Безлунные ночи
Как мы упоминали в предыдущем разделе, луна может быть всю ночь как выше, так и ниже горизонта. Всё же в среднем половину ночи луна под линией горизонта. Хотя свет, который остаётся в безлунные ночи, довольно тусклый (примерно на один-два порядка тусклее лунного), он достаточно яркий, чтобы его увидеть. Это также увлекательная смесь испускаемого и отражённого света как от нашей атмосферы, так и от космоса. Три крупных участника: объединённый звёздный свет; зодиакальный свет; собственное свечение атмосферы.
Объединённый звёздный свет, как можно догадаться, это свет от всех звёзд. Однако большая часть этого света исходит от звёзд, которых вы не увидите даже на самом чистом небе в сельской глуши. Средний объединённый звёздный свет примерно равен тысячам звезд первой величины (Matilla, 1980). Звезды первой величины, такие как Антарес и Бетельгейзе, довольно редки. Обычно в любой момент времени можно видеть только около восьми звезд. Правда, мы также видим свет множества более тусклых звезд, но даже если вы его уберёте, облучённость объединённым звёздным светом не сильно снизится. Настоящий вклад вносят маленькие красные звезды, которые, по крайней мере в сто раз меньше, чем те, что можно видеть невооруженным глазом. Эти миллиарды невидимых звезд, в основном в группе Млечного Пути или рядом с ним, делают ночное небо более красным, чем вы могли бы себе представить. Поскольку большинство звезд находятся в Млечном Пути или рядом с ним, вклад объединённого звездного света в нисходящую облучённость зависит от того, насколько высоко Млечный Путь в небе.
Вторым основным источником нисходящей облучённости в безлунной ночи является зодиакальный свет. Это солнечный свет, рассеянный пылью в солнечной системе. Он получил своё название благодаря тому факту, что созвездия зодиака разграничивают плоскость Солнечной системы в нашем небе. Поскольку это рассеянный солнечный свет, зодиакальный свет довольно белый. Как правило, он ярче всего на горизонте прямо над тем местом, где солнце садится (или собирается подняться), но может осветить большую часть неба (рисунок 3.15).
Последним значительным источником света является собственное свечение атмосферы, являющееся полностью земным (Lynch and Livingston, 1995). Хотя это сложное явление происходит как днем, так и ночью, основным источником в ночное время является свет от рекомбинации молекул кислорода, азота и воды в верхних слоях атмосферы, которые были разделены солнечным светом в течение дня. Собственное свечение атмосферы также происходит в течение дня, но является слишком тусклым, чтобы его увидеть. Поскольку свет происходит за счёт конкретных химических реакций, а не за счёт общего теплового излучения, спектры свечения атмосферы имеют много острых пиков. В видимом диапазоне самый резкий пик составляет 558 нм и происходит благодаря возбужденным атомам кислорода в атмосфере на высотах около 90 км, до 100 км. Этот пик создает зеленоватое свечение, которое можно увидеть из космоса. Следующие два ярких пика также связаны с атомарным кислородом и находятся в красной части спектра. Атомы натрия и вращающиеся и вибрирующие гидроксильные ионы составляют большую часть природы остального света, но есть множество более тонких черт, на изучение которых некоторые физики потратили всю научную жизнь. В целом собственное свечение атмосферы имеет низкую яркость, но оно исходит от всего неба, поэтому его вклад в нисходящую облучённость в безлунные ночи может быть значительным. Фактический вклад свечения атмосферы зависит от времени нахождения в солнечном цикле, при этом свечение атмосферы выше во время максимумов солнечных пятен.
Таким образом, облучённость в безлунные ночи представляет собой сумму этих трех компонентов: объединённый звёздный свет; зодиакальный свет; собственное свечение атмосферы, относительные вклады которых зависят от цикла солнечных пятен и места Млечного Пути в небе (рисунок 3.16). В среднем свет несёт в себе значительное красное смещение в сравнении с дневным светом или лунными ночами, и очень большое красное смещение в сравнении с глубокими сумерками. Поэтому для животных, способных видеть это, небо проходит через впечатляющие изменения цвета каждый раз, когда луна или солнце поднимаются или садятся.
Для простоты давайте просто рассмотрим заходящее солнце, хотя одни и те же принципы применимы к восходящему солнцу и восходящей и заходящей луне. Когда солнце высоко в небе, нисходящие лучи света для наших глаз выглядят довольно белыми. Когда солнце опускается ниже 10°, свет становится всё более красным. Однако, прежде чем солнце достигнет горизонта, свет становится более синим, по дороге быстро проходящим через белый. После того как солнце село за горизонт, наблюдается резкий рост синего света, постепенно ещё увеличивающийся во время гражданских сумерек. Во время навигационных сумерек синий цвет усиливается и движется к фиолетовому, по мере того как длина пути прямого солнечного света в атмосфере увеличивается, и поглощение озоном красного света играет большую роль. Позже, во время астрономических сумерек, облучённость становится краснее из-за влияния собственного свечения атмосферы и объединённого звёздного света.
Этот переход: от белого к красному, к белому, к синему, к фиолетовому, к белому, к красному; может произойти в течение часа или двух, в зависимости от того, где вы живете. На него, конечно, влияют облака и другие факторы, но суть в том, что всякий раз, когда солнце или луна поднимаются или садятся, яркость и цвет неба проходят через несколько серьезных колебаний. Вероятно, они не проходят бесследно для зрительных способностей любого животного. Утверждалось, что сумеречные периоды на рассвете и закате являются относительно безопасным временем для жертв хищников (например, Yahel et al., 2005). Тем не менее, другие утверждали, что хищники эффективней охотятся в течение этих периодов (например, Hobson, 1968; Helfman, 1986). Это привело к длинной и сложной полемике, в которой единственной точкой согласия является то, что сумерки и рассвет являются особенным временем. На мой взгляд, обе гипотезы, вероятно, верны, а результат зависит от относительных зрительных способностей хищников и жертв. Актуальней для нас – давно известно, что автомобильные аварии достигают пика во время гражданских сумерек (обзор Leibowitz и Owens, 1991).