Реферат / Свечение ночного неба

Сомнений полон ваш ответ

О том, что окрест ближних мест.

Скажите ж, коль пространен свет?

И что малейших дале звезд?

М.В.Ломоносов

Свечение ночного неба складывается из атмосферной и внеатмосферной составляющих. Основные компоненты атмосферной составляющей свечения ночного неба: собственное свечение верхней атмосферы и рассеянный атмосферный свет земного и внеземного происхождения. Внеземная составляющая включает суммарное излучение звёзд и межзвёздного газа, зодиакальный свет, противосияние. [2]

Освещенность лунным светом.

В ночные часы земная поверхность освещается рядом источников. Среди них самым сильным, посылающим больше всего света на Землю является Луна. В безлунные ночи земная поверхность получает свет, исходящий от ночного неба. Общий свет, поступающий от всех источников в отсутствие Луны, называют свечением ночного неба.

Максимальная освещенность, которую полная Луна, находящаяся в зените, создает на земной поверхности при средней прозрачности атмосферы, составляет около 0,25 лк. Обычно освещенность лунным светом, если Луна в зените, не превышает 0,1 лк, а в первой и последней четвертях составляет только 0,03 ― 0,04 лк. Освещенность, создаваемая «молодой» Луной, больше, чем освещенность, создаваемая «старой», примерно на 20%, что обусловлено неравномерным распределением пятен на лунной поверхности.

Яркость лунного диска создается отраженным солнечным светом. Всего несколько десятитысячных долей процента солнечной. А ведь и в лунную ночь кажется светло, как будто все вокруг достаточно хорошо освещено. Иллюзию света создает наш глаз с его удивительной способностью адаптации на низкие уровни освещения.

Звездный свет.

Рассмотрим другие источники освещения земной поверхности в ночное время. В самые первые минуты, когда мы только покинули освещенное помещение, мы видим лишь самые яркие звезды. Постепенно, по мере того как глаз привыкает к темноте, начинаем различать и более слабые звезды. Проходит еще несколько минут, и звезд мы видим все больше и больше. А там временем строение и другие предметы, окружающие нас на Земле, которые мы воспринимали сначала в виде едва различимых силуэтов, становятся видны уже довольно отчетливо.

Все наземные предметы в безлунную ночь освещены звездами. В литературе часто употребляется выражение «мириады звезд». Однако «мириады» — преувеличение. В действительности оказывается, что даже при самой большой прозрачности атмосферы в темную ночь невооруженным глазом можно увидеть и различить на половине небосвода доступной наблюдению (другая находится за горизонтом), около 2000 звезд. Близко расположенные звезды мы мысленно объединяем в созвездия. В расположении отдельных групп звезд человек с древнейших времен искал и угадывал знакомые ему очертания людей, животных, предметов. Так возникли названия созвездий: Большая Медведица, Геркулес, Кит и другие. На всем небосводе 88 созвездий. В средних широтах одновременно можно видеть не более 20.

