1. Что порождает радугу?

1665. Чума в Лондоне. Ворота Кембриджа закрываются. Ньютон, 22 года, никому не известный, отправляется домой. Запертый там на 18 месяцев, он меняет лицо науки.

На протяжении своего «года чудес», когда он объясняет гравитацию, Ньютон озадачивается: почему звезды, видимые в телескоп, окаймляются радужными контурами?

В телескопе используют линзы — стеклянные диски, толщина которых изменяется. Ньютон исследует более простой вариант: треугольный клин с изменяющейся толщиной (призму).

Ньютон в Вульсторпе помещает призму на пути белого солнечного света, проходящего через щель в занавеске. Спроецировав выходящий из призмы луч на темную стену, он видит…

…разложение в «спектр», все цвета радуги: Красный (Red), Оранжевый (Orange), Желтый (Yellow), Зеленый (Green), Голубой (Blue), Синий (Indigo), Фиолетовый (Violet).

(Все знают этот акроним на русском языке: «Каждый Охотник Желает Знать Где Сидит Фазан», а на английском это: «ROY G BIV» — персонаж комического романа Мартина Эмиса.)

Ньютон ставит вторую призму, повернув ее соответствующим образом на пути лучей, образующих спектр, и цвета чудесным образом собираются снова в луч белого света.

Ньютон приходит к правильному заключению: белый свет, приходящий от Солнца, фактически состоит из всех цветов радуги, которые собраны вместе.

То, что фактически делает стеклянная призма, отклоняя лучи разного цвета по-разному, приводит к разложению белого света на составляющие цвета.

Свет — волна (слишком маленькая, чтобы ее увидеть), и различным цветам соответствуют разные длины волн. Длина волны у красного света примерно вдвое больше, чем у фиолетового.

Радуга образуется капельками дождя, действующими как несметное число крошечных призм, разлагающих белый солнечный свет на составляющие цвета.

Задняя поверхность капельки действует как крошечное зеркало. Свет может вновь появиться после 1-го или 2-го отражения: часто возникают 2 радуги, 2-я с обратным порядком следования цветов.

Угол между входящим и выходящим световыми лучами 42° («угол радуги»). Для второй радуги этот угол равен 51°.

Радуга — это фактически окружность. Однако из-за горизонта мы видим только ее часть — полукруглую дугу.

Ньютон разгадал проблему цветов радуги, окаймляющей звезды, заменяя линзы зеркалами. Изобрел «отражающий» (зеркальный) телескоп. Гений!

 

2. Почему небо голубое?

Из того, что воздух явно прозрачен, далеко не очевидна причина того, что небо голубое!

Объяснение тому, почему небо синее, было найдено в конце XIX в. английским физиком лордом Рэлеем (лауреат Нобелевской премии по физике 1904).

Ключевой факт 1. Свет представляет собой волну, похожую на рябь на воде. Это совсем не очевидно, так как волна (длина волны света) слишком мала, чтобы ее увидеть.

Ключевой факт 2. Белый солнечный свет, как открыл Ньютон, состоит из всех цветов радуги: от фиолетового (наименьшая длина волны) до красного (самая большая длина волны).

Ключевой факт 3. Так устроено в природе, что молекулы кислорода/азота в воздухе такого размера, что отклоняют (рассеивают) синий свет гораздо сильнее, чем красный.

Следствие. При прохождении через воздух (атмосферу) белый солнечный свет преимущественно теряет (благодаря рассеиванию) голубой цвет. Создается диффузный голубой фон.

Когда Солнце находится у горизонта, оно становится красным, так как свет должен пройти большое расстояние через атмосферу, теряя 100 % голубого цвета и оставляя только красный.

Если размер частиц в атмосфере изменится, небо может изменить Цвет. Небо становится красным при большом количестве загрязняющих веществ или пыли вулканических извержений.

При подходящем размере частиц вы даже можете увидеть голубую луну. Становится понятна фраза «однажды при голубой луне», что означает «редко».

Небо на Марсе может быть розового или желтого цвета, так как его цвет зависит только от размера частиц пыльных бурь, поднимающихся в тонком слое атмосферы.

