Лунный свет
Освещённая сторона луны имеет температуру около 400 К, поэтому она испускает некоторое излучение (примерно столько же, сколько кипящая кастрюля с водой). Однако подавляющее большинство лунного излучения на видимых длинах волн является отражённым солнечным светом. Из-за этого небо, освещенное луной в полнолуние, похоже на небо, освещенное солнцем, только в 500 000 раз тусклее. Цифровые камеры сейчас настолько чувствительны, что это можно легко доказать. На это способна двухсекундная экспозиция с использованием f1.4 объектива со скоростью съёмки камеры, установленной в соответствии с ISO 1600. Луна будет выглядеть белой (и переэкспонированной), небо будет синим, и пейзаж будет выглядеть так, как будто вы производили съёмку в течение дня.
Однако всё будет выглядеть немного жёлтым, поскольку луна отражает примерно в два раза больше красного света (700 нм), чем голубого света (400 нм) (Lynch and Livingstone, 1995). Тот факт, что мы не видим лёгкий жёлто-коричневый цвет луны, всегда беспокоил меня. Это правда, что освещённые лунным светом объекты обычно слишком тусклые, чтобы возбуждать клетки-колбочки на нашей сетчатке, но сама луна намного ярче. Красноватый цвет луны мы можем увидеть во время лунного затмения. Я также видел фотографии луны, на которых она была коричневой.
Видимый путь луны не соответствует в точности солнечному, в противном случае каждый месяц у нас было бы лунное затмение. Тем не менее, пути достаточно схожи для большинства биологических целей. Кроме того, кроме сумерек (когда небо может быть освещено лунным светом и рассеянным солнечным светом), относительная яркость луны и неба подобна относительной яркости солнца и неба. Таким образом, можно использовать всё, что известно об уровнях света во время восхода и захода солнца для исследования восхода и захода луны. Другими словами, лунное небо – это просто солнечное небо с экономичной лампочкой.
Фаза луны является одним из усложняющих факторов. В случае солнца солнечные пятна и прочее имеют некоторый эффект, но облучённость солнцем при определённом угле возвышения относительно постоянна. Тем не менее, облучённость лунным светом зависит от фазы луны. На первый взгляд можно подозревать, что освещённость будет меняться пропорционально освещённой части луны (как её видим мы). Однако вариации гораздо больше. Например, нисходящая облучённость лунного света во время полумесяца не равна половине освещенности от полнолуния, но только 1/10 от нее (рисунок 3.14). Это означает, что средняя яркость освещенной части Луны не является постоянным. Другими словами, чем меньше освещённая часть луны, тем она тусклее.
Рисунок 3.14: Облучённость лунным светом и часть освещённой Луны как функция градусов от полной луны (0° — полная луна, 180° — новолуние). Данные Лоуренса и др., 2003.
Фактически, средняя яркость освещённой части полумесяца (фазовый угол 90°) составляет лишь около 1/5 от полной луны. Если вы станете астронавтом, вы будете ещё более впечатлены, потому что тогда вы сможете увидеть по-настоящему полную луну. Вы не можете видеть совершенно полную луну на Земле, поскольку земля стоит на пути, и получается лунное затмение. Таким образом, самые полные луны, которые мы когда-либо видели, на самом деле составляют примерно пять градусов от действительно полных. Космонавты, находящиеся непосредственно между Солнцем и Луной, обнаружили, что яркость Луны за эти несколько градусов увеличивается ещё на 40%. Короче говоря, луна похожа на ретрорефлектор на велосипеде, отправляя большинство света обратно туда, откуда он появился.
