Астроклимат

Так называют совокупность атмосферных условий, влияющих на качество астрономических наблюдений. Важнейшие из них — прозрачность воздуха, степень его однородности (влияющая на четкость изображения объектов), величина фонового свечения атмосферы, суточные перепады температуры и сила ветра.

Напомню: астрономические наблюдения производятся со дна воздушного океана. Уже говорилось, что, будучи сжата до плотности воды, наша атмосфера имела бы толщину 10 метров! В море с такой глубины звезды практически не видны. К счастью, наша атмосфера прозрачнее морской воды и позволяет нам видеть Вселенную. Но волнение воздушного океана, плавающие в нем облака и пыль, свечение газов и поглощение ими света звезд — все это вынуждает астрономов стремиться к «всплытию», к продвижению в верхние слои атмосферы.

Строительство обсерваторий высоко в горах, размещение телескопов на самолетах, аэростатах и, наконец, на борту космических аппаратов позволяет в той или иной степени избежать вредного влияния атмосферы, но создает новые трудности, прежде всего финансовые. Особенно дорогостоящи космические обсерватории, поэтому, за редким исключением, они создаются для наблюдения тех видов излучения, которые совершенно не проходят сквозь атмосферу к поверхности Земли, например рентгеновского или далекого инфракрасного. Для наблюдения в оптическом диапазоне астрономы до сих пор размещают большую часть своих приборов на поверхности Земли, но при этом стараются выбирать место и создавать условия, максимально выгодные для наблюдений.

Прозрачность атмосферы. В оптическом диапазоне прозрачность земной атмосферы достаточно велика: свет звезды, находящейся в зените, при наблюдении с уровня моря ослабевает на 25—50% (меньше — у красного, больше — у голубого конца спектра), а с высоты современной горной обсерватории (2500—3000 м) в среднем на 20%. Но атмосферное поглощение меняется в зависимости от высоты светила над горизонтом. При наблюдении звезды в зените луч света проходит минимальный путь сквозь атмосферу и поэтому испытывает минимальное поглощение. Чем больше угловое расстояние звезды от зенита, тем длиннее путь луча в атмосфере и, соответственно, сильнее ослабление света.

Для того чтобы исправить наблюдаемую яркость светила в визуальном диапазоне спектра за дополнительное поглощение света в атмосфере (как говорят, «привести наблюдения к зениту»), нужно от наблюдаемой звездной величины отнять Δm:

Эти поправки даны для наблюдателя на уровне моря; с увеличением высоты места они уменьшаются. При этом имеется в виду, что качество неба отличное. При худшем качестве неба (высокая влажность или запыленность, перистые облака) поправка становится всё больше и неопределеннее, особенно вблизи горизонта.

В ультрафиолетовом (УФ) диапазоне прозрачность атмосферы резко снижается: для волн короче 280 нм воздух практически непрозрачен. В инфракрасном (ИК) диапазоне прозрачность атмосферы очень неоднородна: в спектре существует несколько мощных полос поглощения молекулами кислорода и воды. Поэтому для наблюдения в близком ИК-диапазоне телескопы устанавливают в сухих высокогорных районах, например в пустыне Атакама или на вершинах древних гавайских вулканов (высота более 4000 м). В далеком ИК- и УФ-диапазонах наблюдения возможны только с космических станций.

Качество изображения. При выборе места для строительства обсерватории астрономов в первую очередь интересует количество ясного ночного времени. Оно измеряется в суммарном годовом количестве часов безоблачного неба в период астрономической ночи, когда погружение Солнца под горизонт превосходит 18° и уже не заметны сумеречные явления. Для старых университетских обсерваторий, размещенных вблизи крупных городов Европы, это время составляет порядка 200—300 часов в год (Пулково, Рига, Москва). Для горных обсерваторий, расположенных в южной части бывшего СССР (Крым, Кавказ, Казахстан, Узбекистан), это 1000—1500 часов в год, а для наиболее современных обсерваторий в горах Чили и на Гавайях — 2500—3000 часов, что близко к суммарному темному времени за год.

