ГЖтИ
ш
w
FTTn
Pi 111
ш
иілі
_Ж
ІШ.
ІАк1
Iifj
ММііІчмТкГД
[ГІТТнТі
ТцТчУТТТиітт!
1 iV 1

Памяти Марии Кирилловны Лисицы
и Марии Александровны Валах
М! Лисица, М.Я. Валах
Занимательная оптика:
Атмосферная и космическая оптика
Киев, 2002 г.

Аннотация
В книге в популярной форме рассмотрены час¬
то наблюдаемые атмосферные оптические
явления: такие как голубой цвет неба, ноч¬
ное свечение атмосферы, видимое увеличение
солнечного и лунного дисков при восходе и за¬
ходе, их покраснение у линии горизонта, радуга,
корона, венцы, а также более редкие, которые
не каждому удавалось наблюдать: шаровая и че¬
четочная молнии, полярные сияния, свечение
серебристых облаков, гало, ложные солнца, сол¬
нечные столбы, кресты и мечи, глории, нимбы.
Обсуждаются спектры теплового излучения Земли,
спектры отражения солнечных лучей различными
участками планет Солнечной системы, спектры
Солнца и звезд, свечение туманностей.
Отдельные разделы посвящены излучению комет и
метеорных тел, использованию солнечной энергии
в быту, промышленности и процессах фотосинте¬
за. Рассмотрены перспективы на будущее, в част¬
ности - реализация космических полетов под сол¬
нечными парусами и создание солнечных электро¬
станций в космосе •

Введение
Нам представляется, что зрение является глав¬
ным органом чувств человека, позволяющим не
только ориентироваться в пространстве и обес¬
печивающим его трудовую деятельность, но также
восхищаться красотами окружающего мира и из¬
влекать необходимые уроки для их сбережения.
Земля является таким же рядовым космическим
телом, как и другие планеты Солнечной системы.
Происходящие в ее атмосфере оптические явления
на протяжении тысячелетий привлекали внимание
людей, вызывая у них не только радостные эмо¬
ции, но часто приводили в ужас своими трагичес¬
кими последствиями. Поэтому мы сочли целесооб¬
разным выделить все, что связано с Землей, в от¬
дельную часть космической оптики - атмосферную
оптику.
Человеческий глаз воспринимает лишь незначи¬
тельную часть спектра электромагнитных волн в
интервале от 0,4 до 0,75 микрометра, позволяю¬
щих видеть все происходящее вокруг нас во всех
цветах радуги и многочисленных цветовых опен¬
ках. Это обстоятельство явилось главной причиной
ограничения описания и анализа оптических явле¬
ний только с помощью квантовых переходов ато¬
мов и молекул, попадающих в видимую область
спектра. Лишь в отдельных случаях нам не удалось
избежать посылок на неводимые ультрафиолето¬
вые и инфракрасные лучи. Что же касается гамма-,
рентгеновского и радиоизлучений, они остались не
использованными, несмотря на то что в роде слу¬
чаев именно они позволяют со всей полнотой от¬
ветить на давно возникшие и вновь возникающие
вопросы.
Привлечение жесткой части электромагнитного из¬
лучения — гамма- и рентгеновских лучей, а также
используемых астрономами радиоволн различных
частотных интервалов, повлекло бы за собой зна¬
чительное увеличение объема книги и изменение
ее названия. Возможно, наши слова станут побуж¬
дающим фактором для специалистов, работающих
в упомянутых областях шкалы электромагнитных
волн и они предложат читателю новые научно-по¬
пулярные книги соответствующего содержания. Вся
информация о происходящих во Вселенной про¬
цессах, включая оптические явления в атмосфере
Земли, заключена в спектрах излучения, поглоще¬
ния, рассеяния и отражения. В одних процессах
проявляются одни спектры, в других - другие. На¬
пример, свечение ночного неба вызвано перехода¬
ми в нормальное состояние атомов кислорода, на¬
трия и других химических элементов. Атомные спе¬
ктры состоят из отдельных узких линий, положение
которых на шкале частот давно установлено лабо¬
раторными экспериментами для всех существую¬
щих в природе и полученных искусственным путем
химических элементов. Более сложные частицы —
молекулы излучают полосатые спектры, состоящие
из многих, объединяющихся в отдельные группы
линий. Излучение нагретых твердых тел характери¬
зуется сплошным спектром. Таким же спектром об¬
ладает любая звезда, в том числе и наше Солнце,
хотя они отнюдь не являются твердыми телами. На
фоне сплошного спектра температурного излучения
Солнца спектральный прибор регистрирует огром¬
ное количество темных узких линий поглощения
различных химических элементов, атомы которых
под действием солнечного излучения переходят в
возбужденные состояния, поглощая те кванты све¬
та, которые сами могут излучать.
Чтобы сделать конкретные выводы о химическом
составе кометных одер и хвостов, не обойтись без
анализа спектров не только излучаемых ими, но
также спектров поглощения и рассеяния.
Этими, возможно, несколько пространными заме¬
чаниями мы хотим оправдать включение в книгу
разделов о спектрах атомов, молекул и так называ¬
емого абсолютно черного тела. Их усвоение помо¬
жет читателю глубже проникнуть в суть описывае¬
мых оптических явлений, прочувствовать уровень
достигнутого в изучении околоземного пространст¬
ва и Вселенной в целом, понять возможности и
трудности, возникающие перед человеком при
прогнозировании экологических последствий на
многие годы вперед.
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ НВТНКА

Атмосферная и космическая оптика
В спектроскопических разделах, в рассказе об аб¬
солютно черном теле и некоторых других разделах
мы сочли целесообразным привести не очень
сложные формулы, отображающие наиболее важ¬
ные закономерности, на которые пришлось ссы¬
латься при объяснении наблюдаемых явлений. Од¬
нако, если читатель не захочет серьезно вникать в
эти закономерности, он может ограничиться опи¬
сательной частью происходящего. Наоборот, при
желании более глубоко осмыслить физику явле¬
ния, каждый может обратиться к литературным ис¬
точникам, приведенным в конце книги.
То, что происходит в атмосфере Земли, происходи¬
ло и на заре человечества, повторялось и продол¬
жает многократно повторяться. Создав вместе с
внешним обликом Земли ноосферу - сферу разу¬
ма, человек, к сожалению, явился творцом много¬
численных насильственных преобразований в при¬
роде, которые нельзя признать разумными. Они
вызваны катастрофическим ростом потребления.
Авторы не смогли обойти этот вопрос молчанием.
Несмотря на то что книга относится к серии науч¬
но-популярных, в ней затронуты также проблемы,
представляющие на протяжении ряда лет предмет
серьезных научных дискуссий, далеко не завер¬
шенных и по сей день. В отдельных случаях по не¬
которым проблемам авторы не устояли перед со¬
блазном высказать и свою точку зрения.
Многочисленные литературные памятники древне¬
го мира, художественные произведения писателей
последующих лет, образцы произведений живопи¬
си, легенды и мифы народов мира, создававшиеся
на протяжении более четырех тысячелетий, отра¬
жают пристальное внимание человека к явлениям
природы, в особенности к оптическим.
Повышенный интерес к такого рода сведениям не
прошел мимо нашего внимания, поэтому историчес¬
ким аспектам отведено значительное место в книге.
Авторы благодарны директору Крымской астрофи¬
зической обсерватории академику РАН, академику
НАН Украины профессору Н.В. Стешенко, директо¬
ру Главной астрономической обсерватории НАНУ
академику НАНУ профессору Я.С. Яцкиву, профес¬
сору Астрономической обсерватории Киевского на¬
ционального университета имени Тараса Шевченко
К.И.Чурюмову, заведующему солнечным отделом
Главной астрономической обсерватории НАНУ,
члену-корреспоеденту НАНУ Р.И. Костыку, профес¬
сору Главной астрономической обсерватории НАНУ
Л.М. Шульману за предоставление некоторых ма¬
териалов и обсуждение отдельных вопросов.
Эта работа была частично поддержана Междуна¬
родной Соросовской программой поддержки обра¬
зования в отрасли точных наук (ISSEP), грант
N EPU 052023 •
4
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ ІІТІ1А

