Лунный свет
Освещённая сторона луны имеет температуру около 400 К, поэтому она испускает некоторое излучение (примерно столько же, сколько кипящая кастрюля с водой). Однако подавляющее большинство лунного излучения на видимых длинах волн является отражённым солнечным светом. Из-за этого небо, освещенное луной в полнолуние, похоже на небо, освещенное солнцем, только в 500 000 раз тусклее. Цифровые камеры сейчас настолько чувствительны, что это можно легко доказать. На это способна двухсекундная экспозиция с использованием f1.4 объектива со скоростью съёмки камеры, установленной в соответствии с ISO 1600. Луна будет выглядеть белой (и переэкспонированной), небо будет синим, и пейзаж будет выглядеть так, как будто вы производили съёмку в течение дня.
Однако всё будет выглядеть немного жёлтым, поскольку луна отражает примерно в два раза больше красного света (700 нм), чем голубого света (400 нм) (Lynch and Livingstone, 1995). Тот факт, что мы не видим лёгкий жёлто-коричневый цвет луны, всегда беспокоил меня. Это правда, что освещённые лунным светом объекты обычно слишком тусклые, чтобы возбуждать клетки-колбочки на нашей сетчатке, но сама луна намного ярче. Красноватый цвет луны мы можем увидеть во время лунного затмения. Я также видел фотографии луны, на которых она была коричневой.
Видимый путь луны не соответствует в точности солнечному, в противном случае каждый месяц у нас было бы лунное затмение. Тем не менее, пути достаточно схожи для большинства биологических целей. Кроме того, кроме сумерек (когда небо может быть освещено лунным светом и рассеянным солнечным светом), относительная яркость луны и неба подобна относительной яркости солнца и неба. Таким образом, можно использовать всё, что известно об уровнях света во время восхода и захода солнца для исследования восхода и захода луны. Другими словами, лунное небо – это просто солнечное небо с экономичной лампочкой.
Фаза луны является одним из усложняющих факторов. В случае солнца солнечные пятна и прочее имеют некоторый эффект, но облучённость солнцем при определённом угле возвышения относительно постоянна. Тем не менее, облучённость лунным светом зависит от фазы луны. На первый взгляд можно подозревать, что освещённость будет меняться пропорционально освещённой части луны (как её видим мы). Однако вариации гораздо больше. Например, нисходящая облучённость лунного света во время полумесяца не равна половине освещенности от полнолуния, но только 1/10 от нее (рисунок 3.14). Это означает, что средняя яркость освещенной части Луны не является постоянным. Другими словами, чем меньше освещённая часть луны, тем она тусклее.
Фактически, средняя яркость освещённой части полумесяца (фазовый угол 90°) составляет лишь около 1/5 от полной луны. Если вы станете астронавтом, вы будете ещё более впечатлены, потому что тогда вы сможете увидеть по-настоящему полную луну. Вы не можете видеть совершенно полную луну на Земле, поскольку земля стоит на пути, и получается лунное затмение. Таким образом, самые полные луны, которые мы когда-либо видели, на самом деле составляют примерно пять градусов от действительно полных. Космонавты, находящиеся непосредственно между Солнцем и Луной, обнаружили, что яркость Луны за эти несколько градусов увеличивается ещё на 40%. Короче говоря, луна похожа на ретрорефлектор на велосипеде, отправляя большинство света обратно туда, откуда он появился.
Эта ретрорефлексия, известная как «лунный оппозиционный эффект», объясняется прежде всего двумя вещами. Во-первых, луна комковата. На ней есть горы, и она наполнена кратерами. По мере того как луна становится менее полной, эти кратеры и горы становятся всё светлее со стороны, а это означает, что они бросают более длинные тени. Это важно для астрономов-любителей, потому что лунный полумесяц выглядит намного более впечатляющим под телескопом, чем полная луна, подобно тому, как горные пейзажи на Земле выглядят более драматичными во время восхода и захода солнца. В меньших масштабах в оппозиционный эффект также вовлечены частицы самой лунной почвы. Во-вторых, кажется, что лунная почва может немного выступать как лист стекла, и поверх своего основного диффузного отражения иметь блестящее отражение (Helfenstein et al., 1997). Это блестящее отражение, известное как «когерентное рассеяние», будет обсуждаться далее в главе 6. Суть заключается в том, что фаза Луны оказывает большое влияние на облучённость лунным светом.
Что делает всё это ещё более драматичным, так это то, что полные луны поднимаются намного выше в небе, чем полумесяцы и серповидная луна – даже несмотря на то, что это не совсем так. Серповидная луна и полумесяцы также поднимаются высоко в небе, но днём. Чем меньше луна полная, тем ближе она к солнцу. Поскольку она так близко к солнцу, серповидная луна находится очень высоко в небе около полудня, когда солнце также высоко. Полумесяц находится на 90° от солнца и поэтому находится высоко в небе на рассвете и в сумерках. Ночью как полумесяц, так и серповидная луна часто находятся под горизонтом или так рядом с ним, так что затенены пейзажем. Полные луны поднимаются, когда солнце садится, садятся, когда солнце поднимается, и находятся выше всего в небе посреди ночи. Поскольку они прямо противоположны положению солнца, их пиковая высота соответствует высоте солнца в противоположном времени суток. Поэтому полная луна самая высокая зимой и самая низкая в летнее время.
Общий вывод всего этого (и почему я закопал вас в астрономии) заключается в том, что вариации в ночном освещении намного больше ожидаемых, и не сводятся к простой зависимости от того, какая часть луны освещена. Особенно если вы учитываете освещённость поздно вечером или полную интегрированную освещённость в течение всей ночи. Если игнорировать звёздный свет, общая доза (освещённость × время) лунного света в течение зимней ночи для полной луны примерно в 5000 раз больше, чем для серповидной луны. Если учесть фоновый звёздный свет, разница всё ещё находится в диапазоне от 50 до 200 раз.
Для людей знание тонкостей лунного света когда-то было второй натурой, но в наши дни фазы и положения Луны замечают, кажется, только любители погулять по ночам с собакой. Многие животные, однако, обращают на луну внимание. Как известно, многие виды, особенно водные, появляются при определённых фазах луны (обзор Korringa, 1947 и Giese, 1959). Время относительно фазы может быть весьма разнообразным. Некоторые появляются в новолуние, некоторые во время полнолуния, некоторые, например, многие кораллы, появляются через несколько дней после полной луны. Другие появляются при определённых полных или новых лунах, сочетая сезонные сроки с фазой Луны.
Существует обширная литература о лунных фазах и биологических ритмах, которую я не буду дублировать здесь. Однако для людей важно осознать, что в лунный свет несёт больше информации, чем можно было бы ожидать. Например, за пределами тропиков и при отсутствии облаков, определённо самая яркая ночь года – это полнолуние в районе зимнего солнцестояния. Итак, есть ли у вас собака или нет, отправляйтесь на прогулку в эту ночь в конце декабря или в начале января. Вы будете впечатлены.