Эта ретрорефлексия, известная как «лунный оппозиционный эффект», объясняется прежде всего двумя вещами. Во-первых, луна комковата. На ней есть горы, и она наполнена кратерами. По мере того как луна становится менее полной, эти кратеры и горы становятся всё светлее со стороны, а это означает, что они бросают более длинные тени. Это важно для астрономов-любителей, потому что лунный полумесяц выглядит намного более впечатляющим под телескопом, чем полная луна, подобно тому, как горные пейзажи на Земле выглядят более драматичными во время восхода и захода солнца. В меньших масштабах в оппозиционный эффект также вовлечены частицы самой лунной почвы. Во-вторых, кажется, что лунная почва может немного выступать как лист стекла, и поверх своего основного диффузного отражения иметь блестящее отражение (Helfenstein et al., 1997). Это блестящее отражение, известное как «когерентное рассеяние», будет обсуждаться далее в главе 6. Суть заключается в том, что фаза Луны оказывает большое влияние на облучённость лунным светом.
Что делает всё это ещё более драматичным, так это то, что полные луны поднимаются намного выше в небе, чем полумесяцы и серповидная луна – даже несмотря на то, что это не совсем так. Серповидная луна и полумесяцы также поднимаются высоко в небе, но днём. Чем меньше луна полная, тем ближе она к солнцу. Поскольку она так близко к солнцу, серповидная луна находится очень высоко в небе около полудня, когда солнце также высоко. Полумесяц находится на 90° от солнца и поэтому находится высоко в небе на рассвете и в сумерках. Ночью как полумесяц, так и серповидная луна часто находятся под горизонтом или так рядом с ним, так что затенены пейзажем. Полные луны поднимаются, когда солнце садится, садятся, когда солнце поднимается, и находятся выше всего в небе посреди ночи. Поскольку они прямо противоположны положению солнца, их пиковая высота соответствует высоте солнца в противоположном времени суток. Поэтому полная луна самая высокая зимой и самая низкая в летнее время.
Общий вывод всего этого (и почему я закопал вас в астрономии) заключается в том, что вариации в ночном освещении намного больше ожидаемых, и не сводятся к простой зависимости от того, какая часть луны освещена. Особенно если вы учитываете освещённость поздно вечером или полную интегрированную освещённость в течение всей ночи. Если игнорировать звёздный свет, общая доза (освещённость × время) лунного света в течение зимней ночи для полной луны примерно в 5000 раз больше, чем для серповидной луны. Если учесть фоновый звёздный свет, разница всё ещё находится в диапазоне от 50 до 200 раз.
Для людей знание тонкостей лунного света когда-то было второй натурой, но в наши дни фазы и положения Луны замечают, кажется, только любители погулять по ночам с собакой. Многие животные, однако, обращают на луну внимание. Как известно, многие виды, особенно водные, появляются при определённых фазах луны (обзор Korringa, 1947 и Giese, 1959). Время относительно фазы может быть весьма разнообразным. Некоторые появляются в новолуние, некоторые во время полнолуния, некоторые, например, многие кораллы, появляются через несколько дней после полной луны. Другие появляются при определённых полных или новых лунах, сочетая сезонные сроки с фазой Луны.
Существует обширная литература о лунных фазах и биологических ритмах, которую я не буду дублировать здесь. Однако для людей важно осознать, что в лунный свет несёт больше информации, чем можно было бы ожидать. Например, за пределами тропиков и при отсутствии облаков, определённо самая яркая ночь года – это полнолуние в районе зимнего солнцестояния. Итак, есть ли у вас собака или нет, отправляйтесь на прогулку в эту ночь в конце декабря или в начале января. Вы будете впечатлены.
Источник
Учебники
Журнал «Квант»
Общие
Бялко А.В. Пепельный свет Луны //Квант. — 1994. — № 1. — С. 38-39.
По специальной договоренности с редколлегией и редакцией журнала «Квант»
Всем известно лунное сияние — отраженный лунной поверхностью свет Солнца. Но замечали ли вы слабое свечение Луны в ясные ночи новолуния — так называемый пепельный свет Луны? Оно уверенно наблюдается только в течение двух — трех ночей, близких к новолунию, когда серпик Луны достаточно узок и его свечение еще не мешает различить слабый свет остальной части лунного диска. Тогда диск слегка светится, заметно отличаясь от черного неба. Чем же вызвано это свечение?