Однако даже совершенно ясная ночь может не удовлетворять астрономов по качеству изображения объектов. Воздушные слои разной плотности по-разному преломляют световой луч. Если воздух спокоен, то это приводит лишь к смещению изображения как целого, немного приподнимая его над горизонтом (атмосферная рефракция). Но если слои воздуха с различной температурой и плотностью хаотически перемешаны, то изображение звезды дрожит и размывается, точно измерить его положение и яркость становится невозможно, мелкие детали на изображениях планет, туманностей и галактик не видны. Качество изображения обычно характеризуют угловым диаметром кружка, в виде которого предстает астроному изображение звезды в телескопе. Приемлемым для наблюдений считается качество изображения в 2—3″, весьма хорошим — в 1″. На лучших высокогорных обсерваториях бывают изображения в 0,5″ и даже 0,35″. Далеко не каждая ясная ночь обеспечивает высокое качество изображения; так, ветреная погода ухудшает его в связи с усилением турбулентности в атмосфере: звезды сильно мерцают и дрожат.

Предварительный отбор перспективных мест для строительства обсерватории производится на основе метеорологической информации, а затем организуются многомесячные (иногда и многолетние) экспедиции для изучения выбранных мест. С помощью небольших экспедиционных приборов, имитирующих наблюдение с крупным телескопом, проводятся измерения качества изображений звезд в разные сезоны года. Окончательное решение о строительстве обсерватории принимают, исходя из полученных экспедициями результатов и в немалой степени — из экономических обстоятельств: наличия источников воды и электричества, морских портов, аэродромов и дорог, поскольку доставка и монтаж большого телескопа, прежде всего его многометрового зеркала, представляет сложную транспортную проблему.

Даже на самых хороших с точки зрения астроклимата горных вершинах, таких как Серро-Паранал в чилийской пустыне Атакама, Мауна-Кеа на Гавайских островах, Рока-де-лос-Мучачос на о. Пальма в архипелаге Канарских островов, прозрачность атмосферы и качество изображения непрерывно изменяются. Поэтому астроном-наблюдатель регулярно делает записи в журнале наблюдений с указанием состояния неба и размера изображения звезд. При высокоточном измерении блеска переменных звезд приходится до и после измерения изучаемой звезды определять также и блеск специально выбранных звезд сравнения («стандартов»), про которые известно, что они светят очень стабильно, поэтому изменение их видимой яркости целиком связано со свойствами атмосферы Земли.

Одним из простых способов дать количественную оценку качества неба является указание на самую слабую звезду, видимую невооруженным глазом. Хотя каждый человек определяет самую слабую звезду по-своему, в среднем эта величина примерно одинакова для всех людей с нормальным зрением. Индивидуально для каждого наблюдателя такой метод определения качества неба дает весьма надежную относительную оценку. Для определения слабейшей из видимых звезд принято использовать область неба вблизи северного полюса мира. Эта область имеет несколько преимуществ: на средних северных широтах она незаходящая, ее высота не меняется в течение ночи и года, так что изменением прозрачности атмосферы с высотой можно пренебречь. В этой области нет ярких звезд и не бывает планет, которые бы слепили глаза. Слабые звезды там довольно далеки друг от друга и поэтому легко отождествляются. Кроме того, поле вокруг Полярной звезды имеет простую конфигурацию и легко запоминается.

Загрязнение ночного неба искусственным светом. Помимо естественных факторов, в XX в. астроклимат испытал существенное влияние цивилизации. Важнейшим отрицательным фактором стало ночное освещение городов, сделавшее невозможным проведение в них астрономических наблюдений.

На протяжении XX в. большинство людей лишилось захватывающего вида Вселенной, которым могли наслаждаться их предки в любую ясную ночь. Распространение электрического освещения и рост городского населения стали причиной быстрого роста яркости неба над городами. Немногие из современных людей видели первозданное темное небо. Для городского жителя усыпанное звездами небо доступно только в планетарии. Комета Хейла — Боппа (1997 г.) была самой зрелищной кометой нашего времени, но из-за засветки городов для большинства людей она выглядела как едва заметный размытый шарик. Даже в сельской местности слабое дворовое освещение часто затмевает великолепие ночного неба. Один из наиболее известных любителей астрономии XX в. Лесли Пелтье в своей автобиографии с сожалением вспоминает о красоте ночного неба: «Даже на ферме не видны больше Луна и звезды. Данное нам Господом право любоваться звездами фермер разменял на ватты своего круглосуточного солнца. Его дети уже никогда не увидят благословенной темноты небес».

