Небо дневное и ночное

Жителям Земли выпала редкая удача, на которую мы почти не обращаем внимания: над нами простирается бездонное небо. Тонкая воздушная оболочка, отделяющая живой мир Земли от безбрежного и опасного космоса, обладает удивительными, почти несовместимыми качествами: она оберегает нас от губительных космических излучений, и в то же время она настолько прозрачна, что позволяет видеть и изучать самые далекие планеты и звезды. Первое из этих качеств вполне закономерно, зато второе — воистину удивительно. Не будь атмосфера Земли способной создавать условия для жизни, не было бы самой жизни и этих строк в книге. Но почему атмосфера позволяет нам видеть Вселенную? Это уже не закономерность, а игра случая. Наша атмосфера вполне могла бы быть заполнена рассеивающим свет туманом, который практически не влияет на фотосинтез, но губит изображения. Поэтому астрономы считают своим профессиональным счастьем прозрачность воздушного слоя, эквивалентного по массе 10 метрам воды! С такой глубины морские животные не видят звезд, а мы их видим со дна воздушного океана.

Говорят, человек стал человеком, когда разогнул спину и поднял взгляд вверх. Действительно, это легкое движение меняет масштаб мироздания. Глядя вниз, мы видим лишь поверхность Земли на расстоянии 1—2 метров от наших глаз, не ближе и не дальше. Зато, посмотрев вверх, мы каждый раз видим новую даль: вот кучевое облако — до него метров 500, а рядом с ним видны перистые облака — до них километров 10, а вот между облаками проглянуло Солнце — до него аж 150 миллионов километров. Значит, днем наш взгляд углубляется в космос на сотни миллионов километров. Впрочем, лучу света на такое путешествие требуется менее 10 минут. Но вот наступает ночь. Если это конец июня в средних широтах, то вполне возможно, что на севере невысоко над горизонтом блестят серебристые облака — до них 100 км. А вот озарили небо сполохи полярного сияния — до них 1000 км; взошла Луна — до нее почти 400 тыс. км, но луч света пролетает это расстояние за секунду. Рядом с Луной блестят звезды — их свет идет к нам сотни лет. А если присмотреться внимательнее, то увидишь бледное пятнышко в созвездии Андромеда — это далекая галактика, Туманность Андромеды, свет от которой добирался до нас 2 млн лет! Такова глубина ночного неба для наблюдателя, не вооруженного никакими техническими средствами.

Впрочем, наш глаз сам по себе — замечательный оптический прибор. Он совершенствовался миллионы лет и стал очень чувствительным и зорким. Восприимчивость глаза к слабому свету выше, чем у самой хорошей фотопленки, и практически не уступает чувствительности ПЗС-матрицы электронного фотоаппарата. Ночью глаз видит тусклые звезды, а днем спокойно переносит яркий солнечный свет, от которого вмиг чернеет любая фотопленка.

По четкости изображения с нашим глазом могут соперничать только лучшие фотоаппараты с дорогими объективами. Здоровый глаз различает по отдельности вот эти две точки (:) с расстояния в 3—5 м. Можете проверить! При этом угол между прямыми, проведенными от зрачка к этим точкам, составляет всего 1—2′. Правда, такой четкостью изображения глаз обладает только в центре поля зрения: если мы смотрим на предмет в упор, то видим мельчайшие детали, но стоит немного отвести взгляд в сторону, как изображение расплывается, мелкие детали становятся неразличимыми. Зато недостаток четкости «бокового зрения» компенсируется его повышенной чувствительностью к свету. Если хотите увидеть тусклую звезду, то не смотрите на нее в упор, а немного отведите взгляд в сторону — почти наверняка вы заметите звезду боковым зрением.

Для наблюдения ночного неба глаза нужно готовить. Выйдя из ярко освещенной комнаты на темную улицу, мы вначале не замечаем звезды. Но если отойти от фонарей и подождать 5—7 минут, то наше зрение адаптируется к темноте, и на небе «появляются» сначала яркие, а затем все более слабые звезды. По остроте и чувствительности зрения в природе у человека почти нет соперников. Даже странно, что в ходе эволюции у человека выработалось настолько острое зрение. Зачем оно ему? Ведь не для того, чтобы заглядывать в глубины Вселенной на миллионы световых лет? Но, так или иначе, мы, к счастью, обладаем такой способностью, и атмосфера Земли позволяет нам видеть космос.

А почему ночью видно дальше, чем днем? Ответ прост: потому что ночью небо темное. Отсутствие солнечного света, рассеянного в воздухе, позволяет ночью заметить слабый свет далеких звезд и планет. Если по какой-то причине рассеянный свет Солнца ослабнет, например произойдет полное солнечное затмение, то яркие звезды и планеты станут видны и днем. Так же хорошо они видны в открытом космическом пространстве и с поверхности Луны. Почему же рассеянный в атмосфере солнечный свет скрывает их от нас? Ведь свет самих звезд при этом не ослабевает.