Спектры атомов
Спектры атомов
Планетарная модель атома.
Атом еодорода и теория Бора
«Пустъ это безумие,
но в нем есть метод».
Гейзенберг,
1920 г.
многочисленных оптических явлениях в земной
атмосфере и космосе неизбежно приходится
встречаться со спектрами. Именно они, как
правило, являются источником информации о про¬
цессах, происходящих во Вселенной, о состоянии
и строении вещества в звездах, атмосферах пла¬
нет Солнечной системы, кометах, туманностях и в
разреженном космическом пространстве.
Надеемся, что среди читателей этой книги, не
имеющих специального физического образования,
немало таких, кто хотя бы на школьном уровне по¬
мнят сведения о простейшем спектре атома водо¬
рода, о сплошном спектре Солнца и раскаленных
тел. Тем же, кто давно оставил стены родной шко¬
лы, будет полезно ознакомиться с фрагментарным
изложением некоторых сведений о линейчатых
спектрах отдельных атомов, ионов, молекул и о
сплошном спектре так называемого абсолютно
черного тела и Солнца.
Начнем с простейшего атома водорода, состояще¬
го из ядра и обращающегося вокруг него электро¬
на. В самом легком и наиболее распространенном
в природе изотопе водорода протии Н ядром явля¬
ется протон, в менее распространенном дейтерии
D (в природных соединениях, например, морской
воде, общее количество протия в 6800 раз боль¬
ше, чем дейтерия) ядро состоит из протона и ней¬
трона, частицы, лишенной электрического заряда.
Есть еще третий, радиоактивный изотоп водорода
тритий Т, его ядро состоит из одного протона и
двух нейтронов.
А теперь, прежде чем переходить к рассмотрению
планетарной модели Н. Бора, предложенной им в
1913 г., приведем некоторые высказывания весьма
известных и выдающихся ученых начала ХХ-го века
о теории Бора. Они свидетельствуют о том, как
трудно было воспринимать с сегодняшней точки
зрения азы новой физики даже людям, внесшим ог¬
ромный личный вклад в развитие этой науки.
В том же 1913 годуА.Эйнштейн сказал по поводу
постулатов Н. Бора: «Если это правильно, то это
означает конец физики как науки».
В том году и в том же духе высказался немецкий
физик-теоретик А. Шустер: «Я убежден, что это
учение является роковым для здорового развития
науки».
Очень переживал появление постулатов Н. Бора
творец электронной теории металлов Г.А. Лоренц.
Имеются сведения о том, что он чуть ли не поте¬
рял смысл в продолжении своей деятельности и
предпочел бы умереть до появления постулатов
Бора и начал квантовой теории. Вот одно из его
высказываний: «Все это очень красиво и крайне
важно, но, к сожалению, не очень понятно. Мы не
понимаем ни гипотезы Планка об осцилляторах, ни
запрета нестационарных орбит, и мы не понима¬
ем, как же в конце концов образуется свет соглас¬
но теории Бора. Не подлежит сомнению, что меха¬
нику квантов, механику дискретного, еще предсто¬
ит создать.» (Г.А. Лоренц, 1923 г.).
Даже В. Паули, дополнивший в 1925 году постула¬
ты Н. Бора своим принципом («на каждом энерге¬
тическом уровне не могут находиться два электро¬
на с одинаковыми спинами»), в том же году гово¬
рил: «Физика теперь снова зашла в тупик, во вся¬
ком случае для меня она очень трудна, и я предпо¬
чел бы быть комиком в кино или кем-нибудь вроде
этого и не слышать ничего о физике».
Что и говорить, новая теория далеко не всегда
воспринимается с радушием, особенно лицами,
которые уже сами внесли существенный вклад в
развитие той или иной научной отрасли. Ведь да¬
же у самого Н.Бора тогдашнее положение теории
вызывало «чувство грусти и безнадежности».
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ НВТНКА

Атмосферная и космическая оптика
Рис. 1
Первые шесть электронных орбит атома водорода и образование серии Бальмера.
Длины волн даны в ангстремах; 1А = 10"8 см
Прошли годы и все стало на свои места. Теория
Бора прочно вошла в спинной хребет физики -
квантовую теорию, а сам ученый стал всемирно из¬
вестным и почитаемым человеком. Здесь для ил¬
люстрации можно привести короткое сообщение
Л.И. Пономарева: «На склоне лет Н. Бор приехал в
нашу страну и посетил Грузию. В один из дней
среди гор в долине Алазани он отдыхал с группой
физиков. Неподалеку от них расположились кресть¬
яне из окрестных селений и по старинному обычаю
во главе с тамадой пили вино и пели песни. Нильс
Бор человек не только великий, но и любознатель¬
ный, подошел к ним и был принят с традиционным
радушием. «Это знаменитый ученый Нильс Бор ...»
- начали объяснять физики. Но тамада жестом ос¬
тановил их и, обращаясь к сотрапезникам, произ¬
нес тост: «Друзья, к нам в гости приехал самый
большой ученый мира Нильс Бор. Он создал атом¬
ную физику. Его труды изучают школьники всех
стран. Он приехал к нам из Дании. Пожелаем же
ему и его спутникам долгих лет жизни, счастья,
крепкого здоровья. Пожелаем его стране мира и
благополучия». Речь тамады тихо переводили Бору,
и когда тот кончил говорить, с земли поднялся ста¬
рик, взял обеими руками руку Бора и бережно ее
поцеловал. Следом за ним поднялся другой горец,
наполнил чашу вином и, поклонившись Бору, вы¬
пил ее. Нильс Бор всю жизнь провел среди пара¬
доксов квантовой механики. Но даже его поразила
нереальность происходящего: он заплакал от удив¬
ления и благодарности».
В соответствии с планетарной моделью атома,
предложенной в 1913 г. Нильсом Бором и состоя¬
щей в том, что электроны в атомах вращаются во¬
круг едра по круговым и эллиптическим орбитам,
подобно планетам Солнечной системы, эти орбиты
отвечают стационарным энергетическим состояни¬
ям, которые легко определяются по формуле:
где т и е — соответственно масса и заряд элек¬
трона, п - главное квантовое число, й =Ь/2ж,
где h - постоянная Планка, Еп - энергия, кото¬
рую необходимо затратить, чтобы удалить элек¬
трон с орбиты п на бесконечность. На рис. 1
представлены первые шесть орбит атома водоро¬
да, а стрелками показано, как образуются 5 ли¬
ний излучения серии Бальмера, первым получив-
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ ОПТИКА

Спектры атомов
шим формулу, описывающую положение линий
этой серии на шкале энергий.
Атом может не только испускать, но и погло¬
щать свет в виде отдельных квантов (гипотеза
Планка - Эйнштейна). Планк предположил, что
свет испускается отдельными порциями, т.е.
квантами, а Эйнштейн подправил его, предпо¬
ложив, что процесс поглощения также является
квантовым.
Свет - двуликое образование. В одних случаях им
оперируют как с потоком частиц, получивших на¬
звание фотонов, а в других его представляют в ви¬
де электромагнитной волны. Нам придется поль¬
зоваться обоими представлениями.
Энергия квантового перехода с уровня п на уро¬
вень пр может бытъ вычислена с помощью форму¬
лы (1) как разность энергий двух орбит
Е„ -£0|. Она равна произведению постоянной
Планка h на частоту ѵпп рассматриваемого пере¬
хода:	1
Лѵ„„. = £„	=
те
~тК2
п; -п
О
Переходя к длинам волн X, связанным с частотой
соотношением X = — , где с - скорость света в
пустоте, получим: ѵ
2 п2теіГ
he
2 2
~n
О
1
Величину x i обратную длине волны, называют
волновым числом и часто обозначают тем же сим¬
волом, что и частоту. Во избежание путаницы мы
рядом с символом ѵ будем писать размерность
волнового числа (см-1). В оптике это не приводит
к недоразумениям, т.к. в отличие от диапазона ра¬
диоволн здесь обычно пользуются не частотой, а
длиной волны и волновым числом, указывающим,
сколько раз определенная длина волны укладыва¬
ется на отрезке 1 см.
Множитель при скобках в (3) содержит только по¬
стоянные величины. Его обозначают буквой R и на¬
зывают константой Ридберга, по имени ученого,
впервые установившего ее значение (1890 г.) пу¬
тем анализа сериальных зависимостей в спектрах
атомов. Только после того, как Н. Бор создал свою
теорию, оказалось, что она с большой степенью
точности равна множителю из мировых постоянных
в формуле (3). Численное значение постоянной R
для атома водорода равно 109677,581 см'1.
На рис. 2 приведена диаграмма девяти энергетиче¬
ских уровней водородного атома. Стрелками пока¬
зано образование четырех серий. Первая, наиболее
коротковолновая, попадает в ультрафиолетовую об¬
ласть спектра. Она названа серией Лаймана, пер¬
вым обнаружившим и описавшим ее. Только для
этой серии характерны оптические переходы с из¬
лучением со всех возбужденных уровней в нор¬
мальное состояние атома, которому отвечает орби¬
та с главным квантовым числом п = 1. Для всех ос¬
тальных серий, число которых, как и самих уров¬
ней, бесконечно велико, переходы возникают толь¬
ко между возбужденными состояниями. Если ни¬
жайшему энергетическому состоянию отвечает
квантовое число п = 3, имеем серию Пашена, при
п
X
Рис. 2
Электронные уровни и квантовые пере¬
ходы между ними для атома водорода
ЗДННМДТЕПЬНДИ ОПТИКА
7

