ФизМат БАНК / Статьи по физике / Почему днем на небе не видно звезд?

Почему днем на небе не видно звезд?

Венера.
Когда алеет восток и небо светлеет, число звезд на нем уменьшается. И наоборот: когда вечером начинает темнеть, их становится на небе все больше и больше. Звезду, которая утром гаснет позже других, а вечером первая появляется на небосводе, называют утренней или вечерней звездой. В обоих случаях речь идет об одном и том же небесном теле — планете Венера, которая видна на небе иногда утром, а иногда вечером. Близкий спутник Солнца, она кажется особенно яркой, когда находится на минимальном расстоянии от Земли. В этом случае блеск Венеры, выраженный в звездных единицах, равен — 4. Среди неподвижных звезд наиболее яркой является Сириус, в созвездии Большого Пса (звездная величина—1,5). Отсюда следует, что Венера ярче Сириуса в десять раз. Венеру, издревле называемую в Китае «Тайбо» («Большое Светило»), в хорошую погоду можно видеть среди белого дня. О других небесных телах этого не скажешь. Известны только два случая наблюдения так называемой новой звезды. Об одной из них, прозванной «Звездой-гостьей», есть сведения в китайских летописях (1054 г.), другую обнаружил в 1572 г. датский астроном Т. Браге. Речь идет о взрыве звезд, яркость которых при этом сильно возрастает. Например, звезда Тихо Браге по яркости сравнялась с Венерой, «Звезда-гостья» из китайских летописей превысила ее в четыре раза. При такой яркости звезду можно наблюдать и днем, в других случаях ее в это время не видно.
Почему небо светлое?
Конечно, можно было бы сказать, что днем звезды не видны на небе потому, что в это время небо светлое. Однако тогда возникает вопрос: почему днем небо светлое? Иначе говоря, почему днем можно видеть только такую яркую звезду, как планета Венера. Свет приходит к нам на Землю от Солнца. Потому оно нам кажется ярким. По этой же причине все остальное должно казаться нам темным. И действительно, как свидетельствуют космонавты, принимавшие участие в полете космического корабля «Аполлон» на Луну, хотя Солнце и блестит ярко, но небо темное и на его фоне видны звезды. Кажется вполне естественным, что с восходом Солнца небо светлеет, так как тогда оно светится отраженным светом. В противном случае небо было бы черным и на нем были бы видны звезды.
Любое физическое тело светится потому, что оно либо само излучает свет, либо отражает свет другого источника. Земная атмосфера света не излучает, а небо светлое потому, что, световые лучи отражаются от нее.
Дым и облака.
Свет распространяется вдоль прямой линии и, встретив на своем пути преграду, отражается. Когда преграда прозрачна, часть света преломляется и проходит сквозь нее. Поскольку при падении на такое прозрачное тело, как вода, при наличии ряби на ее поверхности свет рассеивается и преломляется под разными углами, то невозможно судить о форме его источника. В частности, когда преграда состоит из множества мелких частиц и, следовательно, ее поверхность шероховата, то преломление и отражение света носит случайный, неупорядоченный характер. Поэтому такое тело кажется светлым.
Облака состоят из мельчайших капелек коды и кусочков льда, а поэтому в данном случае ситуация несколько меняется. Обычно облако кажется светлым, но иногда видна радуга. Причина этого кроется в том, что угол преломления различен для световых лучей разного цвета. Кстати, так называемое «гало» вокруг Солнца и Луны имеет ту же природу.
Рассеяние света.
Физическое тело, например дым, состоящее из совокупности микрочастиц, при отражении от него света кажется светлым. При этом нельзя ничего сказать о форме самих частиц. В общем случае рассеянием света называют явление беспорядочного его отражения от частиц жидкости или твердого тела.
Человеческий глаз может различать яркие и темные предметы на фоне поступающего в него светового потока. Днем трудно увидеть пыль, находящуюся в воздухе комнаты. Если же комнату хорошо затемнить и пустить внутрь луч света, то благодаря рассеянию света будут видны маленькие пылинки. Они отражают свет и указывают направление его распространения.

