Чому вдень на небі не видно зірок?
Венера.
Коли червоніє схід і небо світлішає, число зірок на ньому зменшується. І навпаки: коли ввечері починає темніти, їх стає на небі все більше і більше. Зірку, яка вранці гасне пізніше інших, а ввечері перша з'являється на небосхилі, називають ранкової або вечірньої зіркою. В обох випадках мова йде про одне й те ж небесному тілі - планеті Венера, яку видно на небі іноді вранці, а іноді ввечері. Близький супутник Сонця, вона здається особливо яскравою, коли знаходиться на мінімальній відстані від Землі. В цьому випадку блиск Венери, виражений в зіркових одиницях, дорівнює - 4. Серед нерухомих зірок найбільш яскравою є Сіріус, в сузір'ї Великого Пса (зоряна величина-1,5). Звідси випливає, що Венера яскравіше Сіріуса в десять разів. Венеру, з давніх-давен звану в Китаї «Тайбо» ( «Велике Світило»), в гарну погоду можна бачити серед білого дня. Про інших небесних тілах цього не скажеш. Відомі тільки два випадки спостереження так званої нової зірки. Про одну з них, яку прозвали «Зіркою-гостею», є відомості в китайських літописах (1054 г.), іншу виявив 1572 р датський астроном Т. Бразі. Йдеться про вибух зірок, яскравість яких при цьому сильно зростає. Наприклад, зірка Тихо Браге за яскравістю зрівнялася з Венерою, «Зірка-гостя» з китайських літописів перевищила її в чотири рази. При такій яскравості зірку можна спостерігати і вдень, в інших випадках її в цей час не видно.
Чому небо світле?
Звичайно, можна було б сказати, що днем зірки не видно на небі тому, що в цей час небо світле. Однак тоді виникає питання: чому днем небо світле? Інакше кажучи, чому днем можна бачити тільки таку яскраву зірку, як планета Венера. Світло приходить до нас на Землю від Сонця. Тому воно нам здається яскравим. З цієї ж причини все інше повинно здаватися нам темним. І дійсно, як свідчать космонавти, які брали участь в польоті космічного корабля «Аполлон» на Місяць, хоча Сонце і блищить яскраво, але небо темне і на його тлі видно зірки. Здається цілком природним, що зі сходом Сонця небо світлішає, так як тоді воно світиться відбитим світлом. В іншому випадку небо було б чорним і на ньому були б видні зірки.
Будь-яке фізичне тіло світиться тому, що воно або саме випромінює світло, або відбиває світло іншого джерела. Земна атмосфера світла не випромінює, а небо світле тому, що, світлові промені відбиваються від неї.
Дим і хмари.
Світло поширюється вздовж прямої лінії і, зустрівши на своєму шляху перешкоду, відбивається. Коли перешкода прозора, частину світла заломлюється і проходить крізь неї. Оскільки при падінні на таке прозоре тіло, як вода, при наявності ряби на її поверхні світло розсіюється і заломлюється під різними кутами, то неможливо судити про форму його джерела. Зокрема, коли перешкода складається з безлічі дрібних частинок і, отже, її поверхня шорстка, то заломлення і віддзеркалення світла носить випадковий, невпорядкований характер. Тому таке тіло здається світлим.
Хмари складаються з дрібних крапельок коди і шматочків льоду, а тому в даному випадку ситуація дещо змінюється. Зазвичай хмара здається світлим, але іноді видно веселка. Причина цього криється в тому, що кут заломлення різний для світлових променів різного кольору. До речі, так зване «гало» навколо Сонця і Місяця має ту ж природу.
Розсіювання світла.
Фізичне тіло, наприклад дим, що складається із сукупності мікрочастинок, при відображенні від нього світла здається світлим. При цьому не можна нічого сказати про форму самих частинок. У загальному випадку розсіюванням світла називають явище безладного його відображення від частинок рідини або твердого тіла.