Атмосферная о космическая оптика
Рис. 3
Спектры испускания (а)
атома водорода (серия
Бальмера — длинные
линии) и однажды
ионизированного атома
гелия (серия Пикеринга —
короткие линии).
Спектр поглощения (б)
атома натрия в главной
серии без четырех
первых линий
л = 4 — серию Бреккета, при п = 5 - серию
Пфундта. Последняя на диаграмме не показана.
На рис. За показана серия Бальмера (линии На,
Нр, Н , Н5, Н8 и др.) и серия Пикеринга (короткие
линии), принадлежащая однажды ионизированно¬
му атому гелия Не+.
На рис. 36 приведен спектр поглощения атома на¬
трия в главной серии без четырех первых линий.
Большинство серий водородного атома (и не толь¬
ко водородного) далеко не просто наблюдать. Ведь
для получения полного спектра необходимо нали¬
чие в достаточной концентрации атомов на всех
энергетических уровнях. В лабораторных условиях
весьма проблематично создать такую ситуацию.
Представьте себе, что вы захотели зарегистри¬
ровать переход с излучением кванта света между
уровнями 10-9 или 18-5. Для этого в объеме воз¬
бужденных атомов должны в значительной мере
преобладать частицы с заполненными электронами
орбитами, номера которых в первом случае п = 10,
а во втором п = 18. Наоборот, орбиты п = 9 в пер¬
вом случае и п = 5 - во втором должны быть сво¬
бодными от электронов. Оказывается, и этого еще
недостаточно для получения желательных спект¬
ральных линий. Надо еще, чтобы вероятности вы¬
деленных нами переходов были максимальными, а
они-то не зависят от нашего желания. Если атом
возбужден на уровень п = 10, он может опуститься
на любой иной более низкий уровень, а не на вы¬
деленный нами девятый. Выходит, получитъ нуж¬
ную спектральную линию водородного атома, тем
более когда речь едет о высоких энергетических
состояниях, не так просто. Не удивительно, что, не
смотря на крупные успехи оптики и спектроскопии
в прошлом и в первую половину XX века, самую
длинноволновую из зарегистрированных в лабора¬
торных условиях линию водородного атома, соот¬
ветствующую переходу электрона из возбужденно¬
го состояния п = 7 в возбужденное п = 6, удалось
поймать лишь в 1952 году. Она имеет длину волны
12,3 мкм' и попадает в инфракрасную область спе¬
ктра. Нужно было проявить незауредное экспери¬
ментальное мастерство и изготовитъ специальную
установку, чтобы опыт увенчался успехом.
Быстрое схождение энергетических уровней к гра¬
нице п ->■ оо для любой серии свидетельствует о
* 1 мкм = Ю'4 см.
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ ОПТИКА

Спектры атомов
том, что при участии в формировании спектраль¬
ных линий состояний с большими значениями п,
частоты электромагнитного излучения могут попа¬
дать в область радиоволн, которыми занимаются
уже не оптики, а радиоастрономы и радиофизики.
Задолго до постановки космических опытов по об¬
наружению водородных линий радиодиапазона над
этой проблемой работали теоретики, в том числе
Астрономического института им. П.К. Штенберга
(г. Москва). В 1959 г. они пришли к выводу, что в
космических облаках ионизированного водорода его
ядра, т.е. протоны, продолжительное время могут
не испытывать близкой встречи со свободными эле¬
ктронами и не образовывать нейтральных атомов.
При таких условиях имеется большая вероятность
захвата электронов протонами на удаленные от них
орбиты, например, с главным квантовым числом
п = 100. Переход электрона на соседнюю орбиту с
п = 99 дает радиоволновый квант излучения.
Радиоастрономы-наблюдатели, недолго мешкая,
тут же начали охоту за предсказанными радиовол¬
нами. Успех пришел только через 5 лет к сотруд¬
никам Физического института им. П.Н. Лебедева
(г. Москва). С помощью телескопа с диаметром
зеркала 22 м и высокочувствительным радиоспект¬
рометром диапазона 3,3 см в спектре туманности
Омега была обнаружена линия водорода с часто¬
той 8,872 ГГц*. Она отвечает переходу л91 ->■ пт.
Говорят, "лиха беда-начало". Не успели порадо¬
ваться открытию ФИАНа, как в Главной астрономи¬
ческой обсерватории СССР (Пулково) зарегистриро¬
вали более длинноволновый переход - с 105-го на
104-й уровень с длиной волны 5,2 см.
В следующем 1965 году квантовые переходы между
еще более удаленными орбитами л110 пт, л157
-> п156 и л158 ->■ л157 обнаружены в США: Нацио¬
нальной астрономической обсерваторией (первый) и
обсерваторией Гарвардского университета (второй и
третий). Обнаруженные линии обладают очень малой
полушириной, т.е. каждая из них занимает очень уз¬
кий интервал частот. Это противоречило сложив¬
шимся представлениям о влиянии космической плаз¬
мы на их параметры, в том числе на полуширину.
* 1 ГГц = 1 о9 Гц
Из существовавших теорий следовало уширение
спектральной линии с увеличением номера орби¬
ты, из которой электрон совершает излучательный
переход на соседнюю орбиту. Эксперимент пока¬
зал диаметрально противоположный эффект. Тео¬
ретикам пришлось пересмотреть прежние взгляды
о влиянии космической плазмы на энергетические
состояния атомов. По новой теории возмущение
атомных уровней электрическим полем плазмы
приводит к их смещению, а не размытию. Причем,
это смещение совершенно одинаково для сосед¬
них уровней как по направлению, так и по величи¬
не. В итоге разность энергий двух атомных состоя¬
ний оказывается неизменной, хотя каждый уровень
смещается очень сильно.
Поиски новых линий атомарного водорода, соответ¬
ствующих более высоким квантовым числам, пред¬
принимались советскими и немецкими радиоастро¬
номами на новейших радиотелескопах. Широкая
программа исследований завершилась триумфом
астрофизиков ФИАНа и Радиоастрономического
института АН Украины. Удалось наблюдать линии,
соответствующие очень большим квантовым чис¬
лам, вплоть до п = 732. Анализ полученных резуль¬
татов и новые теоретические исследования привели
к потрясающему выводу: водородный атом как
квантовая система может существовать на уровнях
возбуждения, достигающих п = 1000! Какие же раз¬
меры будет иметь этот атом, когда электрон ока¬
жется на столь удаленной от адра орбите? Восполь¬
зовавшись формулой для радиуса боровской орби¬
ты с главным квантовым числом п = 1000
n2h2	л
1000	4 к2 те2
после подстановки в нее значений известных ми¬
ровых постоянных и проведения вычислений полу¬
чим г1000= 0,1 мм. Положив в формуле п = 1, по¬
лучим радиус первой орбиты. Он равен 0,528-Ю-8 см,
т.е. приблизительно 0,5 А. Зная радиусы г1000 и гѵ
легко подсчитать объемы, которые занимает атом
водорода в нормальном состоянии (п = 1) и в воз¬
бужденном на уровень п = 1000. Их отношение со¬
ставляет примерно 10-17. Если радиус орбиты
п = 1 считать равным диаметру макового зерныш-
3 А Н И М Alt Л Ь Н Л Я ОПТИКА

Атмосферная п космическая оптика
ка, радиус орбиты л = 1000 составит 1 км. Еще
более разительные цифры получим, использовав
для сравнения не первую орбиту, а размер прото¬
на - ядра водородного атома. Его диаметр поряд¬
ка 10-13 см, т.е. в 50 000 раз меньше радиуса пер¬
вой боровской орбиты. Не правда ли, поразитель¬
ный результат? Можно ли дать пример какогони-
будь макроскопического тела, способного разбух¬
нутъ до размеров, превышающих в 1017 раз перво¬
начальные, сохранив при этом собственное имя и
все свои особенности? Разве что непрерывно рас¬
ширяющаяся Вселенная. После большого взрыва,
став Вселенной, она всегда оставалась и остается
сама собой, т.е. имя свое сохраняет, но особеннос¬
ти ее элементов непрерывно изменяются.
Совершенствование методов радиоспектроскопии
позволило наблюдать спектральные линии, соот¬
ветствующие электронным переходам с очень уда¬
ленных от ядра орбит не только для водородных
атомов, но также для атомов углерода, серы, ге¬
лия и других многоэлектронных атомов. Их спект¬
ры гораздо сложнее водородного, т.к. они распо¬
лагают более сложными совокупностями энерге¬
тических состояний, из-за наличия большого чис¬
ла электронов •
Многоэлектронные атомы
Число электронов атома любого химического эле¬
мента равно числу протонов в ядре. Оторвав от него
каким-либо образом один электрон, получим ион,
обладающий одним единичным положительным за¬
родом. Такой атом называют однократно ионизиро¬
ванным. При удалении двух электронов получим
двукратно ионизированный атом и т. д. У полностью
ионизированного атома остается только одро.
Ионизированный атом, у которого остался лишь
один электрон, называется водородоподобным. Его
спектр может быть описан формулой (3), но с дру¬
гим значением постоянной Ридберга. Дело в том,
что формулы (1)—(3) записаны в хорошо выполня¬
ющемся предположении, что масса ядра бесконеч¬
но велика по сравнению с массой электрона (одро
неподвижно). Строго же говоря, масса электрона в
этих выражениях должна заменяться приведенной
массой электрона и ядра. Поэтому R зависит от
массы ядра. Так, для самого легкого атома водоро¬
да R= 109677,581 см-1, а для воображаемого ато¬
ма с бесконечно тяжелым ядром R= 109737,308
см-1. Кроме того, положение спектральных линий
водородоподобных атомов зависит также от элект¬
рического заряда ядра. В общем случае для такого
рода атомов вместо (3) будем иметь:
ѵ^м ~')=Z2R
О
где Z - зарод одра в единицах элементарного эле¬
ктрического зарода, равного зароду электрона,
только противоположного знака. Постоянная Рид¬
берга для каждого атома будет своя. Она заметно
изменяется только для легких водородоподобных
атомов и очень слабо, начиная с кремния и закан¬
чивая ураном.
Подставив в формулу (5) Z= 2, соответствующее
зароду одра атома гелия, значение /?Не и положив
п1 = 5, 6,7 ..., получим значения частот (в см-1),
хорошо укладывающиеся в зависимость (5).
Совокупность линий с такими частотами задала за¬
дачу и астрономам и спектроскопистам. Впервые
она была обнаружена в конце прошлого века Пике¬
рингом в спектре одной из изучаемых им звезд. У
этой серии было так много общего с бальмеров-
ской серией водорода, что имеющиеся расхожде¬
ния пытались объяснить особым состоянием водо¬
рода в атмосфере звезды. Удивляло больше всего
то, что линии неизвестного атома через одну почти
совпадали с линиями серии Бальмера, но между
ними находились лишние, составляющие еще одну
серию (рис. За).
Долго экспериментировали с водородом в лабора¬
ториях, чтобы выяснить природу серии Пикеринга.
В конце концов оказалось, что никакого отношения
к атому водорода она не имеет, а принадлежит од¬
нажды ионизированному атому гелия. У него всего
2 электрона, поэтому, потеряв один, атом гелия
ЗАННМАТЕПЬНАП ОПТИКА