Как вы, конечно, знаете, каждый месяц, а точнее через каждые 29,5 суток, взаимное положение Солнца, Земли и Луны почти повторяется. Слово «почти» связано с тем, что орбита Луны ненамного, всего на 6°. наклонена к плоскости земной орбиты и не является точно круговой. Но для нас эти неточности не будут иметь значения.
Посмотрите на рисунок — Солнце освещает Землю и обращающуюся вокруг нее Луну (вращение Земли и обращение Луны происходят в одном направлении). Солнце далеко, поэтому само оно не изображено, а его лучи показаны параллельными. Освещены половины земного и лунного шаров, на затемненной половине Земли — ночь. Конечно, лучше всего и наблюдать Луну ночью — если нет облаков, то свечение неба почти не мешает. Глядя на рисунок, легко понять, почему за месяц происходит смена фаз Луны: новолуния, первой четверти, полнолуния и последней четверти.
Кстати, знаете ли вы способ, как, поглядев на месяц, сразу сказать, в первой он четверти или в последней? (Разумеется, это детская задачка, но ведь труднее всего дать быстрый и правильный ответ, если есть всего две возможности. Наверное, многим известна такая «подсказка»: если к рожкам месяца мысленно приставить палочку и получится буква «Р», то месяц Растет (находится в первой четверти), а если буква «У», то он Убывает. А академик Ландау определял четверти Луны другим способом: «Если месяц хочется погладить, то он молодой» (ясно, что Ландау не был левшой).
Нелишне заметить, что оба эти правила не абсолютны: они придуманы людьми Северного полушария Земли, поэтому в Австралии, например, верны с точностью до наоборот, а в тропиках вообще не годятся — там месяц висит рогами вверх или вниз. Но есть способ, годящийся для всех широт Земли: если вы видите месяц Утром, то он Убывает, а если Вечером — то Возрастает. Посмотрите на рисунок, и вы поймете сами, почему это так. Рисунок дает вид системы «Земля — Луна» как бы с Северного полюса, или лучше сказать — от Полярной звезды, а чтобы представить вид с Южного полюса, от созвездия Южный Крест, надо посмотреть на рисунок в зеркало.
С помощью рисунка нетрудно также понять, что дополнительная подсветка Луны — ее пепельный свет — обусловлена светом Солнца, отраженным Землей. Свечение особенно эффективно в новолуние, когда Луна темна, а все земное полушарие, видимое с Луны, освещено Солнцем. Попробуем рассчитать, во сколько же раз пепельный свет Луны слабее ее обычного света.
Для этого нам понадобится знать, как отражают свет Земля и Луна. Их поверхности рассеивают падающий свет, но рассеивают его неравномерно по разным направлениям. Поэтому чтобы точно вычислить, каково отношение яркостей наблюдаемых одновременно пепельного света Луны и света тонкого рожка лунного месяца, надо знать, как именно рассеянный свет распределяется по направлениям. Эта задача очень трудная. Но можно довольно легко рассчитать отношение этих яркостей в полнолуние — в обоих случаях рассеяние происходит подобным образом, преимущественно назад, поэтому можно сравнивать не яркости, а полные потоки света.
Доля солнечного света, отраженная небесным телом обратно в космос, называется альбедо. От Земли свет отражается ее атмосферой, особенно сильно облаками, закрывающими около половины земной поверхности. В среднем альбедо Земли близко к AZ = 30%, хотя и немного варьируется в зависимости от того, день или ночь над Тихим океаном, занимающим почти полушарие. У Луны атмосферы нет, а породы ее поверхности темные — они поглощают большую часть падающего на них света. В среднем альбедо Луны равно AL = 8%.
Мощность лунного света, попадающая на Землю, конечно, зависит от фазы Луны. В полнолуние с Земли видна вся освещенная Солнцем половина Луны, в первой и последней четверти видна только ее часть, а в новолуние мы можем видеть только темную сторону Луны — ее пепельный свет.