Людське око може розрізняти яскраві і темні предмети на тлі надходить в нього світлового потоку. Днем важко побачити пил, що знаходиться в повітрі кімнати. Якщо ж кімнату добре затемнити і пустити всередину промінь світла, то завдяки розсіюванню світла буде видно маленькі пилинки. Вони відбивають світло і вказують напрямок його поширення.
Взагалі кажучи, спостерігаючи за променем світла під прямим кутом до напрямку його поширення, ніякої інформації отримати про нього не можна. Наприклад, спостерігаючи з боку, як це показано на рис. 9.1, ми не зможемо сказати, чи проходить паралельний пучок світла крізь чорний ящик чи ні. Це дійсно не можна зробити, якщо в ящику вакуум. Якщо ж впустити в ящик .немного повітря, то шлях поширення світла злегка засвітиться. Це пояснюється розсіюванням світла на дрібних частинках, що ширяють у повітрі. З тієї ж причини в повітрі видно пил, з боку видно світло фар автомобіля або трамвая.
Здалеку над Токіо вночі видно сяйво. Бувають випадки, коли світяться хмари, причому це трапляється і вдень. Пояснення цього явища слід шукати в розсіянні світла, що випускається різними його джерелами, розташованими на вулицях міста, на літаючих в повітрі частках диму і пилу.
Чому небо блакитне?
Сонце випромінює світло на всі боки. Частина випромінювання потрапляє в атмосферу Землі і в кожній її точці розсіюється так, як показано штриховими лініями на рис. 9.2. Тому небо здається нам світлим.
Однак виникає питання: на чому розсіюється світло? Вважається, що на частинках пилу, якої дуже багато в атмосфері. На це можна заперечити, що, наприклад, в стратосфері такої великої кількості твердих частинок немає. З борту реактивного літака на висоті десяти кілометрів видно, що небо трохи темніше, але все ж залишається блакитним. Молекули повітря рухаються хаотично, а тому в будь-який момент часу їх положення в просторі абсолютно разупорядоченності. На практиці розташувати точки чисто випадковим чином дуже важко. Справа в тому, що при виконанні цього завдання людина неминуче дотримується деякого порядку. На рис. 9.3 у вигляді абсциси і ординати деякої точки представлено безліч випадкових чисел, отриманих порівняно простим чином. Як випливає з цього малюнка, в певний момент часу молекули то збираються разом, то розбігаються в різні боки, в результаті чого світло розсіюється на цих неоднорідностях щільності повітря, як на мікрочастинках.
Розсіювання світла мікрочастинками досліджував Дж. Релей. Він показав, що інтенсивність розсіяного світла обернено пропорційна четвертого ступеня довжини хвилі світла. Таке розсіювання світла отримало назву релєївського.
Те ж саме можна сказати про розсіянні світла частинками, розміри яких малі в порівнянні з довжиною хвилі світла. Таким чином можна пояснити колір диму. Між іншим, релеевское розсіювання світла виникає і в разі частинок атмосфери через безладного руху молекул. Оскільки найсильніше в атмосфері розсіюється світло з короткою довжиною хвилі, т. Е. Блакитний, то колір неба здається блакитним.
На твердих частинках, розміри яких порівнянні з довжиною хвилі світла, сильно розсіюється також світло, що має велику довжину хвилі, Тому розсіяний світло не дуже відрізняється від падаючого, сонячного. З цієї причини небо над горизонтом або над містом здається білястим.
Слабким розсіюванням світла з великою довжиною хвилі на мікроскопічних об'єктах пояснюється почервоніння диска висхідного і призахідного Сонця. На великій висоті над Землею інтенсивність розсіяного світла зменшується і небо чорніє; на висоті 100 км від поверхні Землі воно навіть вдень здається чорним, при цьому на його тлі, чітко видно зірки.
Розсіяний земною атмосферою світло поширюється і в космічний простір, тому з космосу Земля здається блакитний.