Спектры атомов
превращается в идеальный водородоподобный
атом, способный образовать серию линий типа
бальмеровской.
Несмотря на то что у однажды ионизированного
атома гелия всего один единственный электрон,
его спектр не может совпадать со спектром во¬
дорода, т.к. ядро гелия в 4 раза тяжелее водо¬
родного, к тому же имеет в два раза больший
заряд.
Спектры любого атома можно классифицировать
по сериям. Например, для атомов щелочных ме¬
таллов, - лития, натрия, калия и др. - различают
четыре типа серий: главную, резкую, диффузную и
серию Бергмана.
Любая серия любого атома или иона может наблю¬
даться не только в спектре его излучения, но также
в спектре поглощения. Если газ холодный, он спо¬
собен поглощать те кванты света, которые отвеча¬
ют энергиям возбуждения из нормального в более
высокие возбужденные состояния. На рис. 36 в ка¬
Пространсшвенное квантование
«Законы квантования в своей тео¬
ретической формулировке носят
до некоторой степени теологичес¬
кий характер, для натуралиста со¬
вершенно неприемлемый, так что
многие ученые по справедливости
возмущаются этими Bauer-Regel*.
А.Эйнштейн, 1922 г.
Теория Бора явилась лишь первым приближением
в объяснении атомных спектров. Опыты показали,
что спектральные линии имеют сложную структу¬
ру: они состоят из нескольких компонентов, число
которых равно главному квантовому числу. Таким
образом, при п = 3, например, атом водорода
имеет не одну орбиту, а три, причем две из них
эллиптические. На рис. 4 показаны все возмож¬
ные орбиты атома водорода для главных кванто¬
вых чисел 2, 3, 4. При п = 1 имеем одну круговую
* Bauer-Regel - крестьянское правило.
честве примера приведен спектр поглощения паров
натрия. Он отражает главную серию без четырех
первых линий, попадающих в более длинноволно¬
вую область спектра, не показанную на рис. 36.
Подобно водородным сериям, она также имеет гра¬
ницу схождения, как и любая серия любого другого
атома или иона. Всматриваясь в очень близко рас¬
положенные линии у границы серии, отвечающие
переходам на уровни, главное квантовое число ко¬
торых не превышает 20, задумываешься, какими же
бесконечно узкими должны быть энергетические
уровни высоко возбужденных состояний с главны¬
ми квантовыми числами в несколько сот единиц,
чтобы они не перекрывались друг с другом и дава¬
ли излучательные переходы в радиочастотной об¬
ласти. Такие состояния должны быть долгоживущи¬
ми, так как в соответствии с теорией, ширина спек¬
тральной линии пропорциональна обратному вре¬
мени жизни атома в том состоянии, из которого со¬
вершается излучательный переход •
орбиту 1s. Этот результат получен обобщением
теории Бора немецким физиком А. Зоммерфель-
дом, использовавшим аналогию с небесной меха¬
никой. В соответствии с теорией Зоммерфельда
каждое состояние атома можно описать двумя
квантовыми числами, главным л и побочным /,
принимающим л значений: 0,1,2,... я_1. Для ос¬
новного состояния п = 1 /= 0 и получается лишь
одна круговая орбита; для состояния п = 3 их бу¬
дет три, причем одна также является круговой.
Все наши рассуждения относились к атомам, сво¬
бодным от влияния магнитных и электрических по¬
лей. Попав в магнитное поле, атом подвергается
его возмущающему действию, в результате которо¬
го энергетические уровни, соответствующие орби¬
там с побочным квантовым числом / > 0, расщеп¬
ляются на 2/ + 1 компонент. Не расщепляется
только уровень л = 1. Такой процесс называют про¬
странственным квантованием. Смысл пространст¬
венного квантования заключается в различном по-
3 А И И М А Т Е Л Ь Н Л Я ОПТИКА

Атмосферная и космическая оптика
Рис. 4
Круговые и эллиптические орбиты для
различных значений побочного кванто¬
вого числа I при значениях главного
квантового числа л = 2(а), п= 3(6) и
п = 4 (в)
Рис. 5
Расщепление энергетических уровней
атома водорода с главными квантовы¬
ми числами п = 1, 2, 3, 4 в результате
действия внешнего магнитного поля и
влияния спина
ложении электронных орбит в пространстве с раз¬
личными значениями магнитного квантового числа
т, принимающего 21+ 1 значений: 1,1-1,1-2	-/.
Но не думайте, что мы исчерпали все возможные
усложнения энергетических состояний атомов,
проявляющихся в их спектрах. Есть еще один фак¬
тор, вносящий определенную лепту в процесс ус¬
ложнения. Это так называемый спин электрона.
Допустив правомерность планетарной модели,
обязывающей электрон обращаться вокруг атомно¬
го ядра по круговой или эллиптической орбите, мы
не должны забывать, что планеты, например, наша
Земля, имеют не только орбитальное движение, но
также вращение относительно собственной оси.
Приписав подобное вращение электрону, мы вво¬
дим понятие спина*. Поскольку вращение может
иметь два направления - по часовой стрелке и
* Английское слово "спин", тождественное русскому "волчок",
вошло в русскую физическую терминологию без изменений.
12
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ НАТИКА

Спектры атомов
против часовой стрелки - каждое из возникших
ранее состояний после наложения магнитного поля
дополнительно расщепляется на два в соответст¬
вии с двумя возможными значениями спинового
квантового числа: S = +- и S = В итоге ор-
2 2
бита п = 1 будет вырождаться в две, п = 2 - в 8,
п = 3 - в 18, а п = 4 - в 32. Все эти усложнения,
подтвержденные опытом, представлены в виде ди¬
аграммы на рис. 5.
Квантовые переходы между соседними спиновыми
состояниями также удалось наблюдать. Принимая
радиоизлучения различных небесных тел, в том
числе целых галактик, астрономы обнаружили из¬
лучение с длиной волны 21 см. Оно регистрирова¬
лось в самых различных направлениях Вселенной.
Непросто было установить его природу до
оформления соответствующей теории, позволив¬
шей оценить разность энергий, отвечающих двум
значениям спинового квантового числа. Ока¬
залось, что она точно равна энергии кванта элект¬
ромагнитного излучения с длиной волны X = 21 см.
Это означает, что одно из двух спиновых состоя¬
ний является возбужденным по отношению к дру¬
гому состоянию. Таким образом, загадка космиче¬
ского радиоизлучения с упомянутой длиной волны
перестала существовать. Ее излучает водород, на¬
иболее распространенный химический элемент в
космическом пространстве и звездных образова¬
ниях. Спектры его атома, молекулы и иона хорошо
известны астрофизикам •
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ О П Т Н К А
13

