懸浮大量細小的火山灰和氣溶膠粒子。這些粒子會散射和吸收更多光線，特別是紅光也可能被部分散射或吸收，導致月全食顏色更深、更暗（甚至接近黑色），或者呈現更深的棕紅色。
  • 水汽/云層： 大氣中水汽含量高或低層云多，會進一步削弱透過的光強，但通常不會顯著改變紅光主導的特性。
  • 污染/塵埃： 類似火山灰，會散射和吸收光線，可能使顏色變暗。
• 月球在陰影中的位置： 月球越靠近本影中心，接收到的折射光越少（主要來自地球邊緣更厚的大氣層，紅光也更純粹），顏色通常越暗紅。越靠近本影邊緣，可能接收到少量未被完全散射的偏黃或偏綠的光，顏色可能稍亮或偏橙黃。

月全食呈現紅色并非月球自身發光，而是地球大氣層扮演了關鍵的“濾鏡”和“透鏡”角色：

因此，我們看到的“血月”，本質上是被地球大氣層“染紅”的太陽光，經過月球反射后形成的景象。這是地球大氣層光學特性的一個絕妙展示。