月全食時，月亮為什麼不會消失，反而變紅？
― 環繞地球邊緣的無數「晚霞」，正照亮著月亮
月全食的夜晚，月亮會完全進入地球的影子。照理說，陽光應該完全照不到它，但月亮並不會一片漆黑，而是持續發出朦朧的紅銅色光芒。明明整個躲進了地球的影子裡，為什麼還會發光呢？
滿月的夜晚，月亮一點一點被吃掉，最後完全進入地球的影子。這就是月全食的開始。太陽、地球、月亮排成一直線，地球擋住了太陽的光，月亮照理說一點光都照不到，好像會從天空中消失。
然而實際上，月亮並不會變得漆黑。它會染上被稱為「紅銅色」的暗橘色到紅色，依然掛在天上。這道紅光，到底是從哪裡來的呢？
月亮變紅，要兩個條件同時成立才會發生
因為地球有大氣，所以地球的影子並不是完全的黑暗。擦過地球邊緣的陽光，被大氣折彎後，一般認為能夠抵達影子中心附近。
光斜斜地穿過很長一段大氣時，藍光幾乎都被消耗掉，只剩下紅光。一般認為，這和晚霞看起來是紅色的原理相同。
這兩件事同時成立，才會出現「明明在地球影子裡，卻泛著紅光的月亮」。我們依序來看。
原因 1：地球的影子並不是完全的黑暗
如果地球沒有大氣，地球的影子應該是一片光線完全到不了的漆黑空間。但地球被厚厚的大氣包覆著，情況就不一樣了。
太陽射來的光當中，擦過地球邊緣的那部分，在穿過大氣時，前進的方向會稍微彎折（這稱為折射）。多虧這個彎折，原本會直直射進地球後方漆黑空間的一部分光，得以抵達影子中心附近。月食時的月亮，正是被這些抵達的光照亮的。
原因 2：穿過很長一段大氣，光就會變紅
抬頭看天空，白天的天空是藍的，傍晚的天空是紅的，其實都來自同一種空氣的性質。空氣分子會把光當中波長較短的藍光，更強烈地向四面八方散開。這種散開稱為散射，尤其是空氣分子這類微小粒子造成的散射，稱為瑞利散射（關於天空為什麼是藍色的文章有更詳細的說明）。
白天時，陽光穿過大氣的距離較短，藍光雖然有一部分被散射，仍有足夠的量抵達我們的眼睛。但到了傍晚，陽光斜斜地穿過很長一段大氣，藍光幾乎都被散射殆盡，從原本的行進方向上消失，只剩下不容易被散射的紅光抵達眼睛。這就是晚霞。
月全食時照亮月亮的光，也是擦著地球邊緣、穿過很長一段大氣才過來的。也就是說，這道光有時被形容為地球上所有地方同時發生的無數晚霞、朝霞之光匯聚而成的。正因如此，月亮才不會一片漆黑，而是泛著紅光。
月全食時的月亮，有時看起來是明亮的橘色，有時則是暗沉的紅褐色。一般認為，這是因為當時地球大氣的狀態（雲的分布、火山噴發造成的塵埃多寡等）不同，使得抵達影子裡的光量與色調也跟著改變。
在身邊就能確認的事
- 晴朗的午後，從同一個地點多看幾次西邊的天空，一直觀察到日落
- 隨著太陽的位置越來越低，確認太陽周圍的天空顏色，從偏白的黃色，逐漸變成橘色、紅色
太陽越低，光穿過大氣的距離就越長。藍光因此損失得越多，剩下的紅光就越濃。這種「穿過長距離的光會變紅」的現象，在月全食時，是在整圈地球邊緣同時發生的，這樣想會比較容易理解。
總結
月全食時月亮看起來是紅色，是因為同時發生了兩件事。①地球的大氣把陽光稍微折彎，送進了影子裡；②這道光在長長穿過大氣的期間，藍光被消耗掉，只剩下紅光。這兩件事同時成立，即使在地球的影子裡，月亮也能持續發光。
照亮月食中月亮的，是地球上某處晚霞的延續。
影子裡的月亮並不在黑暗中，而是沐浴在遠方晚霞的光裡。
關於月亮的視覺奇觀，有些主角不是光，而是大腦。剛升起的月亮看起來特別巨大，拍成照片卻不明顯，這種「月亮錯覺」，我們在這篇文章裡有說明。另外，常和月食搞混的每日月相變化，則在月亮的形狀，為什麼每天都在變？中說明了它和地球的影子無關。
想知道更多的人 ― 名詞、算式與課本的連結從國中自然科到研究中的話題，都會標明屬於哪個程度
- 國中國中自然科學到的範圍
- 高中高中「地球科學基礎」「物理基礎」學到的範圍
- 高中＋高中「地球科學」「物理」，或課本中進階、專欄的內容
- 大學高中不會學到、屬於大學專業課程（大氣光學）的內容
- 研究連大學也不會當成「定論」來教、目前研究者仍在探討中的話題
國中名詞：關於月食的詞彙
- 月全食：月亮完全進入地球影子的現象。