Атмосферная о космическая оптика
Молекулярные
спектры
Введение
В космическом пространстве, атмосферах планет
Солнечной системы и звезд, в оболочках и хвос¬
тах комет, галактических туманностях астрофи¬
зиками установлено наличие разнообразных молекул
органических и неорганических веществ. Большин¬
ство из них - двухатомные и трехатомные образова¬
ния в виде нейтральных частиц или молекулярных
ионов. В связи с этим полезно привести некоторые
сведения о формировании молекулярных спектров.
В предьщущем разделе было показано, что спектры
атомов возникают исключительно в результате эле-
Электронные состояния
двухатомных молекул
Чисто электронные состояния двухатомной мо¬
лекулы характеризуются потенциальными кривы¬
ми, каждая точка которых отвечает определенно¬
му относительному положению ядер атомов. По¬
тенциальная кривая нижайшего (основного) эле¬
ктронного состояния обязательно имеет мини¬
мум, соответствующий равновесному расстоя¬
нию между ядрами атомов. Смещение ядер в
электронной оболочке осуществляется относи¬
тельно этого равновесного положения с часто¬
той, зависящей от их массы и силы связи между
ними. Чем больше константа связи и меньше
масса ядер, тем выше частота внутримолекуляр¬
ного колебания.
На рис. 6 приведены четыре потенциальных кри¬
вых молекулы лития. Две нижние образуются из
одинаковых 2э-атомных состояний, две верхние -
из различных, а именно -Ч и 2р. Самая нижняя кри¬
вая описывает основное (нормальное) электронное
кіронных переходов из одного состояния в другое.
Атомные спектры являются, таким образом, чисто
электронными спектрами. Иная ситуация реализует¬
ся в молекулярных системах. Кроме изменения эле¬
ктронной энергии, здесь может происходить также
изменение энергии внутримолекулярных колебаний
атомов и вращений молекул. Даже при очень низких
температурах их атомы непрерывно колеблются от¬
носительно положения равновесия.
Электроны атомов, находящиеся на внешних, т.е.
наиболее удаленных от атомных ядер орбитах, яв¬
ляются обобществленными. Они осуществляют
химическую связь между одинаковыми или разны¬
ми атомами, образующими молекулу, и движутся
уже не по атомным, а по молекулярным орбитам.
Как и в случае атомов, эти орбиты характеризуют¬
ся определенными квантовыми числами, измене¬
ние которых отвечает определенному квантовому
переходу с рождением или поглощением кванта
излучения i
состояние. Вторая, изображенная пунктирной ли¬
нией, отражает состояние, в котором отсутствует
прочная химическая связь между атомами при лю¬
бом расстоянии между ними. Можно считать, что
при г < 1,8 А молекула существует бесконечно
малое время.
Из рис. 6 следует, что равновесное расстояние
между ядрами несколько меньше 3 А, а в возбуж¬
денном примерно равно этому значению. Такое со¬
отношение равновесных состояний характерно для
любой молекулы, в возбужденном состоянии она
«разбухает».
Если расстояние между ядрами лития по какой-
то причине станет равным 8 А, связь между ато¬
мами теряется и молекула превращается в сово¬
купность двух независимых атомов. Как следует
из рис. 6, область устойчивой химической связи
между атомами лития отвечает интервалу рассто¬
яний между ядрами примерно от 1,8 А до 8 А.
За пределами этого интервала молекула не су¬
ществует. У молекулы водорода этот интервал
уже - от 0,5 А до 2,25 А.
14
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ ОПТИКА

Молекулярные спектры
I Первые шесть электронных орбит
Длины волн даны в ангстремах
По аналогии с атомными системами, электронные
состояния которых обозначают латинскими буква¬
ми s, р, d, f, электронные состояния молекул обо¬
значают соответствующими буквами греческого
алфавита: Е, П, А, Ф,...
Находясь в непрерывном колебательном движе¬
нии, ядра атомов вносят свою долю в общую энер¬
гетику молекулы. Подобно электронным состояни¬
ям, колебаниям атомов также приписывают нор¬
мальное и ряд возбужденных состояний. Их изоб¬
ражают отрезками прямых, параллельных оси рас¬
стояний между ядрами атомов (рис. 6). Самый
нижний отрезок определяет нормальное колеба¬
тельное состояние. Его левый конец ограничивает
снизу возможное сближение ядер, а правый - от¬
вечает максимальному расстоянию между ними в
данном электронно-колебательном состоянии.
Следующий уровень принадлежит уже возбужден¬
ному колебательному состоянию. Переход на этот
уровень требует поглощения молекулой кванта из¬
атома водорода и образование серии Бальмера.
лучения, энергия которого равна расстоянию меж¬
ду рассматриваемыми уровнями. Наоборот, если в
результате каких-либо химических или тепловых
процессов молекула оказалась в первом возбуж¬
денном колебательном состоянии, то переход в
нормальное дает квант излучения. Из графика,
представленного на рис. 6, ясно, что энергия коле¬
бательного кванта значительно меньше энергии
электронного перехода, определяемого, например,
отрезком KL. Поэтому чисто колебательные спект¬
ры попадают в невидимую для глаза инфракрас¬
ную область, которая начинается примерно с дли¬
ны волны X = 0,75 мкм (для различных глаз эта
граница может быть различной) и тянется до мил¬
лиметровых радиоволн. Когда вы находитесь у
теплой батареи системы отопления, вы ощущаете
действие инфракрасных лучей, поэтому их называ¬
ют также тепловыми.
Движение электронов двухатомной молекулы про¬
исходит в поле осевой симметрии, а не сферичес-
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ ѴІТИНА
111

Атмосферная п космическая оптика
кой, как в случае любого атома. Это орбитальное
движение обладает своим орбитальным моментом
L Его проекции на молекулярную ось могут прини¬
мать L+1 различных значений, которые характери¬
зуются квантовым числом Л = 0, 1,2	L Это
означает, что каждому значению L соответствуют
L+1 состояний с различными энергиями. Так, зна¬
чение Л = 0 характеризует Е-состояние, Л = 1 -
П-состояние, Л = 2 - Л-состояние, Л = 3 - Ф-со-
стояние и т.д. Таким образом, имеем полную ана¬
логию с классификацией атомных электронных со¬
стояний. Она продолжается с учетом вращения
электронов вокруг собственной оси, т.е. их спи¬
нов, квантовые числа которых принимают только
два значения: s = ±- . Для двухатомной молекулы
минимальное число электронов равно двум (моле¬
кула водорода). В этом случае суммарный спин бу¬
дет равным нулю, если вращения обоих электро¬
нов имеют противоположные направления, или
единице - при их совпадении.
Для молекулы или молекулярного иона с тремя
электронами возможны следующие 4 значения
суммарного спина: gi = +1; $2 = s3 = +-;
S, = ■
1
, в соответствии с представленными
ниже комбинациями:
О
1
51 — Н	>■
1	2
1
S7 —	>■ >
2	2
1
Sr
1 1 1
2 2 2
2'
В общем случае при суммарном спине s в магнит¬
ном поле, создаваемом орбитальным движением
электронов, его проекция может приобретать
25 +1 различных направлений. Каждому из них со¬
ответствует квантовое число X. Его не следует пу¬
тать с Х-электронным состоянием. Таким образом,
X = S, S - I, S - 2	— S, всего 2S +1 значение.
Сумма орбитального и спинового электронного
момента дает полный момент, который характери¬
зуют квантовым числом L1. Оно всегда положи¬
тельно, т.е. Q =| A+Z |. Прямые скобки означают,
что в случае отрицательного значения суммы знак
минус отбрасывается.
Рассмотрим один пример. Пусть А = 2, S = 1.
Тогда квантовое число Q принимает три значения:
Q, = 2 + 1 = 3	(а), О, = 2 + 0 = 2 (б),
Оз = 2 + (-1) = 1 (в).
О
о
о
1
S1 -+2 ->
1
S7 — н	>
2 2
1
s3=+2^
1
5, =	>
'	2
1
s2- 2
1
5, =	>
3	2
1
5. = Н	>
' 2
1
S2 = + 2 ^
1
S,=
1 1 1
	1	1
2 2 2
3
2’
S,
2 2 2 _ 2’
S,=
1 1_1
2 + 2 2
I
2’
Квантовому числу А = 2 отвечает электронное со¬
стояние А. Тот факт, что Q принимает 3 значения,
говорит о трехкратном вырождении данного элек¬
тронного состояния молекулы, т.е. о совпадении
значений энергий трех состояний. Если такую мо¬
лекулу поместить в магнитное поле, вырождение
снимается и получаются три близко расположен¬
ных потенциальных кривых.
Нижайшее электронное состояние не бывает вы¬
рожденным, так как спиновое квантовое число для
него всегда равно нулю. Если теперь между нор¬
мальным электронным состоянием и рассмотрен¬
ным выше трехкратно вырожденным возбужден¬
ным состоянием возникнут квантовые переходы то
ли с излучением света, то ли с его поглощением, в
отсутствие внешнего магнитного поля получим
одиночную спектральную линию, а при его нали-
16
ЗДІИМНІЕЯЬІДЯ ОПТИКА

Молекулярные спектры
чии — три близко расположенные линии, иначе го¬
воря — триплет. Одиночную линию называют синг-
летом.
В зависимости от значений квантовых чисел А и 5,
различают синглетные, дублетные, триплетные,
квартетные, т.е., вообще говоря, мультиплетные
состояния. Обозначают мультиплетностъ соответ¬
ствующей цифрой сверху слева символа, опреде¬
ляющего электронное состояние молекулы. В спе¬
ктроскопии этот символ носит название терма.
Справа снизу от него ставят цифру, равную одному
из возможных значений квантового числа L1. Рас¬
смотренный пример можно проиллюстрировать
следующей простой диаграммой:
Знакомясь с квантовыми переходами между двумя
любыми энергетическими состояниями молекулы,
мы не касались представлений волновой механи¬
ки, оперирующей не только энергиями, но и вол¬
новыми функциями. В волновой механике вместо
орбитального движения электронов рассматривают
распределение электронного облака относительно
атомных ядер. Каждый электрон "размазывается"
в пространстве, принимая ту или иную конфигура¬
цию. В случае вырожденных электронных состоя¬
ний каждому из них приписывается столько раз¬
ных волновых функций, какова степень вырожде¬
ния. Для дублетного состояния, например, имеем
две волновые функции, для триплетного — три.
Если при отражении в любой плоскости, содержащей
ось молекулы, собственная функция электронного
состояния Е не меняет знака, его обозначают E' ,
при изменении знака - £~ Состояниям Е'и Е от¬
вечают различные потенциальные кривые молекулы.
Двухатомная молекула, состоящая из двух одина¬
ковых атомов, например Н2, 02 и др. (причем мас¬
сы ядер одинаковы, т.е. принадлежат одному и
тому же изотопу) имеют центр симметрии. Он на-
Интервалы
длин волн, А
4250-6700
4500
5000
5500	6000
2600-3700
2100-2600
2200-2650
2800—4500
СО _
2600
cog
3000
Нд Нд
3500
*11 ЙІІІІГІІ
2200
С02+
n2 n2 n2
2500
iBiiiilBiii ига
CO+ CO+ CO+CO+C H
2500
С Hg
3500	4000
Электронные спектры СО, CO+ и C02
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ ОПТИКА
1/

