Что мерцает в небе
Почему звезды мерцают?
Теперь, когда наступила зима и солнце заходит намного раньше, вы можете начать замечать предметы в ночном небе, которых раньше не видели. Может быть шоком видеть яркие мигающие огни в небе, чуть выше горизонта, похожие на НЛО!
Но на самом деле, это всего лишь яркие звезды, или, может быть, планета вроде Венеры, сияющая так ярко, что Вы можете видеть их невооруженным глазом. Итак, если мигающие огни не от НЛО, пытающегося общаться, то что же вызывает «мерцание» света?
Тогда вы замечаете, что есть и другие яркие звезды прямо над головой (в зените). Но их свет мигает не так сильно, как яркие звезды, расположенные низко на небе вдоль горизонта. Почему? Почему звезды мерцают больше в зависимости от их угла от горизонта?
Ответ прост! Воздух, который заставляет вас дышать и оставаться живым на Земле, также мешает вашему глазу и звездам. Когда свет распространяется из космоса в нашу атмосферу, он сталкивается с карманами воздуха, которые имеют разную температуру и, следовательно, разную плотность.
Более плотный и холодный воздух замедляет свет, заставляя его путь преломляться или изгибаться вместо того, чтобы оставаться прямым. Эти случайные изменения пути света вызывают изменение яркости и положения звезды на небе. Техническим термином, обозначающим этот эффект мерцания звездного света, является сцинтилляция.
Чем больше света проходит через воздух, тем более турбулентным становится полет, а значит, и более мерцающим свет. Свет от объектов прямо над головой (в Зените) проходит через меньшее количество воздуха по сравнению со звездами у горизонта, поэтому они мерцают меньше!
Затем вы замечаете, что Венера мерцает меньше, чем ближайшая яркая звезда низко на горизонте… Почему? Свет от звезды исходит с такого большого расстояния (скажем, на десятки световых лет), что ведет себя как точечный свет (точечный источник). Поскольку Венера намного ближе к Земле, чем звезда (около 6 световых минут), ее свет больше похож на крошечный диск, чем на точку. Более крупный объект в небе с большим количеством лучей света, попадающих на ваш глаз, усредняет изменения яркости и положения. Поэтому они выглядят менее искаженными по сравнению со звездой, которая представляет собой всего лишь один луч света, преломляемый воздухом.
То, где вы находитесь, также влияет на уровень турбулентности, с которой вы сталкиваетесь. Почему? Есть несколько преимуществ размещения больших телескопов и обсерваторий на вершинах гор, одним из которых является меньшая турбулентность! Чем выше ваша высота, тем меньше атмосферы между вашим прибором и звездами.
Но если вы хотите получить лучшее изображение звездного объекта, то поместите свой телескоп в КОСМОС! Есть несколько телескопов космического базирования, таких как телескоп Хаббл и телескоп Джеймса Уэбба (запуск которого запланирован на 2021 год), с помощью которых, находясь над атмосферой, можно получать звездные снимки высокого разрешения, невозможные с Земли.
Почему звезды мерцают и переливаются разными цветами?
Довольно часто звезды на небе заметно мерцают — вспыхивают, дрожат, быстро меняют яркость. Хотя мерцание звезд мешает проведению качественных астрономических наблюдений, благодаря этому явлению ночное небо кажется живым и близким.
Особенно заметно мерцание звезд в ветреные и морозные ночи, а летом сильное мерцание указывает на приближение сильного циклона. Зимой нередко звезды вдобавок переливаются разными цветами, подобно драгоценным камням на свету. Это относится прежде всего к звездам, находящимся невысоко над горизонтом. Так, ярчайшая звезда ночного неба, Сириус, мерцает и переливается разными цветами почти всегда, привлекая к себе повышенное внимание.
Даже самые красивые фотографии ночного неба не могут передать мерцание звезд. Фото: Руслан Мерзляков
В чем причина подобных явлений?
Мерцание и переливание звезд разными цветами — это не свойства, присущие самим звездам, а явления, порождаемые земной атмосферой. Воздушная оболочка нашей планеты неспокойна: массы воздуха находятся в постоянном движении — поднимаются и опускаются, сдвигаются в разные стороны. Кроме того, они имеют разную температуру и плотность в зависимости от высоты над поверхностью Земли, атмосферных течений и еще множества факторов. Как результат, в атмосфере образуются воздушные линзы и призмы, преломляющие и отклоняющие проходящий через них свет далеких небесных светил.