В высоких слоях атмосферы Земли мало молекул воздуха, рассеивающих солнечный свет. Поэтому там небо не голубое, а чернильно-черное.

 

3. Почему восходящая полная Луна такая большая?

Короткий ответ: это не так. Да, Луна действительно кажется огромной, когда она низко над горизонтом (как и Солнце). Но это просто оптическая иллюзия.

Вот как это доказать. Поместите небольшую монету на расстоянии вытянутой руки. Сравните относительный размер восходящей Луны с размером монеты. Потом…

…повторите то же самое с Луной, которая высоко в небе. Вы увидите, что размер Луны тот же. Это называется «лунной иллюзией».

То же верно и для восходящего или заходящего Солнца. Но, поскольку вы, как правило, не смотрите на Солнце, заметен эффект в основном для полной Луны.

Кстати: для созвездий наблюдается тот же эффект. Большая Медведица прямо над отдаленными зданиями кажется намного больше, чем высоко в небе.

Что вызывает этот эффект? Никто не знает. Возможно, это связано с нашим ощущением (неправильным), что небо чуть плоское, а не на 100 % сферическое.

Лунная иллюзия гораздо меньше впечатляет с середины океана. Наличие деревьев и зданий на горизонте — важный компонент этого эффекта.

Наиболее вероятная причина появления большой Луны состоит в том, что в одном и том же поле зрения оказываются удаленные объекты, истинный размер которых мы слишком хорошо знаем.

Если Лунная иллюзия — это уловка ума, она должна отсутствовать при попытке одурачить ваш разум, заставив его увидеть знакомые вещи, например деревья, как незнакомые…

Наклонитесь и взгляните между ног на восходящую Луну. Все вверх дном и незнакомо, и, вуаля, Лунная иллюзия почти исчезла.

В действительности Луна на горизонте немного «меньше», чем Луна над вашей головой. Вспомним вот что: она дальше на один радиус Земли.

Кроме того, не каждая полная Луна имеет один и тот же размер в небе. Это происходит потому, что орбита Луны является эллиптической, поэтому расстояние Земля-Луна сильно варьируется.

Что нужно помнить: Луна на самом деле — очень маленький объект на небе. Художники всегда изображают ее на картине или рисунке больше, чем она должна быть.

 

4. С чем связаны фазы Луны?

Облик Луны постоянно меняется: тонкий полумесяц, полуосвещенная, прибывающая Луна, полная и т. д. Время полного цикла приблизительно 29,5 дней (лунный месяц).

Ключевой факт. В отличие от Солнца Луна не излучает свой собственный свет.

Поэтому Луна видима, только когда освещена Солнцем — когда отражает солнечный свет.

«Фазы» Луны вызваны изменяющимся освещением ее Солнцем: иногда большая часть поверхности Луны освещена, иногда только небольшая.

Как и у Земли, у Луны есть яркая дневная сторона (обращенная к Солнцу) и темная ночная сторона. Всегда частично освещенная, но не вечно «Темная сторона Луны» (приносим извинения группе Pink Floyd).

Когда Луна и Солнце расположены приблизительно в одном направлении от Земли, Луна освещена сзади. С Земли мы видим ее темную сторону. Это — новолуние.

Приблизительно неделю спустя Луна проходит первые 25 % орбиты (первая четверть). Солнце теперь освещает Луну с запада. Мы видим освещенную половину Луны.

Еще через неделю Луна находится в противоположном направлении от Солнца. С Земли мы видим ее полностью освещенную сторону. Это полная Луна.

Наконец, после прохождения 75 % своей орбиты (последняя четверть) Луна освещается с востока. Поверхность Луны, обращенная к Западному полушарию, теперь темная.

Вспомним: первая четверть видна только в течение первой половины ночи — последнюю четверть можно увидеть только во второй половине ночи.

Полная Луна противостоит Солнцу, так что она поднимается во время заката и опускается во время восхода Солнца. Это означает, что ее можно видеть всю ночь.

Средний лунный цикл длится 29 дней 12 часов 44 минуты и 2,9 секунд. Этот лунный месяц по-прежнему является основой еврейских/исламских календарей.