Атмосферная п космическая оптика
ходится на одинаковом расстоянии от атомных
ядер. Плоскость, построенная перпендикулярно к
молекулярной оси и проходящая через центр сим¬
метрии, является плоскостью симметрии. При от¬
ражении в этой плоскости электронная собствен¬
ная функция может менять знак или оставаться
неизменной. В первом случае имеем дело с чет¬
ным электронным состоянием, во втором — с не¬
четным. Их обозначают индексами "д"\л "и"внизу
справа от символа, характеризующего электрон¬
ное состояние: Sg,Zu,ne ,П„и т.д. Таким обра¬
зом, мы ввели все необходимые символы для
обозначения электронных состояний двухатомной
молекулы. Это сделано для того, чтобы читатель в
дальнейшем легко воспринимал встречающиеся
названия и символику молекулярных спектров, т.к.
они используются и при описании спектров более
сложных молекул, хотя в каждом конкретном слу¬
чае приходится встречаться с некоторыми особен¬
ностями, присущими именно данной молекуле. На
рис. 6 в качестве примера показано четыре элек¬
тронных терма молекулы лития’ѵ ,'ѵ+ ,3v'и'п„.
Один из них (Зѵ+) является неравновесным, так
как его потенциальная кривая лишена минимума.
Колебания двухатомных молекул
На рис. 6 на потенциальных кривых изображены
также колебательные уровни молекулы U2. Можно
заметить постепенное уменьшение расстояния
между соседними уровнями, вызванное ангармо¬
ничностью колебаний. Напомним читателю, в чем
заключается смысл этого понятия.
Двухатомную молекулу можно представить в виде
двух шариков, связанных некоторой "пружинкой".
Ее роль выполняют электроны. Растянув эту "пру¬
жинку" и затем отпустив шарики, получим колеба¬
тельную систему, движения которой характеризу¬
ются определенным периодом колебаний, равным
в случае одинаковых атомов
В таком состоянии химическая связь между ато¬
мами отсутствует. Можно говорить лишь о беско¬
нечно малой продолжительности существования
молекулы при любом значении неравновесного
расстояния г между атомами. И все же терм3
нельзя сбрасывать со счетов. Переходы с участи¬
ем таких термов дают непрерывные спектры по¬
глощения и излучения.
Чтобы установить, возможен или невозможен
квантовый переход между двумя электронно¬
колебательными уровнями, пользуются спе¬
циальными правилами отбора для квантовых
чисел.
Примеры электронных спектров с колебательно-
вращательной структурой двухатомной молекулы
СО, иона СО+ и для сравнения трехатомной моле¬
кулы С02 приведены на рис. 7. В нижней части
указаны линии примесей С02+, N2, Н , С и ОН.
Множество полос и изолированных линий дает
возможность выбора отдельных фрагментов с це¬
лью отождествления молекулы. Обращает внима¬
ние огромное различие сходных спектральных уча¬
стков спектров СО и СО+ •
где т - масса каждого атома, /-упругая постоян¬
ная "пружинки". Если т и /остаются постоянными
во времени, колебание будет гармоническим. В
противном случае - ангармоническим. Хотя масса
атома не претерпевает изменений в процессе ко¬
лебательного движения, упругая постоянная не¬
прерывно изменяется, т.к. постепенно теряется
энергия, подведенная к колебательной системе. К
тому же /зависит от величины смещения атомов,
иначе - от амплитуды колебаний. Отсюда ясно,
что подлинно гармонических колебаний в природе
не существует.
У двухатомной молекулы всего одно внутримолеку¬
лярное колебание: ядра атомов то сближаются, то
удаляются друг от друга.
Каждый колебательный уровень характеризуется сво¬
им колебательным квантовым числом о. Оно при¬
нимает значения О, 1, 2, 3.... Переход о0 > и, от-
з А н
М А Т Е Л Ь Н А Я АПТИКА

Молекулярные спектры
вечает возбуждению внутримолекулярного колеба¬
ния, обратный переход - излучению инфракрасно¬
го кванта света.
Как в атомах, так и в молекулах любой квантовый
переход, будет ли он электронным, колебательного
или смешанного типа, характеризуется определен¬
ной вероятностью. Если она нулевая, переход на¬
зывают запрещенным. В колебательном спектре
молекулы разрешены переходы между любыми ко¬
лебательными уровнями. Переход с первого на
второй образует основной тон, с первого на третий -
дает первый обертон основного колебания, с пер¬
вого на четвертый - второй обертон и т.д.
Двухатомная молекула имеет одно единственное
основное колебание, а состоящая из N атомов -
ЗЛ/ — 6 основных колебаний. Если она линейна, как
например молекула С02, тогда ЗЛ/ - 5 колебаний.
Часто их называют нормальными. Это выражение
определяет число так называемых внутренних сте¬
пеней свободы молекулы. Каждый атом имеет три
степени свободы, так как в трехмерном простран¬
стве может перемещаться в трех направлениях
вдоль трех взаимноперпендикулярных координат¬
ных осей Декарта х, у и z. Присоединив к данному
атому еще один, получим систему с 6-ю степенями
свободы. Из них следует вычесть те, которые ни¬
какого вклада во внутримолекулярное колебание
не дают. Это три поступательных степени, отвеча¬
ющие перемещениям молекулы как целого образо¬
вания вдоль упомянутых осей, и 2 вращательных,
связанных с вращением молекулы вокруг оси, со¬
единяющей ядра атомов, и вокруг перпендикуляр¬
ной к ней оси, проходящей посредине между ни¬
ми. После таких операций остается лишь одна сте¬
пень свободы, характеризующая внутримолекуляр¬
ное колебание.
Если молекула состоит из двух одинаковых атомов,
то единственное колебание ее не может проявить¬
ся ни в инфракрасном спектре поглощения, ни в
спектре излучения. Дело в том, что для проявле¬
ния этого колебания должен изменяться диполь¬
ный момент молекулы. Но у двухатомной молекулы
с одинаковыми вдрами нет дипольного момента,
следовательно, поглощение и излучение колеба¬
тельных квантов запрещено.
У молекул из различных атомов у одного из вдер
сосредоточена большая часть электронного обла¬
ка, чем у другого. Поэтому возникает определен¬
ный дипольный момент и она может поглощать в
инфракрасной области спектра.
Казалось бы, одно колебание должно дать одну по¬
лосу поглощения, а кроме нее еще обертоны. Од¬
нако, получается довольно сложная структура из-
за участия в колебательных переходах вращений
молекулы. Об этом мы поговорим при рассмотре¬
нии колебательно-вращательных спектров.
Сказанное выше не означает, что внутримолеку¬
лярное колебание симметричной двухатомной
молекулы вообще никак не проявляется. Его
можно зарегистрировать в спектре комбинаци¬
онного рассеяния, требующего изменения поля¬
ризуемости молекулы, а не дипольного момента.
Явление поляризуемости заключается в способ¬
ности электронных оболочек атомов, молекул и
ионов деформироваться под действием электри¬
ческого поля световой волны, в результате чего
они приобретают индуцированный дипольный
момент.
Явление комбинационного рассеяния наблюдается
как в космосе, так и в атмосфере Земли. Его мож¬
но вызвать также искусственным путем, облучая
атмосферу Земли лазерным лучом определенной
длины волны, т.е. интенсивным монохроматичес¬
ким пучком света. Для этого созданы специальные
установки — лидары. Они уже давно используются
для анализа загрязнений атмосферы, морей и оке¬
анов нашей планеты. Рассеиваясь на молекулах ат¬
мосферы, лазерный луч сохраняет свою частоту,
но, кроме нее, в комбинационном спектре появля¬
ются линии, частоты которых больше и меньше ла¬
зерной на частоту внутримолекулярного колеба¬
ния. По ней и устанавливают химический состав
молекулы. Если она не двух-, а многоатомная, то,
в зависимости от ее симметрии, в комбинацион¬
ном спектре может проявиться большинство, или
даже все внутримолекулярные колебания
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ О П Т И К А
19