Вообще говоря, наблюдая за лучом света под прямым углом к направлению его распространения, никакой информации получить о нем нельзя. Например, наблюдая со стороны, как это показано на рис. 9.1, мы не сможем сказать, проходит ли параллельный пучок света сквозь черный ящик или нет. Это действительно нельзя сделать, если в ящике вакуум. Если же впустить в ящик .немного воздуха, то путь распространения света слегка засветится. Это объясняется рассеянием света на мельчайших частицах, парящих в воздухе. По той же причине в воздухе видна пыль, со стороны виден свет фар автомобиля или трамвая.
Издалека над Токио ночью видно сияние. Бывают случаи, когда светятся облака, причем это случается и днем. Объяснение этого явления следует искать в рассеянии света, испускаемого различными его источниками, расположенными на улицах города, на летающих в воздухе частицах дыма и пыли.
Почему небо голубое?
Солнце излучает свет во все стороны. Часть излучения попадает в атмосферу Земли и в каждой ее точке рассеивается так, как показано штриховыми линиями на рис. 9.2. Поэтому небо кажется нам светлым.

Однако возникает вопрос: на чем рассеивается свет? Считается, что на частицах пыли, которой очень много в атмосфере. На это можно возразить, что, например, в стратосфере такого большого количества твердых частиц нет. С борта реактивного самолета на высоте десяти километров видно, что небо немного темнее, но все же остается голубым. Молекулы воздуха двигаются хаотически, а поэтому в любой момент времени их положение в пространстве абсолютно разупорядоченное. На практике расположить точки чисто случайным образом очень трудно. Дело в том, что при выполнении этого задания человек неизбежно придерживается некоторого порядка. На рис. 9.3 в виде абсциссы и ординаты некоторой точки представлено множество случайных чисел, полученных сравнительно простым образом. Как следует из этого рисунка, в определенный момент времени молекулы то собираются вместе, то разбегаются в разные стороны, в результате чего свет рассеивается на этих неоднородностях плотности воздуха, как на микрочастицах.

Рассеяние света микрочастицами исследовал Дж. Релей. Он показал, что интенсивность рассеянного света обратно пропорциональна четвертой степени длины волны света. Такое рассеяние света получило название релеевского.
То же самое можно сказать о рассеянии света частицами, размеры которых малы по сравнению с длиной волны света. Таким образом можно объяснить цвет дыма. Между прочим, релеевское рассеяние света возникает и в случае частиц атмосферы из-за беспорядочного движения молекул. Поскольку сильнее всего в атмосфере рассеивается свет с короткой длинной волны, т. е. голубой, то цвет неба кажется голубым.
На твердых частицах, размеры которых сравнимы с длиной волны света, сильно рассеивается также свет, имеющий большую длину волны, Поэтому рассеянней свет не очень отличается от падающего, солнечного. По этой причине небо над горизонтом или над городом кажется белесым.
Слабым рассеянием света с большой длиной волны на микроскопических объектах объясняется покраснение диска восходящего и заходящего Солнца. На большой высоте над Землей интенсивность рассеянного света уменьшается и небо чернеет; на высоте 100 км от поверхности Земли оно даже днем кажется черным, при этом на его фоне, отчетливо видны звезды.
Рассеянный земной атмосферой свет распространяется и в космическое пространство, поэтому из космоса Земля кажется голубой.
Почему днем звезд на небе не видно?
Ответ на этот вопрос следующий. Свет, приходящий от звезд, слаб по сравнению с сиянием голубого неба. Радужная оболочка человеческого глаза выполняет роль диафрагмы, диаметр зрачка меняется в зависимости от интенсивности света. Так как размер зрачка определяется суммарной освещенностью глаза, то при его уменьшении под влиянием сияния голубого неба на сетчатку попадает ничтожно малое количество света от звезд.
То же можно сказать и в отношении нашего слухового восприятия. В тишине мы слышим слова, сказанные шепотом. И наоборот, в шумном месте нам не удается расслышать даже громкий окрик. Сияние голубого неба соответствует шуму, на фоне которого теряется слабый свет звезды.
Наблюдение звезд из-под земли.
Если днем через маленький зрачок в глаз попадает много света и поэтому звезд не видно, то естественно спросить: нельзя ли в таком случае их наблюдать через длинное отверстие из затемненной комнаты? Например, можно было бы вести наблюдения за небом сквозь проделанное в земле узкое отверстие из подвального помещения, как это показано на рис. 9.4.

