Дневная освещенность


Выше мы рассказали, почему самые мелкие частицы создают голубой цвет неба. Оказывается, более крупные частицы рассеивают все цвета солнечного спектра более равномерно. Чем больше капля, тем более белым оказывается рассеянный ею свет: слабые остатки желтоватого цвета пропадают. Вот почему туман, состоящий из капелек радиусом больше 0,008 миллиметра, кажется нам молочно-белым, когда на него падает белый свет Солнца или Луны.

Теперь мы можем ответить на вопрос, который задали в самом начале этой главы: чем создается дневная освещенность?

Больше всего света дает, конечно, Солнце. Так, например, на широте Москвы в летний полдень Солнце освещает горизонтальную поверхность, как примерно 120 000 свечей на расстоянии 1 метра. Зимой, когда Солнце стоит низко над горизонтом, в Москве, например, не выше 11 градусов, эта прямая освещенность гораздо меньше — около 15 000 свечей. Если бы Земля не имела вовсе атмосферы, как, например, Луна, то освещенность ее поверхности создавалась бы только лучами Солнца; тени были бы совершенно черными. Действительно, в хороший телескоп видно, какие резкие тени отбрасывают высокие горы на Луне.

Даже безоблачная атмосфера, рассеивая свет, создает значительную добавочную освещенность. Этот рассеянный свет идет со всех сторон, от всех точек небесного свода. В летний полдень освещенность рассеянным светом достигает 15 000 свечей. Столько света получают тени — места на земной поверхности, недоступные прямым солнечным лучам. К вечеру, когда Солнце клонится к горизонту, атмосфера над нашей головой освещена слабее, чем днем, и поэтому она рассеивает в общем меньше света. Когда Солнце находится на высоте 10 градусов над горизонтом, освещенность от безоблачного неба уменьшается до 5000 свечей, а при высоте 5 градусов — до 2500. Замечательно, что этот рассеянный свет убывает вечером (так же как и зимой) медленнее, чем прямой. Освещенность теней при этом убывает медленнее, чем освещенность мест на прямом солнечном свету, тени становятся относительно более светлыми, а потому менее резкими, менее четкими.

Зимой, как это доказал при помощи точных измерений Н. Н. Калитин в Ленинграде, снежный покров увеличивает освещенность. Ярко-белый снег, отражая много света, освещает дополнительным светом атмосферу:       молекулы последней рассеивают больше света, отбрасывают больше света обратно на поверхность Земли. Всякий знает, как становится сразу светлее поздней осенью, когда выпадает первый снег. Это явление особенно удобно наблюдать, когда небо покрыто низкими, плотными облаками. Зимой легко заметить, что над лесами небо всегда несколько темнее, более сероватое или синеватое, чем над заснеженными полями. Иногда даже считают, что темные пятна над лесом-—признак приближающейся оттепели. Точнее сказать, их появление — признак того, что облака снижаются (так что становится легче различить на них границы более светлых и темных областей). Зимой же снижение облаков действительно в большинстве случаев говорит о притоке более влажного и теплого воздуха, а иногда и о близящейся оттепели.

Всем полярным путешественникам известно, что небо над льдами светлее, а небо над открытой водой — над разводьями — более серое и темное (так называемое «водяное небо»). Это «водяное небо» аналогично темным пятнам над лесами. Оно не раз позволяло нашим ледоколам правильно выбирать путь, используя разводья и полыньи среди ледяных полей Арктики.

Рассеяние света капельками, из которых состоят облака, тоже создает определенную освещенность. Пока облако тонкое, эта добавочная освещенность может быть довольно большой, даже больше, чем от безоблачной атмосферы. Если индикатриса рассеяния такая, как на рис. 2, то свет рассеивается больше всего «вперед», то есть в сторону земной поверхности. Легко сообразить, что облако будет казаться более ярким вблизи Солнца. Если облако плотное и имеет большую толщину, то свет от одних капелек может падать на другие и на них снова рассеиваться: происходит вторичное и вообще многократное рассеяние света. При этом все больше и больше света отбрасывается «назад» и уходит бесполезно для Земли обратно в мировое пространство. Наблюдателю, летящему на самолете над такими мощными облаками, они будут казаться особенно светлыми и ярко-белыми; под ними в то же время будет темный, пасмурный день. Таким образом, тонкие облака дают большую освещенность земной поверхности, толстые и плотные — малую освещенность, серую, пасмурную погоду.

Какого цвета дневной свет?

Этот вопрос люди вряд ли часто задают себе. Но самое простое сравнение дневного света со светом обычной электрической лампы убеждает нас в том, что дневной свет—голубоватый, а электрический свет — желтоватый. Посмотрите в ясный зимний день на тени предметов, отброшенные на чистую поверхность снега, и вы увидите, что эти тени отчетливо голубые или даже лиловатые. Это — свет неба, голубоватый по сравнению со светом Солнца. Соссюр, много раз наблюдавший эти голубые тени на снегу, обратил внимание, что на самых высоких горах зимние тени уже не голубоватые, а почти черные: разреженный воздух гор рассеивает, очевидно, мало света и почти не освещает тех мест, которые затемнены от прямых лучей Солнца. В высоких горах, где Солнце очень ярко, тени кажутся особенно темными.