Атмосферная и космическая оптика
Вращение двухатомной
молекулы
Любое вращательное движение характеризуется
определенным моментом инерции, который вмес¬
те со скоростью вращения определяет энергию
вращательного движения:
Е = —/со2 ’ А
2
где / -моментинерции, со -угловая частота.
Они соответственно равны (рис. 8):
/ =т1г12+/п/22; со = 2лѵ ■
Здесь тѵ т2- массы атомов, rv г2 — их расстоя¬
ния до центра масс С, положение которого соот¬
ветствует условию
ѵ - частота вращения, т.е. число оборотов в се¬
кунду.
Так рассматривается вращение тел в классической
механике, не позволяющей установить набор вра¬
щательных состояний молекулы, которых у нее
множество. Квантовая теория приводит к следую¬
щим значениям энергий вращательных состояний:
£=^+1) ф
где J - вращательное квантовое число, остальные
символы определены ранее.
Соотношение (8) показывает, что энергия враща¬
тельного состояния пропорциональна примерно
квадрату вращательного квантового числа. Зна¬
чит, с увеличением последнего расстояние меж¬
ду соседними вращательными уровнями увеличи
вается.
Частота вращательных переходов увеличивается
приблизительно линейно с ростом J.
Вращательные спектры молекул лежат в далекой
инфракрасной области, захватывая в случае тяже¬
лых многоатомных молекул даже область милли¬
метровых и сантиметровых волн #
Рис. 8
Вращение двухатомной
молекулы с ядрами
различной массы
3 А Н И М А Т Е П b Н А Я О П Т И К А

Молекулярные спектры
Колебательно-вращательные
спектры двухатомных молекул
Если в твердой и жидкой фазе удается наблюдать
чисто колебательный спектр, то в газообразной
фазе это совершенно невозможно сделать. Коле¬
бательные переходы неизбежно сопровождаются
вращательными. Вся причина в том, что в твердом
теле вращения молекул полностью "заморожены"
из-за образования жесткого кристаллического ске¬
лета, а в жидкости в сильной степени они затор¬
можены.
Когда спектроскописты располагали несовершен¬
ной аппаратурой, им казалось, что они и в газах
наблюдают чисто колебательные переходы. Од¬
нако их удивляло удвоение колебательной поло¬
сы любой двухатомной молекулы с различными
ядрами. На рис. 9 приведен пример такой поло¬
сы для молекулы НСІ, зарегистрированной Бур-
мейстером еще в 1913 году. Но уже через шесть
лет на приборе более высокой разрешающей
способности Айме вместо этого дублета получил
очень богатую картину, состоящую из 24 полос
(рис. 10). Вместо каждого компонента дублета
зарегистрировано по 12 максимумов. Таким об¬
разом, дублет распался на две системы полос.
Схема образования их представлена на рис. 11.
Она состоит из двух колебательных уровней -
основного (и = 0) и первого (и = 1) возбужден¬
ного. Каждый из них сопровождается двенадца¬
тью вращательными уровнями. Возможные пере-
Рис. 9
Полоса поглощения нормального
колебания молекулы НСІ
ходы между уровнями основного и возбужденно¬
го колебательного состояний показаны стрелка¬
ми. Образуется две ветви — Р и R-ветвь. Перехо¬
ды Р-ветви отвечают изменению вращательного
квантового числа Д./ = -1. Первая линия получа-
3,8	3,7	3,6	3,5	3,4	X, ] ё ]
Рис. 10
Та же полоса,
но получена
на приборе
высокого
разрешения
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ ОПТИКА
21

Атмосферная и космическая оптика
ѳтся при возбуждении молекулы с первого вра¬
щательного уровня (J = 1) основного колебатель¬
ного состояния (и = 0) на нулевой уровень (J= 0)
первого возбужденного колебательного состоя¬
ния (и = 1). Следующая - со второго вращатель¬
ного уровня (J = 2) основного колебательного со¬
стояния (и = 0) на первый уровень [J = 1) пер¬
вого возбужденного колебательного состояния и
т.д.
R-ветвь образуется при выполнении правила отбо¬
ра AJ= 1 для вращательного квантового числа J.
Следовательно, первая линия отвечает переходу с
нулевого вращательного уровня (J = 0) основного
(и = 0) колебательного состояния на первый
(J= 1) вращательный уровень первого возбужден¬
ного колебательного состояния (о = 1); далее ком-
бинируют уровни J= 1, и = 0 и J = 2, о =1;
J = 2, и = 0 и J= 3, и = 1 и т.д.
Колебательно-вращательные переходы при неиз¬
менном вращательном квантовом числе (AJ = 0)
запрещены. Именно поэтому меаду Р- и R-ветвя-
ми образовался промежуток, ширина которого
примерно в 2 раза больше расстояния между со¬
седними максимумами (см. рис. 10).
Положения максимумов в Р- и R- ветвях описыва¬
ются следующими простыми выражениями:
Р-ветвь: v„ =vn-2BJ, J= 1,2,3
^ u	o
Д-ветвь: vR = v0 + 2B (J + 1), J = 0, 1,2, 3
где В - постоянная, зависящая от момента инер¬
ции молекулы.
В формуле (9) ѵ0 - волновое число чисто колеба¬
тельного перехода, обозначенного на рис. 11 пунк¬
тирной линией.
Рис. 11
Схема образования Р- и R-ветвей.
Из формулы (9) вытекает, что расстояния между
соседними линиями должны быть одинаковыми
как в одной, так и в другой ветви. На рис. 10 они
различны, поскольку спектр записан не в волновых
числах, а в длинах волн.
Не следует думать, что число 12 отражает всю ре¬
альную совокупность компонент в обеих ветвях. Их
значительно больше, только интенсивность макси¬
мумов более высокого порядка становится очень
низкой и не всегда они могут быть зарегистриро¬
ваны •
Электронные спектры
многоатомных молекул
Потенциальные кривые, описывающие зависи¬
мость электронной энергии от расстояния между
атомами двухатомной молекулы, являются плоски¬
ми кривыми и, как мы видели, могли иметь один
минимум или не иметь его. В первом случае такие
состояния являются устойчивыми, во втором, не¬
устойчивыми.
В случае многоатомной молекулы мы имеем дело
уже с потенциальными поверхностями, а не с по-
П
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ ІІТИІА

Молекулярные спектры
Рис. 12
Сечение потенциальных поверхностей
низшего синглетного и двух триплетных
состояний молекулы С02. De - энергия
диссоциации (распада) молекулы С02 в
основном электронном состоянии.
Стрелками показаны излучательные
квантовые переходы
тенциальными кривыми, примеры которых для мо¬
лекулы ІІ2 привед ены на рис. 6. Поэтому часто пользуют¬
ся неизбежными упрощениями, в частности анализом
сечений потенциальной поверхности определенно
ориентированными плоскостями. В итоге получают¬
ся потенциальные кривые, напоминающие приве¬
денные на рис. 6 для молекулы U2.
Приведем в качестве примера сечение потенци¬
альной поверхности основного синглетного элек¬
тронного состояния линейной молекулы С02, заме¬
тив перед этим, что упомянутая поверхность рас¬
считывалась в предположении действия только
двух координат, ^ и гг, определяющих расстояние
между центральным атомом углерода и атомами
кислорода. Остальные две деформационные коор¬
динаты, характеризующие изгибные колебания, ко¬
торые превращают молекулу С02 в треугольник,
Потенциальная энергия
Рис. 13
Схема образования непрерывного
спектра излучения молекулы
полагаются равными нулю. Результаты расчета по¬
казаны на рис. 12. Сечение получено для больших
значений г2, т.е. таких, когда один из атомов кис¬
лорода заметно ближе к атому углерода, чем вто¬
рой.
Основное синглетное электронное состояние обра¬
зуется из 1Е+ состояния молекулы СО и (/-состоя¬
ния атома кислорода. На этом же графике пред¬
ставлены две потенциальные кривые того же сече¬
ния двух других потенциальных поверхностей, от¬
носящихся к триплетным состояниям и находя¬
щимся ближе всего к потенциальной поверхности
основного синглетного состояния. Одно из них об¬
разовано из синглетного состояния 1Е+ молекулы
СО и 3р-состояния атома кислорода, другое - из
состояния 3/7 молекулы СО и состояния Зр атома
кислорода. Из рис. 12 следует, что молекула С02
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ I 1 Т И К А
23

Атмосферная и космическая оптика
1с
'■>>
°СС
о
S
«со
о
°03
'CD
О
'CD
<о
<о
ч>»
<ш
Рис. 14
Ультра¬
фиолетовый
спектр
поглощения
воды
распадается, т.е. диссоциирует на отдельные ато¬
мы, при различных энергиях, в зависимости от то¬
го, какое электронное состояние реализуется. Для
триплетных состояний энергии диссоциации Ое
совпадают и примерно на 2 электрон-вольта мень¬
ше, чем для основного синглетного состояния.
Электронные состояния молекул формируются из
электронных состояний атомов, поэтому их может
быть очень много. Например, если воспользовать¬
ся триплетными состояниями всех трех атомов,
составляющих молекулу С02, т.е. 0(Зр) + 0(Зр) +
С(Зр), получим 119 различных электронных состоя¬
ний! На рис. 12 показаны самые низкие из них. А
ведь есть еще и другие электронные состояния
атомов, из которых формируются электронные со¬
стояния молекулы С02.
Принимая также во внимание комбинацию электрон¬
ных квантовых переходов с внутримолекулярными
колебаниями и вращениями молекулы, можно пред¬
ставить себе, насколько сложны спектры молекул.
Один из участков спектра излучения молекулы С02
приведен на рис. 7. Он представляет собой группы
широких полос, состоящих из отдельных спект¬
ральных линий, обусловленных внутримолекуляр¬
ными колебаниями и вращениями.
Кроме полосатых, линейчатых спектров, много¬
атомные молекулы имеют и непрерывные спектры,
возникающие, в частности, при диссоциации мо¬
лекулы. Собственно диссоциация — главный источ¬
ник возникновения таких спектров. Из-за наличия
нескольких энергий (порогов) диссоциации интер¬
претировать непрерывные спектры трехатомных и
более сложных молекул не очень просто.
Примеры образования непрерывного спектра пока¬
заны на рис. 12 и 13, где потенциальные кривые
основного и возбужденного электронных состояний
являются сечениями одной и той же плоскостью со¬
ответствующих потенциальных поверхностей.
Второй случай отличается от первого переменой
ролей верхнего и нижнего электронных состояний,
между которыми реализуется переход: в первом
начальное состояние является равновесным, а ко¬
нечное неравновесным, во втором - наоборот.
Пример непрерывного спектра воды со слабо раз¬
витой структурой приведен на рис. 14. Он занимает
24
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ I П Т И К А