Земля также проходит через фазы, подобные лунным. Во время новолуния астронавт на Луне будет видеть полную Землю, и наоборот.

 

5. Что такое лунное затмение?

Лунное затмение происходит, когда Земля перекрывает солнечный свет, падающий на Луну. Впечатляющее явление, главным образом, из-за жуткого красного цвета.

Для лунных затмений Земля должна быть между Солнцем и Луной. Таким образом, они могут происходить только во время полной луны.

Лунная орбита немного наклонена относительно земного экватора. Полная Луна, как правило, проходит немного выше или ниже «тени» Земли, избегая, таким образом, лунного затмения.

Во время полного лунного затмения полная Луна сначала вступает во внешнюю боковую полутень Земли: только часть солнечного света заблокирована. Луна выглядит мрачной, пасмурной.

Затем Луна начинает входить в центральный конус глубокой тени. Из Луны «выкусывается» маленький кусочек, который растет и растет. Со временем Луна полностью затмевается.

Удивительно, Луна не исчезает полностью, даже если на нее не падает прямой солнечный свет. Вместо этого она светится темным оранжево-красным цветом.

Красный цвет затмеваемой Луны возникает из-за солнечного света, проходящего через атмосферу Земли. Молекулы воздуха «рассеивают» немного света в тень.

Для того чтобы понять: представьте, что вы находитесь на Луне во время полного лунного затмения. Вы находитесь в тени Земли, поэтому Солнце закрыто Землей и невидимо.

Но земная атмосфера светится красным кольцом вокруг темной планеты, как вечернее небо светится красным после захода Солнца. Результат: Луна получает слабый красный оттенок.

Во время лунного затмения полная Луна сначала становится тусклой, затем темной и красной. Все больше звезд становятся видимыми. Полная фаза может занять до 1 часа 40 минут.

Некоторые лунные затмения оказываются лишь частичными (часть Луны проходит через глубокую тень, а другая часть только через полутень).

Ближайшие полные лунные затмения: 10 декабря 2011 (Азия, Австралия), 15 апреля 2014 (Америка, Австралия), 8 октября 2014 (Северная Америка, Восточная Азия, Австралия).

 

6. Что такое полное солнечное затмение?

Полное солнечное затмение является, без сомнения, самым захватывающим природным явлением, свидетелем которого вы можете стать. Не умирайте, не увидев этого.

Солнечное затмение происходит, когда Луна проходит перед Солнцем. Так как Луна должна быть между Землей и Солнцем, это может случиться только во время новолуния.

Не каждое новолуние производит солнечное затмение. В большинстве случаев новолуние проходит выше или ниже Солнца, потому что орбита Луны немного наклонена.

Во время затмения лунная тень пересекает Землю, создавая узкую зону «полного затмения». Чтобы видеть полное затмение, вы должны быть в правильном месте в правильное время.

Во время частичного затмения Луна покрывает все большую часть диска Солнца. В результате температура понижается, освещение становится мрачным, животные начинают беспокоиться.

В заключительные минуты тень мчится по земле к наблюдателю, звезды всходят днем, последние солнечные отблески горят, как драгоценный камень на круглом «бриллиантовом кольце».

Затем в наступившей темноте появляются яркие звезды. Луна подобна черной дыре в небе, окруженной пылающей внешней атмосферой Солнца, или «короной».

Полное затмение длится всего несколько минут. Это очень сильное эмоциональное потрясение (некоторые люди кричат!). Очарование разрушается первыми лучами солнечного света в конце полного затмения.

Полное солнечное затмение — результат космического совпадения. Солнце — это 400 лунных размеров, но оно также и в 400 раз дальше, поэтому в небе они кажутся одного размера.

Иногда Луна оказывается дальше от Земли. Меньший наблюдаемый размер Луны не может закрыть все Солнце. Вместо полного возникает «кольцевое» солнечное затмение.

Ближайшие полные солнечные затмения: 13 ноября 2012 (Сев. Австралия, Тихий океан), 20 марта 2015 (Сев. Атлантика, Шпицберген), 9 марта 2016 (Индонезия, Тихий океан).