Но ведь это всего лишь воздух, можете возразить вы. Как он может играть роль призмы или линзы?
Свету все равно, что перед ним — твердый материал, воздух или жидкость. Свет неизбежно преломляется на границе двух сред, имеющих разную плотность. Чем больше разница в плотности, тем заметнее преломляется свет. Классические примеры — призма или стакан с водой. Ложка, стоящая в стакане, кажется надломленной из-за преломления света на границе воздуха и воды.
Так как воздушные массы в атмосфере имеют разную плотность в зависимости от высоты, течений, образующихся то тут то там ячеек Хэдли и других факторов, то они сами по себе способны играть роль таких призм и линз, пусть и довольно слабых. Когда свет звезды проходит через линзу, он приходит к нам усиленным, когда отклоняется — приходит ослабленным. Это быстрое колебание света мы и называем мерцанием.
Почему звезды мерцают и переливаются разными цветами. Источник: Natskies Observatory
Что касается переливания звезд разными цветами, то и здесь причиной является циркуляция воздуха в атмосфере. На примере обычной призмы видно, что свет разной длины волны искривляется по-разному. То же происходит и со светом звезды, когда он проходит сквозь воздушные призмы. Но до нас доходит то один цвет, то другой, то третий. Если фотографировать такую дрожащую и мерцающую разными цветами звезду очень короткими экспозициями, то на фотографиях мы увидим буквально всю палитру цветов!
Звезды мерцают гораздо сильнее у горизонта, чем в зените, поскольку их свет проходит через большую толщу воздуха. Рисунок: Bob King / Большая Вселенная
Нам осталось лишь объяснить, почему звезды, расположенные низко над горизонтом, мерцают и переливаются разными цветами гораздо сильнее, чем звезды вблизи зенита. Объяснение на удивление просто: прежде чем дойти до наших глаз, свет от низко расположенных звезд проходит через бо́льшую толщу атмосферы! Соответственно, и искажается он гораздо сильнее.
А в космосе звезды тоже дрожат и мерцают? Конечно, нет! Летая по орбите вокруг Земли за пределами плотных слоев атмосферы, космонавты наблюдают ровный и спокойный свет звезд.
Что мерцает в небе
Почему звёзды мерцают?
«Интеллектуальные орудия, без которых было бы невозможно развитие современной техники, пришли в основном от наблюдений звёзд»
Глядя на ночное небо в ясную погоду, можно видеть, что оно усыпано тысячами звёзд, которые различны по цвету и яркости. Кажется, что звезда, то вспыхивает, то угасает, то её цвет становится более красноватым, то более зеленоватым.
«Большие звезды переливают голубыми, белыми, золотыми огнями; у звезды Сириус лучи как реснички; а посреди неба звезды, мелкие и крупные, и звездный песок — все сбито вместе в морозно-сверкающий плотный туман, в причудливо-неровную полосу, переброшенную через улицу, как мост, — этот мост называется Млечный Путь.»
Мерцание звезд – одно из самых удивительных явлений. Какова же природа такого явления? Астрономы сделали интересное открытие: мерцание звёзд никак не связано с их изменениями. Мерцание звезд обусловлено атмосферной рефракцией. Рефракция света в атмосфере [позднелат. refractio — преломление, от лат. refractus — преломленный (refringo — ломаю, преломляю)], атмосферно-оптическое явление, вызываемое преломлением световых лучей в атмосфере и проявляющееся в кажущемся смещении удалённых объектов, а иногда и в кажущемся изменении их формы. Некоторые частные проявления рефракции, например, сплюснутая форма дисков Солнца и Луны у горизонта, мерцание звёзд, дрожание далёких земных предметов в жаркий день, были замечены уже в древности.
Мерцание, дрожание, изменение цвета, вспышки — все эти явления происходят из-за того, что мощный свет далеких звезд проходит через земную атмосферу. Она состоит из разных слоев, которые отличаются плотностью, температурой и коэффициентом преломления: лучи света много раз меняют свое направление, из-за этого мы и наблюдаем мерцание звезд. Если бы движений воздуха не происходило, то и мерцания не наблюдалось бы, даже от самой далёкой звезды в космосе.