Чому днем зірок на небі не видно?
Відповідь на це питання наступного. Світло, що приходить від зірок, слабкий у порівнянні з сяйвом блакитного неба. Райдужна оболонка ока виконує роль діафрагми, діаметр зіниці змінюється в залежності від інтенсивності світла. Так як розмір зіниці визначається сумарною освітленістю очі, то при його зменшенні під впливом сяйва блакитного неба на сітківку потрапляє мізерно мала кількість світла від зірок.
Те ж можна сказати і щодо нашого слухового сприйняття. У тиші ми чуємо слова, сказані пошепки. І навпаки, в шумному місці нам не вдається розчути навіть гучний окрик. Сяйво блакитного неба відповідає шуму, на тлі якого втрачається слабке світло зірки.
Спостереження зірок з-під землі.
Якщо вдень через маленький зіницю в око потрапляє багато світла і тому зірок не видно, то природно запитати: чи не можна в такому разі їх спостерігати через довге отвір з затемненої кімнати? Наприклад, можна було б вести спостереження за небом крізь пророблений в землі вузький отвір з підвального приміщення, як це показано на рис. 9.4.
Велика частина небесного світіння, відбиваючись багаторазово від стінок отвору, в кінці кінців поглине ними і тільки прямі промені досягнуть підвалу і, отже, людського ока. Так як в підвалі повна темрява, то умови такі, як ніби спостереження зірок ведеться темної ночі.
Як вже говорилося раніше, розміри віддаленого предмета характеризують видимим діаметром. Якщо довжина отвору дорівнює 100 м, то співвідношення між фактичним діаметром отвору і видимим з підвального приміщення представляється табл. 9.1.
Таблиця 9.1. Відомий діаметр і яскравість отвори довжиною 100м
Відомий діаметр отвору
Яскравість отвори (в зоряних величинах)
Оскільки відома яскравість полуденного неба, то можна розрахувати яскравість отвори, видимого з-під землі, і висловити в одиницях зоряної величини. У табл. 9.2 наведені значення видимих діаметрів і яскравості Сонця, Місяця і планет.
Таблиця 9.2. Відомий діаметр і максимальна яскравість Сонця, Місяця і планет Сонячної системи
Максимальна яскравість (в зоряних величинах)
Припустимо тепер, що положення планет на 'небі дозволяє спостерігати їх з підвального приміщення. Як об'єкт спостереження виберемо планету Сатурн, яскравість якої днем максимальна і дорівнює - 0,4. Так як отвір з видимим діаметром 14 '69 "яскравіше Сатурна, то навіть у разі рівності їх видимих діаметрів планету можна буде побачити. Те ж саме можна сказати і про Юпітері, видимий діаметр якого 46' 86": крізь отвір з видимим діаметром 36 ' 90 "він також залишиться невидимим. Зовсім марно розглядати за допомогою цього методу Уран, який навіть вночі не видно неозброєним оком.
Таким чином, для подібного методу спостереження підходять тільки Меркурій, Венера і Марс, але оскільки Земля обертається і, отже, час знаходження спостерігається планети в межах отвору дорівнює одній секунді, то практичне використання його стає надзвичайно важким.
Спостереження небесних тіл за допомогою телескопа.
Така нерухома зірка, як Сіріус (зоряна величина -1,5), яскравіше отвори з видимим діаметром 14'69 ". Нерухомі зірки з набагато меншими видимими діаметрами і менш яскраві, ніж Сіріус, могли б бути видно і крізь більш вузькі отвори. Однак це стає неможливим через те, що видимий діаметр дифракційного зображення хоча і малий, але все ж дорівнює 40 ".