Действительное годовое движение Земли вокруг Солнца относительно неподвижного небосвода приводит к тому, что наблюдатель на Земле видит Солнце на фоне разных созвездий. Пояс на небесной сфере, вдоль которого осуществляется видимое годовое движение Солнца, называется поясом Зодиака, а линия видимого годового пути Солнца называется эклиптикой. «Зодиак» по-гречески означает «звериный круг». В него входят 12 зодиакальных созвездий. В древние времена (более 4000 лет назад) все зодиакальные созвездия имели названия животных. В ясные безлунные ночи на небосводе видно скопление звезд в виде светлой полосы с неровными краями, будто разлитое по темному небу молоко. Это Млечный Путь или наша Галактика. «Галактика» в переводе с греческого тоже означает «молочный» В области Млечного Пути находится подавляющее большинство ярких звезд. [1] Млечный путь, туманное свечение на ночном небе от миллиардов звезд нашей Галактики. Полоса Млечного Пути опоясывает небосвод широким кольцом. Особенно хорошо Млечный Путь виден вдали от городских огней. В Северном полушарии его удобно наблюдать около полуночи в июле, в 10 часов вечера в августе или в 8 часов вечера в сентябре, когда Северный Крест созвездия Лебедь находится вблизи зенита. Следуя взглядом за мерцающей полосой Млечного Пути на север или северо-восток, мы минуем созвездие Кассиопеи (в форме буквы W) и движемся в сторону яркой звезды Капелла. За Капеллой можно увидеть, как менее широкая и яркая часть Млечного Пути проходит чуть восточнее Пояса Ориона и склоняется к горизонту невдалеке от Сириуса – ярчайшей звезды на небе. Наиболее яркая часть Млечного Пути видна на юге или юго-западе в то время, когда Северный Крест находится над головой. При этом видны две ветви Млечного Пути, разделенные темным промежутком. Облако в Щите, которое Э. Барнард называл «жемчужиной Млечного Пути», располагается на полпути к зениту, а ниже видны великолепные созвездия Стрелец и Скорпион. К сожалению, самые яркие части Млечного Пути недоступны для наблюдателей Северного полушария. Чтобы увидеть их, нужно отправиться к экватору, а еще лучше – расположиться между 20 и 40° ю.ш. и наблюдать небо ок. 10 ч вечера в конце апреля или начале мая. Высоко на небосводе расположен Южный Крест, а низко на северо-западе виден Сириус. Между ними проходит неяркий и узкий Млечный Путь, но он становится намного ярче и интереснее в 30° к западу от Южного Креста, в созвездии Киля. По мере того как на востоке поднимаются Стрелец и Скорпион, появляются самые яркие и великолепные части Млечного Пути. Наиболее замечательная его область видна поздним вечером в июне-июле, когда Облако Стрельца расположено вблизи зенита. На фоне однородного свечения, вызванного тысячами и тысячами не различимых для глаза далеких звезд, можно заметить темные облака и «прожилки» холодной космической пыли. Каждый, кто хочет понять строение нашей Галактики, должен найти время для наблюдения Млечного Пути – этого поистине замечательного и наиболее грандиозного из небесных явлений. Чтобы различить мириады звезд, составляющих Млечный Путь, достаточно бинокля или небольшого телескопа. Наибольшая концентрация звезд и максимальная ширина Млечного Пути наблюдаются в созвездиях Стрельца и Скорпиона; наименее населен звездами он на противоположной стороне неба – вблизи Пояса Ориона и Капеллы. Точные астрономические наблюдения подтверждают первое визуальное впечатление: полоса Млечного Пути отмечает центральную плоскость гигантской дискообразной звездной системы – нашей Галактики, которую часто называют «галактика Млечный Путь». Одной из ее звезд является наше Солнце, расположенное очень близко от центральной плоскости Галактики. Однако Солнце находится не в центре галактического диска, а на расстоянии двух третей от его центра к краю. Звезды, составляющие Млечный Путь, находятся от Земли на разных расстояниях: некоторые не далее 100 св. лет, а большинство удалено на 10 000 св. лет и даже дальше. Звездное облако в Стрельце и Скорпионе отмечает направление на центр Галактики, находящийся от Земли приблизительно на расстоянии 30 000 св. лет. Диаметр всей Галактики составляет по крайней мере 100 000 св. лет. Состав Млечного Пути. Галактика состоит в основном из звезд, более или менее подобных Солнцу. Одни из них в несколько раз массивнее Солнца и светятся в несколько тысяч раз ярче, другие – в несколько раз менее массивны и светятся в несколько тысяч раз слабее. Солнце, по многим параметрам, – средняя звезда. В зависимости от температуры поверхности звезды имеют разный цвет: бело-голубые звезды самые горячие (20 000–40 000 К), а красные – наиболее холодные (ок. 2500 К)Часть звезд образует группы, называемые звездными скоплениями. Некоторые из них видны невооруженным глазом, например Плеяды. Это типичное рассеянное скопление; обычно такие скопления содержат от 50 до 2000 звезд. Кроме рассеянных скоплений существуют значительно более крупные шаровые скопления, содержащие до нескольких миллионов звезд. Эти скопления существенно различаются по возрасту и звездному составу. Рассеянные скопления сравнительно молоды: их типичный возраст ок. 10 млн. лет, т.е. ок. 1/500 возраста Земли и Солнца. Они содержат много массивных ярких звезд. Шаровые скопления очень стары: с момента их формирования прошло 10–15 млрд. лет, т.е. они состоят из наиболее старых звезд Галактики, среди которых сохранились лишь маломассивные. Рассеянные скопления расположены вблизи галактической плоскости, где много межзвездного газа, из которого формируются звезды. Шаровые скопления заполняют галактическое гало, окружающее диск, и заметно концентрируются к центру Галактики. Масса Галактики не менее 2Ч1011 масс Солнца. В основном это газ и пыль. Межзвездное вещество заполняет пространство между звездами в галактическом диске толщиной ок. 600 св. лет, причем внутри диска оно концентрируется к спиральным рукавам Галактики. Значительная часть межзвездного вещества объединена в массивные холодные облака, в недрах которых формируются звезды. Галактика Млечный Путь – одна из сотен миллионов подобных ей звездных систем, обнаруженных во Вселенной с помощью крупных телескопов. Ее часто называют «нашей звездной системой». Она относится к крупным галактикам, имеющим быстрое вращение и четкие спиральные рукава, в которых сконцентрированы молодые горячие звезды и разогретые их излучением облака газа, называемые «эмиссионными туманностями». С помощью оптических телескопов не удается изучить всю Галактику, поскольку свет не проникает сквозь плотные межзвездные облака газа и пыли, которых особенно много в направлении к центру Галактики. Однако для инфракрасного излучения и радиоизлучения пыль не помеха: с помощью соответствующих телескопов удается исследовать всю Галактику и даже пробиться к ее плотному ядру. Наблюдения показали, что звезды и газ в галактическом диске движутся со скоростью около 250 км/с вокруг центра Галактики. Наше Солнце вместе с планетами тоже движется с такой скоростью, совершая один оборот вокруг галактического центра примерно за 200 млн. лет. [4] Атмосфера освещает Землю? В результате исследований было установлено, что света только одних звезд для создания наблюдаемой на Земле освещенности явно не достаточно. Была высказана гипотеза (Вихерт), что непрерывный зеленый свет посылает источник, находящийся в земной атмосфере.