Еще древние заметили, что на небе есть объекты, непохожие на другие. Пять светящихся точек движутся среди звезд и отличаются от них ровным светом. Это пять видимых невооруженным глазом планет: Меркурий, Венера, Марс, Юпитер, Сатурн. Планеты Солнечной системы не так сильно удалены от Земли по сравнению со звездами, они — наши ближайшие соседи. Мы видим их как диски, а не как мерцающие точки. На самом деле, они тоже мерцают, но мерцание это происходит не в одной точке, как у далеких звезд, свет которых доходит до нас в виде пучка, а по всей поверхности. В итоге мы воспринимаем свечение планет как ровное. Поэтому звезды постоянно мерцают, а планеты сияют ровным светом?
Звезды обладают таким мощным свечением, преодолевающим огромные расстояния, потому что в них постоянно происходят термоядерные реакции. Планеты — это твердые тела, они не излучают свет самостоятельно, а только отражают тот, что исходит от звезды, вокруг которой они вращаются.
По материалам С.В.Зверева «В мире солнечного света».
Почему звезды мерцают и переливаются разными цветами?
Причины свечения небесных тел
Звезды и другие космические объекты, которые человек способен видеть невооруженным глазом в ночное время, — это небесные тела, имеющие гигантские размеры. Их невозможно оценить с земли, они кажутся миниатюрными точками, но на самом деле, их свечение настолько яркое, что преодолевает огромное расстояние до поверхности планеты.
Звезды имеют преимущественно форму неправильного шара, неровные края, а состоят из газа. Внутри них происходит непрекращающаяся термоядерная реакция. Из-за постоянно протекающих процессов газовое содержимое накаляется, возникает свечение. На самом деле, излучение — это относительно ровный и непрерывный поток. Иллюзию мерцания можно увидеть, находясь только на поверхности Земли.
Проходя через атмосферу, лучи преодолевают огромное расстояние, барьер между космосом и планетой. Эта дистанция характеризуется неоднородным составом, все слои имеют разную температуру и показатели плотности, что способствует многократному преломлению света. Благодаря таким физическим процессам, человек может наблюдать такой необычный оптический эффект, как звездное мерцание.
Однако если наблюдать за небесными телами с другого ракурса, например, с поверхности Луны, некоторых других планет или с борта космического корабля, то можно увидеть, что звезды не моргают. Это объясняется полным отсутствием атмосферы, свечение космических тел становится непрерывным и ровным.
Атмосфера разнородна не только по плотности, она еще и постоянно движется:
Движение атмосферного состава способствует рассеиванию и разложению свечения на спектры, при этом преломляя их. Физики объясняют это, как работу кривой линзы с изменяющимся углом. Другими словами, человек смотрит на звезды сквозь огромную призму.
Наиболее ярко и разными цветами переливаются те небесные тела, которые расположены не слишком высоко над горизонтом. Самой яркой звездой, привлекающей к себе внимание практически в любое время года, является Сириус. А согласно народным приметам, летом сильное мерцание указывает на приближающееся резкое изменение погоды из-за сильного циклона.
Необычайно красивое свечение мешает ученым проводить астрономические наблюдения, однако именно это явление позволяет небу выглядеть таким близким и живым.
Зависимость оттенка мерцания от температуры
Прежде всего, стоит отметить, что каждая из звезд имеет собственный цвет. Этот параметр зависит от температурных показателей и интенсивности происходящей внутри термоядерной реакции. Чем больше градус, тем ближе оттенок небесного тела к голубоватому или белому. Именно они являются самыми горячими, превосходя даже солнечную поверхность. Желтые и красные звезды холоднее.
Пронаблюдать смену цветов при нагревании можно на примере накаливания металлической поверхности. По мере нагрева окраска исходного материала будет меняться от ярко-красного до ослепительно белого при самой высокой температуре. В зависимости от того, какой свет испускают небесные тела, астрономы определяют их приблизительный возраст:
Так, Солнце, имеющее ярко-оранжевое свечение, на сегодняшний день можно отнести к «средневозрастной категории». Именно такой теорией ученые объясняют, почему звезды мерцают разными цветами.