От Солнца исходит излучение, поток энергии которого, падающий на Землю, равен S0 = 1360 Вт/м 2 . Поскольку расстояние между Землей и Луной много меньше расстояний от них до Солнца, можно считать, что на Землю и на Луну падают одинаковые потоки солнечного света. Рассчитаем полные мощности солнечного света, отраженного Луной и Землей. Если RL — радиус Луны, то на нее падает световая мощность \(
S_0 \pi R^2_L\), а отражается
F_L = A_L S_0 \pi R^2_L\) .
Аналогично, полная мощность солнечного света, отраженного от Земли, равна
F_Z = A_Z S_0 \pi R^2_Z\) .
Примем теперь Землю за точечный источник, равномерно излучающий отраженный ею свет в полусферу (здесь есть небольшая неточность). Тогда поток энергии, падающий на Луну, будет равен \(
S_1 = \frac
Теперь вычислим ее отношение к мощности света Луны в полнолуние и получим простую формулу:
Поскольку геометрия отражения в обоих случаях одинакова, то соотношение, выведенное для мощностей света, справедливо и для яркостей света: пепельный свет Луны слабее ее отраженного света примерно в 24 тысячи раз. Наш глаз устроен так, что он может, прищурясь, недолго смотреть на ослепительный диск Солнца, рассматривать освещенную Солнцем Луну, световая мощность которой меньше в 2,5 миллиона раз (\(
A_L \frac
Но почему же мы так редко замечаем пепельный свет Луны? Дело в том, что его мешает различить на фоне неба свечение земной атмосферы. Если наблюдение ведется под утро или не очень поздно, свет атмосферы вызван рассеянием на больших высотах солнечного света, а глубокой ночью небо светится из-за уличного освещения городов. Свой вклад вносит и сам серпик месяца — при толстом месяце в первой или последней четверти он достаточно велик, чтобы затмить пепельный свет темной, неосвещенной Солнцем, части Луны. Легко понять, что свечение неба резко возрастает даже при легкой облачности или дымке. Поэтому наблюдать пепельный свет Луны можно только в очень ясные ночи и при очень узеньком серпике месяца.
Источник
11 вещей, которые вы не знали о Луне
Когда наступает полнолуние, яркий свет Луны притягивает наше внимание, но Луна хранит и другие секреты, который могут вас удивить.
Существует четыре типа лунных месяцев
Наши месяца соответствуют примерно тому промежутку времени, которое требуется нашему естественному спутнику для прохождения полных фаз.
Из раскопок ученые обнаружили, что люди еще с эпохи палеолита считали дни связывая их с фазами Луны. Но на самом деле существует четыре разных вида лунных месяцев.
1. Аномалистический — продолжительность времени, которая требуется Луне, чтобы пройти вокруг земли, измеряемое от одного перигея (ближайшая к Земле точка орбиты Луны) до другого, что занимает 27 дней, 13 часов, 18 минут, 37,4 секунды.
2. Узловой — продолжительность времени, которая требуется Луне для того, чтобы пройти от точки пересечения орбит и вернутся к ней, что занимает 27 дней, 5 часов, 5 минут, 35,9 секунд.
3. Сидерический — продолжительность времени, которая требуется Луне, чтобы обойти землю, ориентируясь по звездам, что занимает 27 дней, 7 часов, 43 минут, 11,5 секунд.
4. Синодический — продолжительность времени, которая требуется Луне, чтобы пройти вокруг земли, ориентируясь по Солнцу (это промежуток времени между двумя последовательными соединениями с Солнцем — перехода от одного новолуния к другому), что занимает 29 дней, 12 часов, 44 минут, 2,7 секунд. Синодический месяц берется за основу во многих календарях и используется для разделения года
С Земли мы видим немногим больше половины Луны
Большинство справочников упоминают, что из-за того, что Луна вращается только один раз во время каждого витка вокруг Земли, мы никогда не видим больше половины всей ее поверхности. По правде говоря, нам удается увидеть больше во время ее прохождения по эллиптической орбите, а именно 59 процентов.