Когда Солнце вечером опускается и уходит под горизонт, небо окрашивается в яркие краски зари. Цвета ее зависят от окраски, приобретаемой солнечным лучом, прошедшим наклонно очень длинный путь в атмосфере: чем большую массу воздуха пронизывает этот луч, тем больше рассеивается, то есть теряется, голубых и фиолетовых лучей, тем более красный оттенок приобретает этот луч. Особенно это заметно, если в атмосфере имеются мельчайшие частицы дыма, столь мелкие (диаметром порядка 0,0001 миллиметра), что они рассеивают свет, почти как молекулы газов.

Когда этот «окрашенный» солнечный луч освещает из-под горизонта верхний слой атмосферы, на небе становятся видимыми цвета зари.

Если атмосфера замутнена более крупными частицами пыли или в ней плавают капельки тумана (диаметром 0,002 миллиметра и более), она приобретает беловатую или сероватую окраску: цвета эти тогда тускнеют и меркнут и их уже нельзя различить.

Вечером, когда Солнце заходит, долгое время сравнительно светло. Это — сумерки.

Предположим, что мы стоим на Земле в точке О (рис. 3). Солнечный луч из-под горизонта освещает слой атмосферы над нами. В более низких слоях, в М, атмосфера освещена лучами, уже прошедшими частично сквозь более плотный слой воздуха; более высокие слои в М освещены ярким светом Солнца, ничем не ослабленным. Если Солнце спустится низко под горизонт, атмосфера в М будет темнеть и светлым останется только самый верхний, разреженный слой воздуха в М1. Чем ниже за горизонт опускается Солнце, тем более тонкий слой разреженного воздуха над нашей головой освещается им, тем слабее сумеречный свет. Слои атмосферы выше 70 километров уже почти не рассеивают света, не создают освещения. Пока Солнце не опустится на 8 градусов под горизонт, еще можно читать без лампы или фонаря. Это время называется гражданскими сумерками. После окончания гражданских сумерек небо темнеет все более и более, — это время называется астрономическими сумерками. Когда Солнце опустится приблизительно на 18 градусов под,-горизонт и становятся видимыми уже самые слабые звезды, астрономические сумерки заканчиваются. Наступает ночь. Само собой разумеется, что перед восходом Солнца тоже наблюдаются сумерки, звезды начинают бледнеть, гаснуть, и небо светлеет задолого до восхода Солнца. Замечательно, что утренние сумерки длиннее вечерних. Наш глаз начинает ощущать появление слабого рассеянного света тогда, когда Солнце находится под горизонтом несколько глубже, чем в момент вечерних сумерек. Возможно, что это происходит из-за большей чувствительности нашего глаза ночью, когда он уже привыкнет к темноте.

Гражданские сумерки на юге гораздо короче, чем на севере: летом они продолжаются в Бухаре 38 минут, в Харькове 51, в Ленинграде 1 час 50 минут.

Всякий, кто бывал на юге, знает, как быстро темнеет там после захода Солнца. Это происходит потому, что дневной путь Солнца на юге круче и оно почти по отвесному пути опускается под горизонт, а на севере путь Солнца косо-наклонный: Солнце после захода медленно опускается и темнота наступает более медленно. Известно, какой контраст составляют длинные прозрачные сумерки севера с почти внезапным

наступлением темноты на юге. В середине лета ленинградцы знают и белые ночи, когда вечерняя заря встречается с утренней, и ночное небо не успевает потемнеть.

Какое значение имеют сумерки для науки? Должны ли мы принять их как простое следствие законов оптики атмосферы, или, наоборот, они могут помочь нам глубже проникнуть в физическую сущность этих законов?

Оказывается, сумерки дают нам в руки могучее средство проникнуть в некоторые тайны высоких слоев атмосферы. Академик В. Г. Фесенков еще более тридцати лет назад указал пути для такого исследования. В декабре 1915 года он сделал в Харькове ряд наблюдений за яркостью сумерек, которые вошли в историю как первый шаг сумеречного метода изучения высоких слоев атмосферы.

Но об этом методе вы уже знаете из очерка профессора Б. П. Дзердзеевского, так что здесь мы более не будем говорить о нем. Важно отметить только, что с тех пор сумеречные методы исследования высоких слоев атмосферы продолжают интенсивно разрабатываться в СССР (зарубежные ученые не освоили их). С помощью этих исследований удалось показать, что в атмосфере на высоте 40—50 километров имеется теплый слой с температурой до плюс 40—50 градусов. Сейчас метеорологи и физики — все согласны, что в атмосфере на высоте 40—50 километров существует на самом деле такой теплый слой.