Чтобы понять это, нужно вспомнить механизм нашего зрения. Свет попадает в глаз через зрачок. Глазные линзы — роговица и хрусталик — фокусируют свет и создают изображение на задней поверхности глаза, покрытой светочувствительным слоем — сетчаткой. Она состоит из множества простейших приемников света — колбочек и палочек, каждая из которых передает в мозг информацию о потоке падающего на нее света, а мозг синтезирует из этих отдельных сигналов цельную картину увиденного. Глаз — сложный приемник информации; в некотором роде он подобен «умному» электронному устройству, например радиоприемнику. У глаза тоже есть система автоматической регулировки усиления, которая снижает его чувствительность при ярком свете и повышает ее в темноте. Есть у нашего зрения и система шумоподавления, которая сглаживает случайные флуктуации светового потока, как по времени, так и по поверхности изображения. Эта система имеет определенные пороговые характеристики. Поэтому, например, мы не замечаем быстрой смены изображений (принцип кино); не замечает наш глаз и малых флуктуаций яркости.

Когда мы наблюдаем звезду ночью, поток света от нее на один элемент сетчатки (ночью работают в основном палочки) хотя и мал, но существенно превосходит поток от темного неба, падающий на соседние элементы. Поэтому мозг фиксирует это как значимый сигнал. Но днем на все светочувствительные клетки сетчатки попадает так много света от неба, что небольшая добавка в виде света звезды, приходящая на одну из них, не ощущается мозгом как реальное различие потоков света, а «списывается на флуктуации». Звезда может стать видимой на фоне дневного неба только в том случае, если поток света от нее сравним с потоком от площадки голубого неба, которую зрачок проецирует на одну колбочку или палочку. Угловой размер такой площадки называется разрешающей способностью человеческого глаза и составляет 1—2′.

Рис. 3.1. Опыт Перельмана.

Много это или мало? Рублевая монета (диаметр около 21 мм) видна под углом в 1′ с расстояния 72 м. С меньшего расстояния мы различаем ее диск, с большего — видим как точку. По остроте зрения среди животных мало кто может сравниться с человеком. Пожалуй, в этом отношении нам не уступают лишь обезьяны, крысы и хищные птицы. А вот кошка, курица или лошадь видят во много раз менее четко. Что уж говорить о хомячке или пчеле, которые не могут различить даже диски Луны и Солнца: эти светила кажутся им такими же «точками», как нам звезды и планеты (которых хомячки вообще не замечают). Кстати, обычный человек не отличит звезду от планеты: они нам кажутся точками одинакового размера. Но встречаются счастливцы с особенно острым зрением, которые различают спутники Юпитера и даже видят Венеру в форме серпа (ведь у нее те же фазы, что и у Луны). Эти «остроглазые» и тусклых звезд видят больше, чем прочие люди.

Простой опыт, описанный Яковом Перельманом в его «Занимательной астрономии», показывает, почему исчезают звезды при дневном свете: «В боковой стенке картонного ящика пробивают несколько дырочек, расположенных наподобие какого-нибудь созвездия, а снаружи наклеивают лист белой бумаги. Ящик помещают в темную комнату и освещают изнутри: на пробитой стенке явственно выступают тогда освещенные изнутри дырочки — это звезды на ночном небе. Но стоит только, не прекращая освещения изнутри, зажечь в комнате достаточно яркую лампу — и искусственные звезды на листе бумаги бесследно исчезают: это "дневной свет" гасит звезды».

Из всех звездообразных объектов лишь очень яркая Венера иногда видна на дневном голубом небе. Но и ее увидеть очень непросто: небо должно быть идеально чистым, и нужно хотя бы приблизительно знать, в каком месте на небе в данный момент она находится. Все остальные планеты и звезды имеют блеск значительно слабее, чем у Венеры, поэтому увидеть их без телескопа днем совершенно невозможно. Впрочем, некоторые астрономы утверждают, что им удавалось днем наблюдать Юпитер, который раз в 7—8 бледнее Венеры. Но это возможно лишь при идеальных условиях: ранним утром, пока Солнце еще поднялось невысоко и атмосфера чистая; Юпитер должен быть в максимуме блеска, проецироваться на самую темную область голубого неба и располагаться рядом с заметным объектом — Луной. Только при таком сочетании условий и известной настойчивости некоторым наблюдателям (не всем!) удавалось заметить Юпитер днем. А вот ярчайшую звезду нашего небосвода — Сириус, поток света от которого почти в 15 раз слабее, чем от Венеры, и вдвое слабее, чем от Юпитера, пока еще никому не удалось увидеть днем на уровне моря. Говорят, что Сириус видели днем высоко в горах, на фоне темно-голубого неба. Это не удивительно: яркость неба высоко в горах значительно меньше, чем на уровне моря.