Скорость вращения Луны является одинаковой, но не ее частота вращения, что позволяет нам увидеть только край диска время от времени. Другими словами, два движения не происходят совершенно синхронно, несмотря на то, что они сходятся к концу месяца. Этот эффект называется либрация по долготе.
Таким образом, Луна колеблется в направлении востока и запада, позволяя нам увидеть чуть дальше по долготе с каждого края. Оставшийся 41 процент мы никогда не увидим с Земли, а если бы кто-то находился на той стороне Луны, то он бы ни за что не увидел Землю.
Требуется сотни тысяч Лун, чтобы сравнится с яркостью Солнца
Видимая звездная величина Полной Луны -12,7, но Солнце в 14 раз ярче, при видимой звездной величине -26,7. Соотношение яркости Солнца и Луны составляет 398,110 к 1. Столько Лун потребуется, чтобы сравнится с яркостью Солнца. Но все это спорный вопрос, так как не существует способа вместить столько Лун на небе.
Небо составляет 360 градусов, включая ту половину за горизонтом, которую мы не можем увидеть, и таким образом в небе больше 41,200 квадратных градусов. Луна соответствует только половине градуса поперек, что дает площадь в 0,2 квадратных градуса. Таким образом, вы можете заполнить все небо, включая ту половину, которая лежит под нашими ногами, 206,264 полными Лунами и у вас все равно останется 191,836, чтобы соответствовать яркости Солнца.
Первая и последняя четверть Луны и наполовину не такие яркие, как Полная Луна
Если бы поверхность Луны была бы как совершенно гладкий бильярдный шар, то яркость ее поверхности, была бы везде одинаковой. В таком случае, она бы была в два раза ярче.
Но у Луны очень неровный рельеф, особенно около границы света и тени. Ландшафт Луны пронизан бесчисленными тенями от гор, валунов и даже мельчайших частиц лунной пыли. Кроме того, поверхность Луны покрыта темными областями. В конечном счете, в первой четверти, Луна в 11 раз менее яркая чем, когда она полная. На самом деле Луна немного ярче в первой четверти, чем в последней, так как в этой фазе некоторые части луны отражают свет лучше, чем в других фазах.
95 процентов освещенной Луны в два раза менее яркие, чем полная Луна
Хотите верьте, хотите нет, но примерно за 2,4 дня до и после полнолуния Луна светит в два раза менее ярче полной Луны . Несмотря на то, что 95 процентов Луны освещается в это время, и большинству обычных наблюдателей будет казаться, что это полнолуние, ее яркость примерно на 0,7 величин меньше, чем при полной фазе, что делает ее в два раза менее яркой.
Если смотреть с Луны, Земля тоже проходит через фазы
Однако, эти фазы противоположны лунным фазам, которые мы видим с Земли. Когда мы видим новолуние, то с Луны можно наблюдать полную Землю. Когда Луна находиться в первой четвери, то Земля находиться в последней четверти, а когда Луна между второй четвертью и полнолунием, то Земля видна в виде полумесяца, и наконец, Земля в новой фазе видна, когда мы видим полнолуние.
С любой точки Луны (за исключением самой удаленной стороны, откуда нельзя увидеть Землю), Земля находится на том же самом месте на небе.
С Луны, Земля кажется в четыре раза больше, чем полная Луна, когда мы ее наблюдаем, и в зависимости от состояния атмосферы, светит от 45 до 100 раз ярче полной Луны. Когда полная Земля видна на лунном небосводе, она освещает окружающий лунный ландшафт голубовато-серым светом.
Затмения тоже меняются, если смотреть с Луны
Не только фазы меняются местами, если смотреть с Луны, но и лунные затмения являются солнечными затмениями, если смотреть с Луны. В этом случае, земной диск закрывает Солнце.
Если он полностью закрывает Солнце, узкая полоска света окружает темный диск Земли, который подсвечивается Солнцем. Это кольцо имеет красноватый оттенок, так как он получается вследствие сочетания света восходов и закатов, который происходят в этот момент. Вот почему во время полного лунного затмения, Луна приобретает красноватый или медный оттенок.