Особенности излучения планет
Следует иметь в виду, что не все космические объекты, заметные на ночном небосводе, имеют способность загадочно мерцать и сверкать. Планеты не излучают свет, их можно отличить по внешнему виду даже издалека: они имеют форму не точек, а горящего диска с четко очерченными, ровными краями. Это звезды, которые миллионы лет назад погасли и в составе которых уже нет газа.
Сами по себе планеты не светятся, а только являются поверхностью для отражения лучей расположенного рядом небесного тела. В известной человеку системе таковым является Солнце.
Еще один признак, по которому планеты можно отличить невооруженным глазом, — их перемещение на фоне звездного неба. С Земли без профессиональных приборов хорошо видны Юпитер и Венера с желтоватым свечением, иногда появляется Марс с характерным красным диском. Другие погасшие космические гиганты можно наблюдать только при помощи астрономической техники.
К счастью, любоваться красотой небосвода, зная, почему мигают звезды, и как их отличить от планет, можно без приборов. Безоблачной ночью в местах, где нет ярких городских огней, это удивительное явление восхищает и завораживает, успокаивает и заставляет мечтать.
10 необычных огней, появляющихся в небе
От огней Святого Эльма до ионосферного свечения, в атмосфере Земли образуется масса диковинных светящихся шаров и других эффектов, некоторым из которых — за долгое их пребывание в мифологическом сознании — не нашли объяснения и до сих пор. Давайте познакомимся с аномалиями атмосферы и отсеем вымысел от правды.
Огни Святого Эльма
Атмосферный ученый Стив Акерман из Университета Висконсин-Мэдисона в США был очарован огнями Святого Эльма с того момента, когда его брат с ними столкнулся. Брат Акермана в плохую погоду работал над медными трубами в подвале своего дома. «Гроза пришла в этот район, и в какой-то момент над множеством труб было голубоватое свечение, — говорит Акерман. — Тогда я начал поиски того, что его вызывает».
Грозовые тучи создают сильное электрическое поле, поскольку есть сильная разница в электрических зарядах между облаком и землей, которую иногда можно почувствовать в качестве статического электричества. Это поле может быть усилено остроконечными предметами, вроде металлической трубы или мачты корабля.
Если это электрическое поле станет достаточно сильным, оно разорвет молекулы воздуха на электрически заряженные частицы. Эти газы станут «плазмой» и будут испускать свечение.
Аналогичное свечение плазмы можно создать в лаборатории, используя острые или вытянутые объекты для усиления электрического поля. И все же Акерман хочет наблюдать огни Святого Эльма в природе. «Я пока не видел их самостоятельно, но продолжаю искать».
Блуждающие огни
Луиджи Гарлачелли из Университета Павии в Италии хотел бы изучить блуждающий огонек в природе. Но пока непонятно, что изучать.
«Существует риск, что мы ищем что-то, чего даже не существует, — говорит Гарлачелли. — Мы должны верить или надеяться, что все свидетельства блуждающего огонька указывают на реальное явление».
Если бы блуждающий огонек действительно был природным процессом, есть несколько возможных объяснений, которые Гарлачелли мог бы проверить. К примеру, связь с болотистой местностью предполагает, что этот свет появляется вследствие горения болотного газа, чаще всего метана. Впрочем, неизвестно, что приводит к возгоранию газа.
Кроме того, вполне может быть, что все сообщения вымышлены; огоньки были игрой воображения или галлюцинациями, либо отблеском Луны или других огней, которые наблюдатели истолковали неправильно.
Свечение во время землетрясений
«Вы могли бы стать в середину светящегося шара, — говорит Фридеманн Фройнд из института SETI при NASA в Маунтин-Вью, штат Калифорния. — Возможно, ваши волосы наэлектризовались бы, у вас был бы ореол, как у святого. Но ничего бы не горело. Вам было бы весело, но вы бы не пострадали».
Вот что было бы, окажись вы в середине свечения во время землетрясения.