- 折射：光通過空氣濃度改變的地方時，前進方向發生彎折。
- 散射：光撞上微小粒子後，往各個方向散開。
- 瑞利散射：空氣分子這類比光的波長還小的粒子造成的散射。波長越短的藍光，被散射得越強。
- 紅銅色：形容月全食時月亮顏色的詞。範圍從暗橘色到紅色。
國中高中用算式確認：地球的影子比月亮大多少
光聽到「月亮完全進入影子」，很難感受影子的大小到底有沒有餘裕。這裡用計算就能得出明確的數字。
影子是月亮的幾倍 ＝ 地球的影子大小 ÷ 月亮直徑
| 地球的影子大小 | 在月球軌道的位置，約為 9200［km］ |
| 月亮直徑 | 約 3474［km］ |
一般認為，地球的影子在月亮所在的距離處，大小大約是這樣。和月亮的直徑相比，就能知道有多少餘裕。
| 影子大小是月亮直徑的幾倍 | 9200 ÷ 3474 ≒ 2.6 ［倍］ |
| 影子的半徑 | 9200 ÷ 2 ＝ 4600 ［km］ |
| 月亮的半徑 | 3474 ÷ 2 ＝ 1737 ［km］ |
| 單側的餘裕（影子半徑 − 月亮半徑） | 4600 − 1737 ＝ 2863 ［km］ |
也就是說，地球的影子大到可以寬鬆地並排 2.6 個月亮。月食時月亮並不是剛好卡進影子裡，光是單側，就有比月亮直徑還寬得多、高達 2863km 的餘裕，月亮是在這樣的餘裕下進入影子的。
正因為影子有這麼大的餘裕，月亮穿過影子需要花上時間，所以月全食長的時候可以持續 1 小時以上。這和幾分鐘就結束的日全食形成對比。地球的影子遠大於月亮，這個單純的大小差異，也造成了月食與日食持續時間的差別。
高中＋大學為什麼是「紅」，再說得更精確一點
一般認為，瑞利散射的強度與光波長的 4 次方成反比。也就是說，波長減半時，散射的強度大約變成 16 倍。藍光（波長約 450nm）比紅光（波長約 650nm）被散射得強烈許多。光穿過越長的大氣，這個差距就拉得越大。
另外，一般認為，月食時抵達月亮的光，還會受到大氣中臭氧層的吸收，以及雲和塵埃的散射、吸收所影響。這些影響的大小，被認為是每次月食月亮色調不同的原因之一。
研究目前還不太清楚的事
- 要事先精確預測月全食時月亮的亮度與色調，目前仍被認為相當困難。因為它會隨著當時地球大氣的狀態（雲的分布、火山噴發的塵埃量等）大幅變化。
- 精確計算光穿過大氣時的折射與散射，並用電腦重現月食中顏色外觀的模擬研究，據說至今仍持續努力提高精確度。
- 以月食時月亮的顏色變化為線索，從遠處讀取行星大氣狀態的方法，被認為是與未來調查太陽系外行星（系外行星）大氣的觀測技術相關的研究主題。
月食已經被觀察了數千年，但決定色調的大氣細節，至今仍是研究的對象。身邊常見，並不代表已經完全搞懂。
與課本的連結（依程度分類）
| 程度 | 科目・單元 | 本文的哪個部分 |
|---|---|---|
| 國中 | 自然科學・月相與日食、月食 | 月全食的原理、折射的基本概念 |
| 高中 | 地球科學基礎・大氣的結構，物理基礎・光的性質 | 影子大小的計算、散射的基本想法 |
| 高中＋ | 地球科學・大氣光學（進階） | 瑞利散射與波長的關係 |
| 大學 | 大氣科學・大氣光學 | 波長 4 次方定律、臭氧層與雲的影響 |
| 研究 | 大氣科學・系外行星科學（未解決） | 色調的事前預測、模擬、系外行星大氣的觀測技術 |
| ― | 身邊的觀察 | 與晚霞顏色變化的比較 |
- 國立天文台（国立天文台）等機構所提供，關於日食、月食原理的解說資料。
- Lynch, D.K. & Livingston, W., Color and Light in Nature（關於大氣光學、瑞利散射、月食顏色的記述）。
- 光學、大氣科學教科書中，關於散射與波長關係（瑞利散射的波長依賴性）的一般性記述。
- 各國天文機構所記錄的月全食時月亮亮度的紀錄與觀測資料。
※ 地球影子大小等數值，會隨太陽、地球、月亮的位置關係而變動。本文列出的是一般常用的參考值。
※本文為一般大眾的科學解說。地球影子的大小與光的波長等數值，會因條件而有所差異，此處是作為理解原理的參考值而列出。