Замість того щоб спостерігати за небом з-під землі крізь отвір, скористаємося краще телескопом. Як вже зазначалося раніше, розміри нерухомої зірки, що спостерігається в телескоп, визначаються не їх видимим діаметром, а величиною дифракційного зображення. Якщо апертуру телескопа D висловити в сантиметрах, то видимий діаметр дифракційного кола дорівнює 27 / D, а це значить, що в разі телескопа з апертурою 22 см він складе 1/23 '/. Як видно з рис. 9.5, відповідна яскравість неба трохи менше яскравості зірок четвертої зоряної величини. Це означає, що менш яскраві зірки в такий телескоп не помітні.
При збільшенні апертури телескопа розміри дифракційного зображення зірки зменшуються, і тому стає можливим спостереження за менш яскравими зірками. Звичайно, при цьому зменшується дифракційне зображення, але видимий діаметр зірки не може бути менше 1 ". Справа в тому, що навіть при спокійній погоді повітря коливається, внаслідок чого світлові промені, що йдуть від зірок, злегка згинаються, безперервно змінюючи напрямок свого поширення в межах кута 1 ". Відоме мерехтіння зірок пояснюється саме цим рухом атмосферного повітря, яке при наявності повітряних потоків значно посилюється і збільшує видимий діаметр зірок до декількох кутових секунд.
Так як при збільшенні апертури телескопа можна домогтися спостереження зірок з видимим діаметром, меншим 1 '', то ясно, що при значеннях апертури, що перевищують 30 см, Не вдасться побачити зірки, яскравість яких відповідає зоряним величинам, що перевищує 4. На рис. 9.5 наведені дані, що належать Сімоясу, Сайто і Каміта, по яскравості неба протягом доби і умов спостереження зірок. Його яскравість дозволяє спостерігати зірки з видимим діаметром 1 "і відповідає зоряної величини 22,5. Це означає, що за допомогою телескопа, що має апертуру 30 см, можна побачити тільки такі і більш яскраві зірки. У будь-якому випадку видимий діаметр зірки не буде більше 1 ", тому менш яскраві зірки залишаться недоступними для нашого ока. Більш того, розсіяне світло великого міста завадить побачити і більш яскраві зірки.
Дослідження. Яскравість ЗІРОК.
У давнину зірки ділили на шість класів: найбільш яскраві відносили до першого, а ледь видимі неозброєним оком - до шостого. Пізніше, коли люди навчилися вимірювати їх яскравість, з'ясувалося, що зірки першого класу перевищують по яскравості зірки шостого класу приблизно в 100 разів. Тому почали вважати, що збільшення відносної яскравості в 2,512 рази (2,512 = у [sup] 5 [/ sup] √100) еквівалентно зменшенню зоряної величини на одиницю. Це співвідношення називається формулою Погсон. На її основі визначені зоряні величини і більш слабких зірок. Звідси випливає, що при спостереженні неба з підвального приміщення збільшення видимого діаметра отвору в 10 разів дозволяє збільшити зоряну величину видимих оком зірок на 5 одиниць.
Зоряні величини визначають видиму, а не дійсну яскравість зірки. Для того щоб можна було говорити про дійсну яскравості, необхідно порівнювати їх для зірок, що знаходяться від спостерігача на однаковій відстані. Так як справжня яскравість зірки обернено пропорційна другого ступеня відстані від зірки до спостерігача, то її можна розрахувати по видимої яскравості, якщо відомо це відстань. На практиці яскравість зірок, віддалених від нас на відстань 32,6 світлових років, характеризують так званими абсолютними зоряними величинами, а видимі яскравості зірок, відстані до яких невідомі, - видимими зоряними величинами. У табл. 9.3 наведені видимі зоряні величини деяких яскравих зірок.
Таблиця 9.3. Видима зоряна величина деяких зірок
Полярна зірка (α Малої Ведмедиці)
Ригель (β Оріона)
Капела (α Візничого)
Бательгейзе (α Оріона)
Канопус (α Дракона)
Сіріус (α> Великого пса
Кастор (α Близнюків)
Процион (α Малого пса
Поллукс (β Близнюків)
Арктур (α Волопаса)
Антарес (α Скорпіона)