Это свечение представляет собой плазменный разряд, который происходит, когда конкретный тип породы находится под напряжением и создает электрический заряд, говорит Фройнд. «Мы считаем, что когда камни сжимаются вместе очень быстро, заряд высвобождается в виде плазменного разряда из породы».
Он может быть самой разной формы, вида и цвета.
Свечение землетрясений, которое рождается, как ни странно, во время землетрясений, появляется в виде вспышек света, выходящих из-под земли на площади в несколько километров. Они могут подниматься на 200-300 метров в небо на долю секунду, одно за другим.
За последние годы избыток камер безопасности привел к появлению красивых видео, заснявших этот свет.
«Лучшие записи пришли из Перу, — говорит Фройнд. — Мой друг из местного университета прислал запись во время землетрясения силой в 8 баллов на юге Лимы. Сначала прошла ударная волна, а чуть позже появилась серия вспышек».
Шаровая молния
В 2012 году группа ученых изучала обычные молнии в активном грозовом регионе плато Цинхай в Китае. Внезапно перед ними появился шар света диаметром в 5 метров. Он горел белым и красным несколько секунд, после чего исчез.
Это был первый случай природной шаровой молнии, которую удалось изучить. Ученые записали спектр света, которым обладал шар, и проанализировали его в надежде обнаружить, из чего состоит это загадочное явление.
Эти нити чрезвычайно реактивны и горят на воздухе, образуя оранжевое свечение, которое удалось измерить ученым. Впрочем, споры о происхождении шаровой молнии ведутся и до сих пор, а число возможных теорий давно перевалило за десяток.
Зеленый свет
Атмосфера расщепляет белый свет Солнца на отдельные цвета, подобно призме: красный изгибает сильнее, чем оранжевый, оранжевый сильнее, чем желтый, и так далее. Поскольку красный подвергается самому сильному искривлению, он, кажется, первым уходит за горизонт, за ним следуют оранжевый, желтый и зеленый.
Цвета после зеленого — голубой, синий и фиолетовый — сильно рассеиваются газами в атмосфере. Поэтому небо оказывается синим. И поэтому последний цвет, который можно увидеть, когда Солнце уходит за горизонт, это зеленый.
Обычно этот эффект очень слабый. Чтобы последние зеленые лучи были видимы, должен также появиться мираж, из-за которого Солнце кажется больше, чем обычно. Эти миражи также могут заставить Солнце двигаться в мерцающих волнах, пока оно почти жидкое будет выливаться за горизонт.
Горизонт океана чаще всего производит лучшие миражи для наблюдения зеленого света.
Восходящие молнии
Установив камеры на вершине Эмпайр Стейт Билдинг в Нью-Йорке в 1935 году, Карл Макичрон из General Electric Company записал нечто странное. Молнии двигались не из облаков на землю, а скорее стреляли вверх от зданий в грозовые облака.
Метеорологи сейчас знают, что примерно одна из тысячи молний бьют вверх. Но несмотря на десятилетия исследований по восходящим молниям, их точный механизм остается загадкой.
Фотограф, снимающий грозы, Том Уорнер изучает механизм образования восходящих молний в Школе шахтной промышленности и технологий Южной Дакоты в Рапид-Сити, США. Его и другие исследования показали, что есть два разных типа восходящих молний. Оба они нуждаются в высокой структуре вроде небоскреба или ветряной турбине.
Первый тип требует наличия поблизости сначала обычного удара сверху вниз. Внезапное разрушение электрического поля приводит к тому, что «молния-лидер», канал положительного или отрицательного заряда, проходит в область грозовой тучи с противоположным зарядом.
Второй тип не требует нисходящего удара молнии поблизости и может уходить вверх спонтанно.
Уорнер изучал и снимал эти редкие явления с тех пор, как был очарован восходящей молнией в 2004 году. Чтобы сделать свои снимки и получить данные, он направляет бронированный самолет прямо в сердце бури.
«Возможность чувствовать бури так близко и даже изнутри совершенно невероятна, — говорит Уорнер. — Это сложно и требует мощного сосредоточения. Каждый раз, когда я пролетаю через бурю, я убеждаюсь в том, что это не место для самолета».