Подтвердить справедливость гипотезы Интема и сделать окончательное открытие важного источника освещения земной поверхности ночью удалось только через 10 лет, в 1919 г., английскому астроному Слайферу. Еще в 1915 г., фотографируя спектр Млечного Пути несколько ночей подряд, Слайфер обнаружил на всех пластинках зеленую линию, типичную для полярных сияний. Но свои измерения он проводил на широте 35°12’, где полярные сияния наблюдаются крайне редко — в среднем один раз за много лет. Слайфер продолжал свои наблюдения еще четыре года, сделал множество снимков во всех частях неба и всюду находил зеленую линию. Яркость линии была тем больше, чем ближе к горизонту производилось фотографирование. Оставалось сделать вывод, что весь небосвод каждую ночь излучает непрерывный свет, подобный свету полярных сияний. Так было открыто ночное свечение атмосферы!

Ночное свечение атмосферы представляет собой свечение разреженных газов (люминесценцию), составляющих воздух на высотах от 80 до 300 км. По физической природе оно аналогично свечению разреженных газов в газосветных рекламных трубках (красный свет — это свечение неона, зеленый ― паров ртути и т.д.). Спектр свечения атмосферы является довольно сложным. Он состоит из большого числа линий и полос в видимой, инфракрасной и ультрафиолетовой областях спектра, а также слабого непрерывного участка спектра, называемого континуумом. В видимой части спектра самыми яркими линиями являются линии излучения атомарного кислорода. Это, прежде всего, знаменитая зеленая линия, благодаря которой и открыли свечение атмосферы. Зеленая линия постоянно присутствует и в спектрах полярных сияний, придавая им зеленоватую окраску.

Полярные сияния Формы сияний разнообразны. Они могут быть неподвижными в виде диффузного свечения неба либо пульсирующей по яркости дуги, ленты или поверхности. Подвижные сияния более красивы: часто они имеют вид складок гигантского занавеса (драпри), одиночных лучей или связанных в пучки, встречается коронообразная форма и другие. (рис.10.1) Полярное сияние ― явление, родственное ночному свечению атмосферы. Это также свечение разреженного воздуха на высотах от 80—100 км и чаще до 400 км. Иногда полярные сияния достигают больших высот: 1000― 1100 км. Спектры полярных сияний имеют сходство со спектрами ночного свечения атмосферы, так как в обоих случаях светятся в основном одни и те же газы, составляющие воздух. Но мёжду ними есть и много различий в спектрах, поскольку у них различаются механизмы возбуждения свечения и высоты светящихся слоев. Причиной полярных сияний являются корпускулярные потоки протонов и электронов, вторгающиеся в атмосферу Земли, главным образом от Солнца. Эти непрерывно идущие от Солнца потоки заряженных частиц называют солнечным ветром. Энергия протонов солнечного ветра составляет несколько сотен электронвольт, а электронов —20—30 тыс. эВ.