Большая часть небесного свечения, отражаясь многократно от стенок отверстия, в конце концов поглотится ими и только прямые лучи достигнут подвала и, следовательно, человеческого глаза. Так как в подвале полная темнота, то условия таковы, как будто наблюдение звезд ведется темной ночью.
Как уже говорилось ранее, размеры удаленного предмета характеризуют видимым диаметром. Если длина отверстия равна 100 м, то соотношение между фактическим диаметром отверстия и видимым из подвального помещения представляется табл. 9.1.

Таблица 9.1. Видимый диаметр и яркость отверстия длиной 100м

Диаметр отверстия,мм	Видимый диаметр отверстия	Яркость отверстия(в звездных величинах)
0,71	1,47	4
1,13	2,33	3
1,79	3,69	2
2,83	5,85	1
4,49	9,27	0
7,12	14,69	-1
11,28	23,28	-2
17,89	36,90	-3
28,34	58,48	-4
44,92	92,69	-5
71,20	146,9	-6
112,8	232,8	-7
178,9	369	-8

Поскольку известна яркость полуденного неба, то можно рассчитать яркость отверстия, видимого из-под земли, и выразить в единицах звездной величины. В табл. 9.2 приведены значения видимых диаметров и яркостей Солнца, Луны и планет.

Таблица 9.2. Видимый диаметр и максимальная яркость Солнца, Луны и планет Солнечной системы

Небесное тело	Видимый диаметр	Максимальная яркость(в звездных величинах)
Солнце	31'59''	-26,8
Луна	31'5''	-12,5
Меркурий	11,88''	-1,9
Венера	1'0,36''	-4,4
Марс	17,88''	-2,8
Юпитер	46,86''	-2,5
Сатурн	19,52''	-0,4
Уран	3,6''	5,6
Нептун	2,38''	7,9
Плутон	0,24''	14,9

Предположим теперь, что положение планет на' небе позволяет наблюдать их из подвального помещения. В качестве объекта наблюдения выберем планету Сатурн, яркость которой днем максимальна и равна — 0,4. Так как отверстие с видимым диаметром 14' 69" ярче Сатурна, то даже в случае равенства их видимых диаметров планету нельзя будет увидеть. То же самое можно сказать и о Юпитере, видимый диаметр которого 46' 86": сквозь отверстие с видимым диаметром 36' 90" он также останется невидимым. Совсем бесполезно рассматривать с помощью этого метода Уран, который даже ночью не виден невооруженным глазом.
Таким образом, для подобного метода наблюдения подходят только Меркурий, Венера и Марс, но поскольку Земля вращается и, следовательно, время нахождения наблюдаемой планеты в пределах отверстия равно одной секунде, то практическое использование его становится чрезвычайно трудным.
Наблюдение небесных тел с помощью телескопа.
Такая неподвижная звезда, как Сириус (звездная величина —1,5), ярче отверстия с видимым диаметром 14'69". Неподвижные звезды с намного меньшими видимыми диаметрами и менее яркие, чем Сириус, могли бы быть видны и сквозь более узкие отверстия. Однако это становится невозможным из-за того, что видимый диаметр дифракционного изображения хотя и мал, но все же равен 40".
Вместо того чтобы наблюдать за небом из-под земли сквозь отверстие, воспользуемся лучше телескопом. Как уже отмечалось ранее, размеры неподвижной звезды, наблюдаемой в телескоп, определяются не их видимым диаметром, а величиной дифракционного изображения. Если апертуру телескопа D выразить в сантиметрах, то видимый диаметр дифракционного круга равен 27/D, а это значит, что в случае телескопа с апертурой 22 см он составит 1/23'/. Как видно из рис. 9.5, соответствующая яркость неба немного меньше яркости звезд четвертой звездной величины. Это значит, что менее яркие звезды в такой телескоп не видны.

