Сумерки
Когда солнце опускается ниже 10°, облучённость быстро уменьшается. В Чапел-Хилл она падает примерно в двадцать раз между 10° и закатом и примерно в миллион раз в течение следующего часа, когда солнце опускается еще на 15° (рисунок 3.11)
По причине такого экстремального падения освещённости, сумерки делят на три части. Во время гражданских сумерек солнце находится между 0 ° и 6 ° ниже горизонта. Если небо ясное, оно тёмно-синее. Если есть облака, в зависимости от их местоположения и высоты они будут освещены солнцем (которое с их высоты ещё не под горизонтом). Оправдывая своё название, ещё достаточно света, чтобы выполнять большинство занятий, как и при дневном свете (Leibowitz and Owens, 1991), и поэтому пределы гражданских сумерек связаны с законами о полётах и использовании фар. Глядя вверх, можно видеть более яркие планеты и самые яркие звезды. Во время навигационных сумерек солнце находится на 6° и 12° ниже горизонта, а облучённость быстро падает, примерно в три-четыре раза на каждый градус. В начале навигационных сумерек небо всё ещё синее, но в конце большинство людей видят небо чёрным и считают, что наступила ночь. Термин «навигационные» происходит от того факта, что когда солнце на 12° ниже горизонта, в море вы можете только разглядеть горизонт.
Последняя треть сумерек – астрономические сумерки – большинством людей неотличима от ночи. В течение этого периода солнце находится на 12° и 18° ниже горизонта. В то время как облучённость всё ещё уменьшается, она делает это медленнее. В этот период становятся видны более тусклые астрономические объекты, такие как туманности и галактики.
В дополнение к чрезвычайно быстрому уменьшению освещённости навигационные и поздние гражданские сумерки также отличаются необычайной синевой неба. Это может показаться не удивительным. В конце концов, солнце ушло, и вы ожидаете что в освещенности будет доминировать синий небесный свет. Однако оказывается, что синева позднего сумеречного неба имеет другую причину, чем у дневного неба. Как было втолковано большинству из нас в возрасте десяти лет, синева дневного неба связана с рассеянным солнечным светом. Есть более тонкие аспекты этого, они будут обсуждаться в главе 5, но основная предпосылка верна. Однако, как только солнце опускается значительно ниже горизонта, его прямой свет может достигать только верхней атмосферы. Например, в конце гражданских сумерек небо прямо над головой (зенит) получает прямой солнечный свет на высоте 40 км и выше (Bohren and Clothiaux, 2006). На этой высоте плотность воздуха меньше 1/1000-ой от плотности на уровне моря, и поэтому воздух рассеивает мало света. Прямой солнечный свет, доходящий до зенитного неба во время сумерек, также прошел через толщу атмосферы. Поэтому большая часть коротких длин волн была рассеяна (это тот же самый процесс, благодаря которому солнце на закате становится красным). Оказывается, что если бы дело было только в рассеянии, сумеречное небо было бы не синим, а бледно-жёлтым (Hulbert, 1953).
Несколько лет назад мой коллега Альмут Келбер обнаружил, что некоторые виды могут видеть цвет ночью (Kelber et al., 2002). Награда достаётся бабочке винному бражнику, которая может различать цвета под тусклым звёздным светом – при таких уровнях света, когда мы едва можем видеть вообще. Мне стало любопытно, как выглядит сумеречный и ночной мир для животных, которые всё ещё могут видеть цвет, и мы начали измерять и компилировать спектры. Хотя спектроскопическое оборудование значительно улучшилось за прошедшие годы, к сожалению, световое загрязнение также увеличилось, что усложнило задачу. Спектры света в сумерках были взяты моей аспиранткой Элисон Суини на отдалённом пляже барьерного острова в Северной Каролине. После сумерек последовала сильная ветряная буря, и моя студентка, не самый массивный человек, должна была уткнуться в песок на дне своей палатки, чтобы палатку не катало по пляжу как воздушный шарик. Она вернулась измотанной, но с данными. Элисон, мой первый ученик, а теперь коллега, появится ещё несколько раз в этой книге. Одна из лучших долей в судьбе учителя – это наблюдать за ростом ваших учеников.
Как вы могли догадаться, она обнаружила, что сумеречное небо было синим. Однако спектр сильно отличался от спектра дневного неба. Вместо последовательного увеличения облучённости с уменьшением длины волны (как можно видеть на голубом небе днём) спектр выглядел так, будто из него выпал большой кусок (рисунок 3.12). Оказывается, этот кусок, сосредоточенный примерно на 600 нм, обусловлен поглощением озоном видимого света.
То, что мы видели, уже было замечено раньше и лучше описано Хульбертом (1953). Озон, в основном находящийся между 10 км и 50 км над уровнем моря, славится поглощением УФ-излучения, особенно опасной частью менее 300 нм длины волны. Антарктическая озоновая дыра и хлорфторуглероды, которые по крайней мере частично ответственны за её появление, стали повседневными терминами. Без озонового слоя, толщина которого при давлении на уровне моря составляет всего несколько мм, сомнительно, что жизнь когда-либо оставила воду. Однако озон также имеет широкую полосу поглощения в видимом диапазоне, известную как «полоса Чаппуи» (Chappuis band) по имени Джеймса Чаппуи, который в 1882 году сделал жидкий озон, и обнаружил, что он был тёмно-фиолетовым [Taylor, 2005]). Поглощение озоном видимого света в тысячу раз слабее, чем поглощение УФ-излучения.
Таким образом, в течение дня озон практически не влияет на цвет неба. Когда солнце находится под горизонтом, его свет проделывает долгий растрёпывающий проход через озоновый слой (рисунок 3.13).
К тому времени, когда свет достигнет верхней части неба и рассеется вниз, к нам, по крайней мере половина оранжевого, жёлтого и красного света будет поглощена озоном, оставив сине-фиолетовый. Таким образом, сходство между дневным небом и сумеречным небом является совпадением. Если бы полоса Чаппуи была сдвинута на более короткие длина волн, наши сумерки были бы тёмно-красными. Другой способ отличить синий цвет неба поздних сумерек от синего дневного времени – смотреть на облачные сумерки. Дневное небо в пасмурный день серого цвета, но в пасмурные сумерки небо по-прежнему синее. Это связано с тем, что поглощение более длинных волн происходит на высотах, значительно превышающих высоты нахождения облаков. Хорошее полупопулярное обсуждение этого и всех тонкостей цвета неба можно найти в книге Гетца Хоппе «Почему небо голубое».