Избыток ночного освещения не только вызывает увеличение яркости неба, но и в целом отрицательно влияет на окружающую среду, вмешиваясь в естественные ритмы биосферы. Избыточное освещение и напрямую ведет к загрязнению окружающей среды в связи с добычей, транспортировкой и сжиганием угля и нефти. Лишний свет в основном связан с плохой конструкцией фонарей, рассеивающих лучи горизонтально и вверх, в небо. Этот свет ослепляет водителей и пешеходов, подвергая их жизнь риску. При этом бессмысленный расход электроэнергии составляет по всему миру миллиарды долларов в год.

Рис. 3.37. Космическая панорама ночной Земли дает представление о степени светового загрязнения неба в разных уголках

Астрономия очень чувствительна к искусственной засветке неба. Большинство наблюдений, особенно в области внегалактических исследований и космологии, теперь можно проводить лишь в местах, удаленных от крупных городов на сотни километров. Некоторые старые обсерватории, такие как Данлоп в Онтарио (Канада), Маунт-Вилсон в Калифорнии, Пулковская (Санкт-Петербург) и Московская очень страдают от городской засветки неба. Новые обсерватории располагают в удаленных местах, а истинным любителям астрономии приходится уезжать далеко за город, чтобы проводить свои наблюдения.

На территории каждой обсерватории ночное освещение делают минимально ярким, а нередко и полностью отключают во время наблюдений. Но, к сожалению, свет большого города, расположенного даже в 100 км от обсерватории, лишает астрономов возможности наблюдать тусклые объекты. Поэтому ученые обращаются к местным властям и населению с просьбой о сохранении темноты ночного неба.

С помощью местных властей проблема ночной засветки неба была решена в ряде крупных обсерваторий Аризоны и Калифорнии. Избежать засветки позволяют фонари с закрытыми лампами, направляющие свет только вниз. В этом случае сам источник света остается невидимым со стороны, в отличие от обычных уличных и дворовых фонарей. К тому же возникает существенная экономия энергии за счет снижения потерь света. Дополнительная экономия достигается при использовании более эффективных ламп, требующих меньше энергии для получения требуемого количества света.

Рис. 3.38. «Световое загрязнение» Европы.

По критерию роста эффективности уличные светильники располагаются в следующем порядке (число в скобках указывает мощность лампы в ваттах, необходимую для производства светового потока в 1000 люменов): обычная лампа накаливания (60), бело-голубая ртутная лампа (24), белая галогенная (17), желто-оранжевая натриевая высокого давления (12) и желтая натриевая низкого давления (8). Как видим, световая эффективность ламп различного типа различается почти в 8 раз! Самый дешевый свет производит натриевая лампа низкого давления, к тому же она дает почти монохроматический свет, который при астрономических наблюдениях легко может быть «отрезан» с помощью светофильтра. С эстетической точки зрения эти лампы плохи своей одноцветностью, но их с успехом можно использовать для уличных фонарей, автомобильных стоянок, охранного освещения — в общем, в местах, где не обязательно освещение, комфортное для зрения.

Хотя закрытые фонари стоят дороже, чем открытые, их цена компенсируется дешевизной эксплуатации. В Калифорнии города Лонг-Бич, Сан-Диего и Сан-Хосе, широко используя натриевые лампы низкого давления, экономят каждый год большие суммы. Например, заменив 175-ваттную ртутную лампу на закрытую сверху отражателем 35-ваттную натриевую лампу низкого давления, мы получаем то же количество полезного света без ослепления водителей и рассеяния лишнего света в воздухе. Налицо экономия энергии и улучшение видимости. Калифорнийские астрономы весьма признательны властям за это нововведение.