Когда на Земле происходит полное затмение Солнца, наблюдатель с Луны может видеть в течение двух или трех часов как небольшое, отчетливое темное пятно медленно перемещается через поверхность Земли. Это темная тень Луны, которая падает на Землю,называется умбра. Но в отличие от лунного затмения, когда Луна полностью поглощается тенью Земли, лунная тень меньше на несколько сотен километров в ширину, когда касается Земли, появляясь только в виде темного пятна.
Кратеры Луны называются по определенным правилам
Лунные кратеры формировались астероидами и кометами, которые сталкивались с Луной. Считается, что только на ближней стороне Луны примерно 300,000 кратеров, шириной больше чем 1 км.
Кратеры называются в честь ученых и исследователей. Например, Кратер Коперника был назван в честь Николая Коперника, польского астронома, который в 1500 годах обнаружил, что планеты движутся вокруг Солнца. Кратер Архимеда назван в честь математика Архимеда, который сделал множество математических открытий в 3 веке до нашей эры.
Традиция присваивать личные имена лунным образованиям началась в 1645 Майклом ван Лангреном (Michael van Langren), Брюссельским инженером, который назвал главные особенности Луны по имени королей и великих людей на Земле. На своей лунной карте он назвал самую большую лунную равнину (Oceanus Procellarum) в честь своего покровителя испанского Филиппа IV.
Но всего шесть лет спустя, Джованни Батиста Рикколи(Giovanni Battista Riccioli) из Болоньи создал свою лунную карту, удалив имена, которые дал ван Лангрен и вместо этого присвоил имена в основном известных астрономов. Его карта стала основой системы, сохранившейся по сей день. В 1939 году, Британская Астрономическая Ассоциация выпустила каталог официально названных лунных формирований. «Кто есть кто на Луне«, указав названия всех образований принятых Международным Астрономическим Союзом(МАС).
На сегодняшний день МАС продолжает решать, какие имена давать кратерам на Луне, наряду с именами для всех астрономических объектов. МАС организует именование каждого конкретного небесного тела вокруг конкретной темы.
Названия кратеров сегодня можно разделить на несколько групп. Как правило, кратеры Луны называли в честь умерших ученых, научных работников и исследователей, которые уже стали известны за свой вклад в соответствующих областях. Так кратеры вокруг кратера Аполло и Моря Москвы на Луне назовут в честь американских астронавтов и русских космонавтов.
На Луне огромный температурный диапазон
Если вы начнете искать в интернете данные о температуре на Луне, то, скорее всего, запутаетесь. Согласно данным NASA, температура на экваторе Луны варьирует от очень низкой (-173 градусов по Цельсию ночью) до очень высокой (127 градусов по Цельсию днем). В некоторых глубоких кратерах возле полюсов Луны, температура всегда около -240 градусов по Цельсию.
Во время лунного затмения, когда Луна движется к земной тени, всего за 90 минут, температура поверхности может упасть на 300 градусов по Цельсию .
На Луне свои часовые пояса
Вполне возможно сказать время на Луне. На самом деле, в 1970 году компания Хелброс Уотчес (Helbros Watches )попросила Кеннета Л.Франклина (Kenneth L. Franklin), который много лет был главным астрономом в Нью-Йоркском Планетарии Хайден создать часы для космонавтов, ступивших на поверхность Луны. Эти часы измеряли время в так называемых «Лунациях» — время, которое требуется Луне, чтобы обратится вокруг Земли. Каждая Лунация соответствует 29,530589 дням на Земле.
Для Луны Франклин разработал систему, называемую лунное время. Он представил себе местные лунные часовые пояса согласно стандартным часовым поясам на Земле, но основываясь на меридианах, шириной 12 градусов. Они будут называться незамысловато «36 градусов по восточному поясному времени» и т.д., но возможно, что будут адаптированы и другие более запоминающиеся названия, как например, «Коперниковское время«, или «время Западного спокойствия«.
Источник