月食はなぜ赤銅色に見えるのか――地球大気と光の物理

月食で月が赤銅色に見えるのは、月そのものの色が突然変わるからではありません。
月が地球の影に入ると、太陽からの直進光は地球にさえぎられますが、地球大気を長く通った光の一部は屈折しながら回り込み、影の中の月まで届きます。

このとき、波長の短い青い光は大気中で散乱されやすく、進行方向に残りにくくなります。
その結果、月へ届く光は赤い成分が相対的に多くなり、月は赤銅色に見えます。

つまり月食の赤さは、「月が赤く発光している」のでも、「地球の影が赤い」のでもなく、
太陽光が地球大気を通るあいだに成分が変わり、その残りが月を照らすことで生まれる見え方です。

満月が地球の影に入る月食では、月は太陽光を直接受けられなくなります。
それなのに、月は見えなくなるのではなく、暗い赤や赤銅色に見えることがあります。

この現象を理解するには、単に「月が影に入る」と言うだけでは足りません。
大切なのは、太陽・地球・月の位置関係と、地球大気を通る光がどう変わるかです。

月食は天体の配置だけで決まる現象ではなく、光が媒質を通って変化するという物理が重なって初めて理解できます。
ここでは、位置関係、大気中での光の変化、そして月が赤く見える理由を順に整理します。

月食は、太陽・地球・月がほぼ一直線に並び、地球が太陽と月のあいだに入るときに起こります。
このとき、満月の位置にある月が地球の影へ進みます。

地球の影には、太陽の光が完全にさえぎられる本影と、光が一部だけ届く半影があります。
月が本影へ深く入るほど、月面は暗くなり、皆既月食では月全体が本影の中へ入ります。

ただし、本影に入ったからといって、月が完全に見えなくなるわけではありません。
ここで次に重要になるのが、地球のまわりを包む大気の存在です。

地球は大気に包まれています。
太陽光が地球の縁をかすめて大気を長く通ると、波長の短い青い光は散乱されやすく、進行方向から抜けやすくなります。

一方で、波長の長い赤い光は相対的に散乱されにくく、大気を通り抜けて進みやすくなります。
そのため、地球の周辺で屈折して回り込む光は、赤い成分が多いものになります。

これは夕焼けが赤く見える理由とかなり近い考え方です。
どちらも、大気を長く通る光の中で青い成分が途中で抜けやすくなり、残った光が赤寄りになるという構造を持っています。

地球の縁を回り込んだ赤寄りの光は、本影の中にある月へ届きます。
月は自ら光っているわけではなく、ふだんと同じように当たった光を反射して見えています。

ただし月食のときに月へ届く光は、直射日光ではなく、地球大気を長く通って成分が変わった弱い光です。
そのため月は普段の満月よりずっと暗く、しかも赤銅色に見えます。

つまり観測者が見ているのは、「地球大気で選別された赤寄りの光に照らされた月の反射光」です。
月食の色は、地球大気と月面反射と観測者をつないで初めて理解できます。

皆既月食の色は毎回同じではありません。
明るい橙色に見えることもあれば、かなり暗い赤褐色に見えることもあります。

これは、地球大気の透明さや、大気中のちり、水蒸気、火山灰、エアロゾルなどの状態が毎回違うからです。
大気の中でどれだけ光が散乱・吸収されるかが変われば、月へ届く光の強さや色の偏りも変わります。

つまり月食の色は、単に天体の配置だけで決まるのではなく、そのときの地球大気の状態も映し出しています。
月食の赤さは、地球大気の“断面図”のような面も持っています。

落とし穴は一つです。
月食を「月が赤くなった現象」とだけ覚えてしまうことです。
実際には、月そのものが色を変えているわけではなく、地球大気を通って回り込んだ光の成分が変わっているのです。

月食を理解するには、太陽光、地球大気、月面反射、観測者の四つをつなげて見る必要があります。
この流れを押さえるだけで、月食の赤さはかなり素直に説明できます。

月食で月が赤銅色に見えるのは、月が地球の影に入り、太陽の直進光はさえぎられる一方で、
地球大気を長く通った赤寄りの光が屈折しながら回り込み、その光が月を照らすからです。

つまり月食の赤さは、天体の位置関係だけではなく、地球大気の散乱と屈折、そして月面反射まで含めて決まる見え方です。
光源・媒質・反射体・観測者を分けて考えると、月食の色はかなりきれいに整理できます。