Солнечный ветер — это, по существу, поток солнечной плазмы из постоянно расширяющегося наружного слоя самого Солнца — солнечной короны. Потоки заряженных частиц из солнечной короны пронизывают все околосолнечное пространство, они непрерывно обдувают и нашу Землю. Потоки солнечного ветра, вторгаясь в верхние слои земной атмосферы, деформируют магнитное поле Земли, нарушая его нормальное состояние. На дневной стороне магнитные силовые линии сгущаются, сжимаются, а на ночной — вытягиваются на миллионы километров, создавая огромный шлейф. Магнитосфера Земли становится похожей на комету с длинным- длинным хвостом. Поэтому полярные сияния всегда сопровождаются магнитными бурями и нарушением состояния верхних ионизированных слоев атмосферы — ее магнитосферы. С земной поверхности производят фотографирование спектров полярных сияний с последующей их расшифровкой, т. е. установлением, какие линии и полосы в спектре каким газам принадлежат и какова их относительная интенсивность. Специальным фотоаппаратом — камерой всего неба - чрез короткие интервалы времени (1 мин) автоматически фотографируют положение и площадь, занимаемую полярным сиянием на небосводе. Используют также сканирующие фотометры, перемещающиеся по небосводу и измеряющие яркость сияния по участкам. Полярное сияние кажется ярким. В действительности, даже при самом сильном полярном, сиянии сквозь него всегда видны звезды. А его кажущаяся большая яркость является результатом хорошей адаптации глаза на низкий уровень освещения. Зодиакальный свет и противосияние. Скопления вещества встречаются во Вселенной в самых разнообразных размерах — от электронов и атомов до метеоров, астероидов, комет, планет, звезд и т. д. В рассеянии света наибольшая роль принадлежит скоплениям мелких частиц межпланетной и межзвездной пыли. Межпланетная пыль распределена по всему пространству Солнечной системы неравномерно. Основное ее количество концентрируется в плоскости эклиптики. Это скопление пыли, заполняющей межпланетное пространство между Землей и Солнцем, называется зодиакальным пылевым облаком. Рассеяние солнечного света на пылинках этого облака создает зодиакальный свет. Зодиакальный свет имеет вид светового конуса, вытянутого вдоль эклиптики от горизонта к зениту. Широкая и наиболее яркая часть конуса находится у горизонта. Зодиакальный свет лучше всего виден у западного горизонта в конце и после вечерних сумерек и у восточного перед рассветом при углах погружения Солнца под горизонт 15—30°. Спектр зодиакального света оказался таким, как солнечный. Это говорит о том, что свечение в зодиакальном свете является отраженным или рассеянным солнечным светом. [1]

Зодиакальный свет можно видеть лишь в ясные безлунные ночи вдали от городских огней. Визуально он обычно обнаруживается на угловом расстоянии от 30° до 90° от Солнца. [1]Жителям северного полушария для вечерних наблюдений больше всего подходят февраль и март. [3] В экваториальных областях Земли свечение становится заметным в западной части неба вскоре после наступления темноты, примерно через час после захода Солнца. Оно имеет вид конуса, сужающегося с удалением от горизонта, постепенно теряющего яркость и переходящего в зодиакальную полосу – слабо светящийся пояс шириной около 10°, едва различимый на фоне ночного неба и тянущийся вдоль всей эклиптики, соединяя собой обе ветви зодиакального света – западную и восточную. В области неба, противоположной Солнцу, зодиакальная полоса несколько расширяется, и ее свечение усиливается, создавая противосияние. В конце тропической ночи, перед рассветом на востоке из-за горизонта появляется вершина конуса, и зодиакальный свет поднимается все выше. За час до восхода Солнца небо начинает светлеть, и слабый зодиакальный свет становится незаметен. Для наблюдателей средних широт конус зодиакального света сильно наклонен к горизонту, поэтому заметить его труднее. Лучше всего он виден в феврале-марте после окончания вечерних сумерек и в сентябре-октябре перед утренними сумерками. В летние ночи он наблюдается в виде диффузного свечения у северного горизонта. Конусы зодиакального света в 2–3 раза ярче фона ночного неба вне Млечного Пути. В среднем в видимой области спектра зодиакальный свет вносит около 15% в общее излучение ночного неба. [3]

Космонавтами была обнаружена лучевая структура зодиакального света. Лучевая структура, по видимому, обусловлена прохождением метеорных потоков. [1]

Источником мелких частиц, заполняющих Солнечную систему, служат разрушающиеся ядра комет и столкновения тел в поясе астероидов. [3]