 

7. Почему лето теплое, а зима холодная?

Орбита Земли — не идеальный круг. Она слегка деформирована («эллипс»), так что расстояние от Солнца меняется. Однако это никак не связано с временами года!

В противном случае любое место на Земле имело бы одинаковые времена года. А в реальности когда в Северном полушарии лето, в южном — зима, и наоборот.

Времена года по существу вызваны наклоном оси вращения Земли. Подобно глобусу, земная ось наклонена на 23,5 градуса к вертикали.

В июне Северное полушарие Земли обращено к Солнцу большую часть суток, в отличие от Южного полушария. Спустя шесть месяцев (в декабре) — все наоборот.

Летом дни становятся длиннее, чем ночи. Так как Солнце поднимается выше в небо, земля прогревается более эффективно. Получаем результат: более высокие температуры.

Зимой ночи длиннее, чем дни. Солнце стоит низко над горизонтом и поэтому светит недостаточно интенсивно, чтобы существенно нагреть поверхность Земли.

В Северном полушарии больше всего солнечного света 21 июня, в день середины лета (летнее солнцестояние); меньше всего — 21 декабря, в день середины зимы (зимнее солнцестояние).

Так как океан и атмосфера медленно откликаются на изменение количества солнечного света, теплые/холодные месяцы продолжаются и после летнего/зимнего солнцестояния.

Около 20 марта и 22 сентября Солнце располагается точно над земным экватором. Это дни весеннего/осеннего равноденствия. День и ночь имеют одинаковую длительность.

Каждая планета с наклоненной к плоскости орбиты осью имеет времена года. Марсианские времена года похожи на наши (из-за подобного наклона), но они дольше (из-за более длинного орбитального периода).

Однако изменение расстояния от Солнца играет большую роль для Марса, поскольку он имеет гораздо более вытянутую эллиптическую орбиту, чем Земля. Времена года там более экстремальные.

 

8. Что такое созвездие?

Десятки тысяч лет назад люди смотрели вверх в ночное небо и находили узоры в беспорядочно разбросанных звездах.

Некоторые звездные скопления, казалось, похожи на животных, таких как быки, собаки, медведи и змеи. Так родились названия созвездий.

Позже другие группы звезд были названы в честь богов и персонажей мифов. Римский эрудит Птолемей (90–168) составил список из 48 созвездий.

К наиболее известным относятся: Большая Медведица, Орион, Лев, Лебедь, Телец, Кассиопея, Близнецы, Геркулес.

В конце XVI в. голландские моряки наблюдали за южным небом и добавили новые созвездия, такие как Тукан (Toucan) и Райская Птица (Bird of Paradise).

Позже в Северном полушарии были добавлены новые открытые созвездия: Лисичка (Little Fox) и Ящерица (Lizard).

В 1930 приняты названия 88 созвездий и закреплены их очертания. Каждый участок ночного неба связан с тем или иным созвездием.

Звезды в созвездии могут находиться на совершенно разных расстояниях и, как правило, не связаны, поэтому созвездия — кажущиеся группировки.

Звезды ближайшей и сверхдалекой галактик могут относиться к одному созвездию — до тех пор, пока они соседствуют в небе.

Если смотреть с Земли, вид созвездий очень медленно изменяется с течением времени из-за собственного движения звезд на небе.

Некоторые созвездия видны всегда, а другие — никогда (за исключением наблюдателя на экваторе). Большинство можно увидеть только в определенное время.

Инки и аборигены также опознавали «темные облака созвездий»: темные облака пыли на Млечном Пути, похожие на животных, таких как ягуар.

 

9. Что такое зодиак?

Солнце, Луна и планеты движутся на фоне неподвижных звезд. Другими словами, они путешествуют из одного созвездия в другое.

Для Солнца фон созвездий, конечно, не виден. Тем не менее путь Солнца все же может быть выведен из наблюдений.

Оказывается, Солнце, Луна и планеты не могут свободно путешествовать везде в небе. Они никогда, например, не появляются в Большой Медведице или Орионе.