Спрайты
Очень большие грозы могут производить такие явления, название которым спрайты (sprites). «Очень интенсивные, — говорит Мартин Фюллекруг из Университета Бата в Великобритании. — Гроза должна произвести особый вид вспышке, и он весьма редкий. Может быть, одна вспышка из тысячи произведет спрайт».
Эти вспышки должны убирать много электронов из грозовой тучи. Чтобы образовался спрайт, необходим длинный, медленный ток, и такие токи могут образоваться в крупных грозовых системах, достигающих 100 километров в поперечнике.
Неуловимость этих мощных красных вспышек обеспечила им их неземное имя, взятое из шекспировского «Сна в летнюю ночь». Но по мере того, как падают цены на мощные камеры, спрайты попадаются на них все чаще и чаще.
Даже обычная камера с хорошим ночным видением может сделать низкокачественный снимок. Любители понаблюдать за метеорами тоже часто собирают данные о спрайтах.
Эльфы
«Эльфы» появляются в 80-100 километрах над землей и очень отличаются от спрайтов. «Это расширяющиеся кольца света, — говорит Фюллекруг. — Они похожи на пончики из космоса, с черной дырой посередине, и вытягиваются на 1000 километров или около того».
ELVES мимолетны, живут меньше миллисекунды. Грозовые условия, необходимые для создания «эльфа», включают особый тип молний, с резким повышением тока. В отличие от спрайтов, чтобы получить «эльфа», разряд должен быть очень четким, поэтому два этих события редко встречаются одновременно. ELVES встречаются чаще спрайтов, примерно одна из сотни вспышек молний производит один. Рождаются они в больших и малых грозах, поскольку быстрый ток может появиться в любую бурю.
Из-за своей интенсивности это явление преимущественно белое и очень, очень быстрое. Обнаружить его невооруженным глазом практически нереально.
Синие джеты, гигантские джеты
«Синие джеты — это своего рода загадка», — говорит Фюллекруг.
Первая проблема в том, что они синие. Синие атмосферные феномены трудно изучать с земли, поскольку атмосфера отлично рассеивает синий свет. Также они очень узкие и редкие.
«Мы не знаем идеальных условий, в которых образуются синие джеты, — говорит Фюллекруг. — Одна идея состоит в том, что когда грозы поднимаются очень высоко, они пронизывают тонкие слои атмосферы выше». У штормов имеются мощные восходящие потоки, которые выталкивают их выше обычных высот. «Когда это происходит, может появиться синий джет, но мы не уверены наверняка».
Ученые точно знают, что существует и другое явление, гигантский джет, которое напоминает гибрид синего джета и спрайта. Это широкие, клиновидные потоки света, которые легко разглядеть. Они могут жить 10-100 миллисекунд, то есть исчезают намного медленнее других грозовых явлений.
«Есть замечательные примеры гигантских джетов, которые появляются у берегов Африки, — говорит Фюллекруг. — Но гигантские джеты довольно редкие. Возможно, один из десяти или сотни спрайтов может соединиться с синим джетом и образовать гигантский».
Полярные сияния
Частицы от Солнца скользят по контурам магнитного поля по направлению к полюсам. Когда они достигают верхних слоев атмосферы, то взаимодействуют с газами. Частицы могут дать молекуле воздуха достаточно энергии, чтобы те испустили электроны и светились в диапазоне цветов.
«Полярные сияния могут иметь много форм и структур, в зависимости от того, что делает магнитосфера, — говорит Чарльз Свенсон из Университета штата Юта в Логане, США. — Могут быть дуги, полосы, бисер, любое название из мира форм. Все смешивается, когда происходят эти драматические события».
Земля не единственная планета с сияниями. «Все, что вам нужно, это солнечный ветер, обдувающий планету, которая имеет газы и магнитное поле», — говорит Свенсон. Сияния видны на Юпитере и Сатурне, хотя газы их атмосфер очень отличаются.
У сияний имеется также невидимый компонент, которым интересуется Свенсон. Заряженные частицы солнечного ветра вызывают электрический ток в сиянии, который трудно изучать с земли. В 2015 году Свенсон запустил ракету к сиянию, чтобы измерить эти невидимые элементы.
«Вопрос в том, двигаются и танцуют ли невидимые части сияния так же быстро, как видимые? — говорит он. — Мы в самом начале, но думаю, что ответом будет: да».