При увеличении апертуры телескопа размеры дифракционного изображения звезды уменьшаются, и поэтому становится возможным наблюдение за менее яркими звездами. Конечно, при этом уменьшается дифракционное изображение, но видимый диаметр звезды не может быть меньше 1". Дело в том, что даже при спокойной погоде воздух колеблется, вследствие чего световые лучи, идущие от звезд, слегка изгибаются, беспрерывно изменяя направление своего распространения в пределах угла 1". Известное мерцание звезд объясняется именно этим движением атмосферного воздуха, которое при наличии воздушных потоков значительно усиливается и увеличивает видимый диаметр звезд до нескольких угловых секунд.
Так как при увеличении апертуры телескопа нельзя добиться наблюдения звезд с видимым диаметром, меньшим 1'', то ясно, что при значениях апертуры, превышающих 30 см, Не удастся увидеть звезды, яркость которых соответствует звездным величинам, превышающим 4. На рис. 9.5 приведены данные, принадлежащие Симоясу, Сайто и Камита, по яркости неба в течение суток и условиям наблюдения звезд. Его яркость позволяет наблюдать звезды с видимым диаметром 1" и соответствует звездной величине 22,5. Это значит, что с помощью телескопа, имеющего апертуру 30 см, можно увидеть только такие и более яркие звезды. В любом случае видимый диаметр звезды не будет больше 1", поэтому менее яркие звезды останутся недоступными нашему глазу. Более того, рассеянный свет большого города помешает увидеть и более яркие звезды.

Исследование. ЯРКОСТЬ ЗВЕЗД.

В древности звезды делили на шесть классов: наиболее яркие относили к первому, а едва видимые невооруженным глазом — к шестому. Позже, когда люди научились измерять их яркость, выяснилось, что звезды первого класса превышают по яркости звезды шестого класса примерно в 100 раз. Поэтому начали считать, что увеличение относительной яркости в 2,512 раза (2,512 = у [sup]5[/sup]√100) эквивалентно уменьшению звездной величины на единицу. Это соотношение называется формулой Погсона. На ее основе определены звездные величины и более слабых звезд. Отсюда следует, что при наблюдении неба из подвального помещения увеличение видимого диаметра отверстия в 10 раз позволяет увеличить звездную величину видимых глазом звезд на 5 единиц.
Звездные величины определяют видимую, а не действительную яркость звезды. Для того чтобы можно было говорить о действительной яркости, необходимо сравнивать их для звезд, находящихся от наблюдателя на одинаковом расстоянии. Так как действительная яркость звезды обратно пропорциональна второй степени расстояния от звезды до наблюдателя, то ее можно рассчитать по видимой яркости, если известно это расстояние. На практике яркость звезд, отстоящих от нас на расстояние 32,6 светового года, характеризуют так называемыми абсолютными звездными величинами, а видимые яркости звезд, расстояния до которых неизвестны,— видимыми звездными величинами. В табл. 9.3 приведены видимые звездные величины некоторых ярких звезд.

Таблица 9.3. Видимая звёздная величина некоторых звёзд

Название звёзд	Звёздная величина
Полярная звезда ( α Малой Медведицы)	2,0
Ригель( β Ориона)	0,2
Капелла ( α Возничего)	0,1
Бательгейзе( α Ориона)	*
Канопус( α Дракона)	-0,7
Сириус ( α>Большого пса	-1,5
Кастор( α Близнецов)	1,6
Процион( α Малого пса	0,4
Поллукс ( β Близнецов)	1,2
Регул (α Льва)	1,4
Спика( α Девы)	1,0
Арктур ( α Волопаса)	-0,1
Антарес ( α Скорпиона)	*
Вега( α Лиры)	0,0
Альтаир( α Орды)	0,8
Денеб (α Лебедя)	1,3

 (голосов: 2)

---