Вместо этого, движение Солнца, Луны и планет всегда ограничивается группой из 12 расположенных по небесному кругу созвездий: созвездий зодиака.

Наиболее известные зодиакальные созвездия: Овен (Aries), Телец (Taurus), Близнецы (Gemini), Рак (Cancer), Лев (Leo), Дева (Virgo), Весы (Libra), Скорпион (Scorpio), Стрелец (Sagittarius), Козерог (Capricorn), Водолей (Aquarius), Рыбы (Pisces).

Хотя название «зодиак» связано с «зоо», не все зодиакальные созвездия — животные. Некоторые — имеют отношение к человеку. А Весы даже не относятся к одушевленным.

Годовой путь Солнца через зодиак (что отражает орбитальное движение Земли) на самом деле является кругом на небе, называемым эклиптикой.

Давным-давно эклиптика была разделена на 12 равных частей (зодиакальные знаки), более или менее связанных с созвездиями (которые имеют неравные размеры).

Астрология (суеверие) утверждает, что характер человека зависит от положения Солнца, Луны и планет относительно этих знаков зодиака на момент рождения.

На самом деле из-за медленного смещения Земной оси между знаками зодиака и созвездиями нет строгого соответствия: смещение составляет около одного созвездия в 2100 лет.

Эклиптика (путь Солнца) пересекает также незодиакальное созвездие Змееносца (Serpent Bearer), которое не играет роли в астрологии.

Зодиакальные созвездия содержат несколько ярких звезд: Альдебаран (Телец), Кастор и Поллукс (Близнецы), Регул (Лев), Спика (Дева), Антарес (Скорпион).

Часто возникают красивые «союзы» Луны и/или планет с одной из этих звезд. Иногда Луна даже заслоняет звезды.

 

10. Что такое Млечный Путь?

Млечный Путь — слабая светлая полоса, простирающаяся в ночном небе. Может быть видна только в темных местах (за пределами городов) в ясные безлунные ночи.

Согласно греческой мифологии, это материнское молоко, которое пролила богиня Гера, когда она кормила грудью Геракла. Римляне называли Млечный Путь Via Lactea.

В скандинавской мифологии призрачный Млечный Путь (Vintergatan, или Зимняя Улица) был дорогой, по которой мертвые души двигались в Валгаллу (загробную жизнь).

Галилео Галилей (1564–1642) впервые использовал телескоп для изучения Млечного Пути. И удивился, обнаружив, что он состоит из множества тусклых звезд.

Уильям Гершель (1738–1822) и Якобус Каптейн (1851–1922) пытались вывести протяженность и 3D-форму Млечного Пути, подсчитав звезды.

Теперь мы знаем, что Млечный Путь — гигантский сплюснутый звездный диск со спиральными рукавами. Солнце находится во внешней области диска, близко к центральной плоскости.

Так почему же мы видим Млечный Путь как полосу света, опоясывающую небо? Приведем аналогию: мы живем в пригороде гигантского города, где все здания прозрачные…

Город довольно плоский, так что большую часть света в ночное время вы видите в (горизонтальной) полосе вокруг себя с концентрацией интенсивности в направлении центра города.

Глядя вверх или вниз, вы видите только отдельные огоньки (высотные здания, станции метро). Аналогично Млечный Путь является проекцией плоского звездного диска.

Размер, по оценкам Гершеля и Каптейна, оказался слишком маленьким. Кроме того, они считали, что Солнце расположено вблизи центра Млечного Пути. Это обман, который возникает из-за пыли, поглощающей свет.

Это как будто вы находитесь в пригороде большого города очень туманной ночью: свет виден только в пределах некоторой области, и кажется что вы находитесь в центре.

Реальный размер, спиральную структуру и динамику Млечного Пути смогли определить только после появления радиоастрономии (1950-е): пыль уже не мешала.

 

11. Что представляют собой падающие звезды?

Понаблюдайте за ночным небом 15 минут, и вы увидите нечто, движущееся среди звезд. Если оно мигает и имеет красный цвет, вероятно, это самолет.