Примерно на 40º вокруг антисолярной точки простирается слабое диффузное свечение эллиптической формы. Это противосияние. Оно имеет зеленоватую окраску, аналогичную окраске свечения ночного неба или полярных сияний. Оно похоже на свечение газов, в основном азота и кислорода. [1] Противосиянием называется туманное светлое пятно, которое иногда можно увидеть в диаметрально противоположной Солнцу точке небесной сферы. Это - одно из наиболее труднодоступных для наблюдений астрономических явлений. Противосияние - результат рассеяния солнечного света пылинками, расположенными в противоположной Солнцу точке. В рассеянии еще участвуют и частицы земной атмосферы (молекулы, ионы), которые "пригнали" туда солнечный ветер и давление солнечного света. Размеры светового пятна около 10-20º в поперечнике. Свечение слабое, практически на пороге возможностей человеческого глаза. Отчетливо оно выделяется лишь при фотометрических измерениях. Казалось бы, лучшее время для наблюдений противосияния в северном полушарии - зима, когда ночи долгие и темные, а точка, противоположная Солнцу, занимает наивысшее положение на небе. Но это не так, потому что именно зимнее небо богато яркими звездами, а само противосияние проецируется на Млечный Путь около созвездий Близнецов и Тельца. Октябрь - вот, пожалуй, один из самых удобных месяцев для наблюдений: противосияние находится в бедной яркими звездами области Рыб. [3] Как теперь установили, противосияние представляет собой проекцию газового хвоста Земли на звездное небо. Свечение начинается с расстояния около 125 000 км от Земли, т. е. за пределами ее геометрической тени. Газовый хвост Земли простирается примерно на 650 000 км, т. е. выходит далеко за орбиту Земли. Он состоит из быстро движущихся молекул воздуха, выброшенных за границы атмосферы отталкивающим действием солнечных лучей. Газы рассеиваются в межпланетное пространство. «Утечка» атмосферы в газовом хвосте компенсируется при извержениях вулканов и при ряде биологических процессов. Земля со своим длинным хвостом по внешнему виду напоминает комету. Исследования зодиакального света и противосияния с поверхности Земли и из космоса позволили составить первое представление о примерном распределении пыли в зодиакальном облаке. Концентрация пыли неравномерная. Основная масса пыли сосредоточена внутри земной орбиты. Вблизи планет пыли больше, чем в других местах. В близкой околосолнечной области есть пустая зона, в которой нет пылевых частиц, так как любая попадающая сюда частица должна испариться или расплавиться. Помимо звезд, планет и других уже рассмотренных небесных тел, в нашей Галактике имеются туманности, занимающие большие области пространства, заполненные светящимися газами и пылевыми облаками. Они или самостоятельно движутся в космическом пространстве, или ореолом окружают звезды. От таких туманностей исходит свет двух типов. В основном это люминесценция газов, составляющих туманность и свет, рассеянный пылевыми облаками такой туманности. О наличии пыли в межзвездном пространстве говорят «темные» области в разных частях неба, особенно в Млечном Пути. Считают, что это пылевые межзвездные облака, которые частично экранируют свет звезд в посылают рассеянный свет. Внегалактические источники свечения Свечение объектов, расположенных за пределами вашей Галактики, называют внегалактическим свечением. Эти объекты видны в телескопы как маленькие, слабо светящиеся туманные пятнышки. В отличие от туманностей нашей Галактики эти туманности представляют собой не просто газопылевые облака, а огромные звездные системы, подобные нашей Галактике. Их называют также Островными Вселенными или галактиками.

Наиболее близко к нашей Галактике расположены Большое и Малое Магеллановы Облака и туманность в созвездии Андромеды — они видны невооруженным глазом. Это самый далекий объект Вселенной, который можно увидеть простым глазом. [1]

Мы рассмотрели все источники освещения земной поверхности ночью. Общий свет, посылаемый всеми источниками,- это свечение ночного неба. Три его главных компонента ― ночное свечение атмосферы, звездный и зодиакальный свет ― имеют яркость приблизительно одного порядка

Исследования свечения ночного неба принесло и продолжает приносить много сведений о верхней атмосфере Земли, о Солнечной системе, о нашей Галактике и о строении всей Вселенной.

О загадках ночного неба великий поэт, математик и философ Востока Омар Хайям сказал:

И вся Вселенная и все дела Земли ―

Обманный сон, мираж и краткое мгновенье.

9