Яркое освещение улиц ночных городов иногда оправдывают соображениями безопасности. Но до сих пор не доказана связь между усилением освещения и снижением криминала. Ворам и разбойникам тоже требуется свет для их делишек. Наличие охранного освещения часто привлекает внимание и указывает криминальным элементам, что на этот дом или офис следует обратить внимание. Наши города сейчас освещены гораздо сильнее, чем когда-либо, а криминальная ситуация стремительно ухудшается. Безопасность можно обеспечить использованием экранированного света, реагирующего на движение и включающегося только в те моменты, когда происходит какое-либо перемещение. Потенциальная опасность быть неожиданно освещенным может стать весьма полезной в борьбе с криминалитетом, не говоря уже об экономии электроэнергии.

Важную роль в сохранении темноты ночного неба играет работа с населением. Необходимо разъяснять, что лишняя засветка стоит денег! Один учитель астрономии сказал как-то: «Меня удивляет, что люди, которые никогда не выбросили бы на землю пластиковую бутылку во время пикника, могут платить лишние деньги каждый месяц за освещение окрестностей никому не нужным рассеянным светом».

Главной силой в решении этого вопроса являются правительственные чиновники, специалисты по освещению городов и, разумеется, астрономы. Их совместные усилия должны помочь. Необходимо «освещать» эту проблему, вырабатывать четкие рекомендации и доводить их до населения. Существует Международная ассоциация темного неба (International Dark-Sky Association, IDA). Это бесприбыльная, освобожденная от налогов организация, стремящаяся довести проблему до граждан и убедить их не заливать светом окрестности, сохранить темное небо и в то же время максимально повысить качество и эффективность наружного освещения. Адрес этой уникальной организации: http://www.darksky.org.

Рис. 3.39. Проект 42-метрового телескопа E-ELT (European Extremely Large Telescope) обсерватории ESO для наблюдений в оптическом и ближнем инфракрасном диапазонах с системой адаптивной оптики, которая позволит довести угловое разрешение до 0,001″. Предполагается, что к 2017 г. он будет установлен либо в Чили, либо на Канарских островах.

Заканчивая рассказ о небе и телескопах, хочу напомнить, что эта книга в основном посвящена планетам — очень маленьким или очень далеким. Для исследования тех и других требуются очень большие телескопы. Некоторые из них уже созданы, другие — в процессе строительства, третьи еще только задуманы (например, телескоп E-ELT, рис. 3.39). Если в конце XIX в. все понимали, что крупные рефракторы достигли своего предела, если в середине XX в. у большинства инженеров была уверенность, что эволюция крупных рефлекторов завершена, то сегодня никто не сомневается: эпоха гигантских телескопов только начинается. А это значит, что впереди новые потрясающие открытия. Кому суждено их сделать?

И вот тут — самое интересное! Поток астрономической информации пропорционален суммарной площади объективов всех телескопов в мире. Благодаря созданию гигантских телескопов она стремительно возрастает. А количество астрономов почти не увеличивается. Можно сказать, что сейчас профессиональные астрономы оказались в ситуации, когда «не было ни гроша, да вдруг алтын»! Гигантские телескопы выдают так много информации о небесных объектах, что немногочисленные коллективы специалистов не успевают ее обрабатывать и обдумывать полученные результаты. В связи с этим было решено сделать эту информацию доступной для всех желающих. Через Интернет ее можно получить из Европейской южной обсерватории по адресу http://archive.eso.org. Должен предупредить любителей астрономии, что в архиве лежат «сырые» данные, для обработки которых нужна определенная квалификация. Но, с другой стороны, теперь у всех любознательных людей — как профессионалов, так и любителей — есть одинаковая возможность участвовать в серьезной научной работе, используя первоклассный наблюдательный материал. Без излишней патетики можно сказать, что любой желающий может теперь «подглядывать» в огромный телескоп. Выбор объектов наблюдения по-прежнему остается за хозяевами инструмента, но пользоваться его плодами и делать открытия теперь может каждый желающий. А тем, кто не склонен к научной работе, но хочет полюбоваться фотографиями небесных светил, советую зайти на сайт www.eso.org.