Видите ярко-оранжевое/более медленное движение? Словно китайский фонарик в группе звезд. Наблюдаете установившееся движение в течение нескольких минут? Это искусственный околоземный орбитальный спутник.

Видите что-то яркое, такое как планета Венера? Возможно, это Международная космическая станция (МКС). Следуйте @twisst, чтобы получить с места ее локализации персональный сигнал-твит.

Но похожий на звезду объект, пронесшийся по небу и видимый только одну или две секунды, это почти наверняка метеор, или «падающая звезда».

Метеоры не связаны с настоящими звездами вообще. Само название (сравните — метеорология) говорит, что они возникают высоко в атмосфере Земли, на высоте — 80 км.

С чем они связаны? Песчинка/камешек из космоса влетает в атмосферу (скорость 11 км/с или около того) и разогревается до свечения из-за трения о воздух.

Чем больше частичка, тем ярче метеор. Самые яркие из них называются болидами. Слабый след от них может сохраняться в течение десятков секунд.

Если метеор достаточно большой, обгоревшие остатки могут долететь до земли в виде «метеорита». Его нетрудно обнаружить, если он падает на снег (Антарктида) или в песок пустыни (Сахара).

Метеоры часто связаны с кометами, которые оставляют пыль находясь на орбите около Солнца. Когда Земля движется сквозь пыль, наблюдается больше метеоров, чем обычно: метеорный поток.

Метеоры в потоке кажутся возникающими из одного участка не радианта. Подобный эффект перспективы возникает, если вы ед те через снежную бурю.

Потоки наблюдаются ежегодно примерно в один и тот же день Наиболее известный: Персеиды, около 12/13 августа. Назван так потому, что радиант находится в созвездии Персея.

Другие: Квадрантиды (4 Января), Лириды (22 Апреля), Дракониды (9 Октября), Ориониды (22 Октября), Тауриды (6 Ноября), Леониды (17 Ноября), Геминиды (14 Декабря).

 

12. Сколько звезд я могу увидеть?

Это зависит от обстоятельств. Кристально-чистой безлунной ночью далеко от городских огней можно наблюдать несколько тысяч звезд невооруженным глазом.

В большом городе можно увидеть только самые яркие звезды. Те, что слабее, оказываются размытыми из-за светового фона, бич для астрономии (любительской).

Греческие астрономы ранжировали звезды по видимому блеску (звездной величине). Яркие звезды: звездная величина 1; самые последние, еще видимые невооруженным глазом: звездная величина 6.

До сих пор используется эта шкала звездных величин, но с более точными измерениями. Отличие в звездной величине на 5 соответствует изменению видимого блеска в 100 раз (на 1 звездную величину — соответственно в 2,512).

Оказывается, самые яркие звезды могут быть ярче, чем те, что соответствуют первой звездной величине. И звездный блеск может быть измерен с точностью до 0,01 звездной величины.

Бетельгейзе: звездная величина 0,50; Вега: звездная величина 0,03; Сириус (самая яркая звезда в небе): звездная величина -1,46. Отрицательные числа означают более значительную яркость (Солнце: -26,8).

Только 50 звезд ярче 2-й звездной величины (видны из города); 500 — ярче 4-й звездной величины; 5000 — ярче 6-й звездной величины (предел видимости невооруженным глазом).

Использование телескопа значительно увеличивает количество звезд, которые вы можете увидеть. Небольшой любительский телескоп показывает тусклые звезды вплоть до звездной величины 10: 340 000 звезд.

Космический Телескоп «Хаббл» показывает звезды звездной величины 30 — в несколько млрд раз более тусклые, чем можно увидеть невооруженным глазом.

«Видимая светимость» зависит от расстояния. Бетельгейзе кажется менее яркой, чем ближайший Сириус, хотя на самом деле излучает гораздо больше света.

«Абсолютная светимость» — мера истинной светимости звезды. Определяется как видимая светимость, если объект расположен на расстоянии 10 парсек (32,6 световых лет).

Абсолютная светимость Бетельгейзе имеет звездную величину -5,1. Для Сириуса звездная величина +1,43. Таким образом, Бетельгейзе в несколько сотен раз ярче Сириуса.