Молекулярные спектры
Рис. 15
Ультра¬
фиолетовый
спектр
поглощения
озона
почти весь интервал вакуумного ультрафиолета, от¬
личается достаточно высокими коэффициентами
поглощения, являясь таким образом надежным пре¬
пятствием для проникновения жесткого ультрафио¬
летового излучения к земной поверхности.
Со спектром воды перекрывается электронно-ко¬
лебательный спектр озона (рис. 15), имеющий три
Внутримолекулярные колебания
С02, Н2 и 03
Рассматривая двухатомные молекулы, мы уже от¬
мечали, что число внутренних степеней свободы
равно числу внутримолекулярных колебаний, про¬
исходящих без смещения центра масс. Оно опре¬
деляется простыми соотношениями: 3N -5 - для
линейных молекул и 3N -6 - для нелинейных, где
N — число атомов в молекуле.
Таким образом, линейная молекула углекислого га¬
за должна иметь 4 внутримолекулярных колебания,
молекула воды и озона — по три. Смещения атомов
при реализации этих колебаний для всех трех мо¬
лекул приведены на рис. 16. Проанализируем их.
довольно интенсивных полосы в интервале
X = 1000 -1400 А и очень широкую полосу, охва¬
тывающую интервал X. = 500 — 1000 А. Ее корот¬
коволновое крыло перекрывается со спектром мяг¬
ких рентгеновских лучей. Высокая поглощательная
способность озона в глубоком ультрафиолете -
надежная защита от его отрицательного влияния
на растительный и животный мир нашей планеты
Колебание ѵ1 = 1340 см-1 молекулы С02 является
полносимметричным валентным колебанием. При
нем с частотой ѵ, изменяются длины валентных
связей СО. Они то удлиняются, то сокращаются
при неподвижном атоме углерода, причем на одну
и ту же величину. Если атом углерода представить
в виде плоского зеркала, то в любой момент вре¬
мени изображение одного атома кислорода совпа¬
дает с другим кислородным атомом. В этом и за¬
ключается полная симметричность колебания. Оно
не изменяет симметрию молекулы.
Колебание ѵ3 также является валентным, но не
симметричным. Направления движений атомов,
указанные стрелками, в каждую половину периода
меняются на противоположные. Центр масс при
ЗАІИМАТЕВЬВДЯ ОПТИКА
25

Атмосферная и космическая оптика
Рис. 16
Смещения атомов при
нормальных колебаниях
молекул С02, Н20 и 03.
Предполагается, что
кислородные атомы
озона образуют
равносторонний
треугольник
этом остается на прежнем месте, никакого пере¬
мещения молекулы как целого не происходит.
Колебание является деформационным, т.к. в
результате его молекула С02 деформируется, пре¬
вращаясь из линейной в нелинейную. Лишь в мо¬
мент смены одного полупериода другим на какое-
то мгновение молекула становится линейной.
На рис. 16 показано еще одно деформационное
колебание молекулы С02. Так изображают его
в книгах по молекулярной спектроскопии. Отлича¬
ется оно от предыдущего тем, что смещения ато¬
мов происходят не в плоскости страницы, а в пер¬
пендикулярной к ней плоскости. Таким образом,
оно абсолютно ничем не отличается от колебания
ѵ^. Появилось оно по причине меньшего числа
вращательных степеней свободы у линейных моле¬
кул. Одна относится к вращению вокруг оси, со¬
единяющей все три атома, а вторая - к оси, про¬
ходящей через атом углерода, перпендикулярно к
молекулярной. Таких осей можно провести бесчис¬
ленное множество. Все они равноправны, поэтому
реальной принято считать лишь одну из них. Что¬
бы спасти положение, для полного соответствия
числа нормальных колебаний числу внутренних
степеней свободы спектроскописты придумали ко¬
лебание ѵ^. Таким образом, колебание ѵ2 можно
считать дважды вырожденным.
Молекула углекислого газа — не единственная треха¬
томная молекула с линейной конфигурацией.
К группе таких молекул относятся также молекулы
HCN, COS, N20 и много других. Известны даже че¬
тырехатомные линейные молекулы, например
С2НСІ, с2н2.
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ ѴІТИІА

Молекулярные спектры
Колебательные спектры поглощения и испускания
всех без исключения молекул попадают в инфра¬
красную область. Полосы поглощения молекулы
С02 очень интенсивны. Они имеют развитую вра¬
щательную структуру, хорошо просматривающуюся
при записи на спектрометре достаточно высокого
разрешения. Центр тяжести полосы асимметрич¬
ного валентного колебания ѵ3 лежит при
2349,3 см-1. Она состоит из Р- и Я-ветвей, зани¬
мающих интервал от 2275 см-1 до 2400 см-1.
В инфракрасном спектре С02 обнаруживается так¬
же полоса деформационного колебания ѵ2. Ее
максимум находится при 667,3 см-1 и принадле¬
жит О-ветви. В случае двухатомных молекул
О-ветвь отсутствует, т.к. для ее образования должны
выполняться правила отбора Ди = О, AJ= 0. Од¬
нако подобные переходы разрешены для более
сложных молекул, в том числе и для молекулы
С02. Поскольку их частоты мало отличаются друг
от друга, О-ветвь представляет собой максимум,
расположенный между Р и Я-ветвями.
Однако, вернемся к полносимметричному колеба¬
нию ѵ1 углекислого газа. Легко сообразить, что при
симметричных смещениях атомов кислорода отно¬
сительно центрального атома углерода никакого ди¬
польного момента не возникает. Следовательно, та¬
кое колебание не может проявиться ни в спектре
поглощения, ни в спектре излучения. Зато оно про¬
является в спектре комбинационного рассеяния.
Спектроскописты говорят, что в данном случае сра¬
ботал интеркомбинационный запрет. Оказывается,
если молекула обладает центром симметрии, пол¬
носимметричные колебания запрещены правилами
отбора в инфракрасное спектре поглощения, но
разрешены в спектре комбинационного рассеяния.
Принимая во внимание наличие в трехатомной мо¬
лекуле С02 двух одинаковых атомов, это возможно
только в том случае, когда молекула является ли¬
нейной. Таким образом, анализ обоих спектров поз¬
воляет безошибочно установить структуру молеку¬
лы. Конечно, это касается не только линейных мо¬
лекул. Центром симметрии обладает, например,
двенадцатиатомная молекула бензола С6Н6.
Вторым примером, колебательный спектр которого
необходимо рассмотреть, является молекула воды,—
объект, благодаря которому возникает множество
оптических явлений в земной атмосфере и без кото¬
рого нет жизни на нашей планете. Как и молекула
С02, она состоит из двух сортов атомов, однако они
не лежат на одной прямой, а образуют равнобедрен¬
ный треугольник с углом 104°27' при атоме кислоро¬
да. Все три нормальные колебания показаны на
рис. 16. Первое ѵ1 — валентное симметричное, вто¬
рое ѵ2 — деформационное симметричное. При нем
наибольшие изменения претерпевают углы между
соседними химическими связями, но треугольник ос¬
тается равнобедренным, т.е. симметрия молекулы
остается прежней. Третье колебание ѵ3 — асиммет¬
ричное смешанного типа. При смещениях атомов
меняются как углы, так и длины валентных связей.
Все три внутримолекулярные колебания воды об¬
наружены как в инфракрасном спектре, так и в
спектре комбинационного рассеяния. Их частоты
соответственно равны: ѵ1 = 3651,7 см-1,
ѵ2 = 1595,0 см-1, ѵ3 = 3755,8 см-1.
Кроме полос поглощения, принадлежащих этим
трем основным колебаниям, в инфракрасной обла¬
сти наблюдается огромное число полос, обуслов¬
ленных обертонами, суммарными (например, ѵ1 + ѵ3)
и разностными (например, ѵ3 - ѵ2) комбинациями
основных тонов, а также способностью молекул во¬
ды образовывать полимерные цепи и различного
рода кластеры за счет так называемой водородной
связи. Даже в парообразном состоянии молекулы
воды не желают пребывать в одиночестве, а объе¬
диняются в пары, именуемые димерами.
Феномен водородной связи вызван наличием у ато¬
ма кислорода в молекуле воды нескомпенсирован-
ных электрических зарадов. На образование хими¬
ческой связи с атомом кислорода каждый атом во¬
дорода отдает свой единственный электрон. Столь¬
ко же отдает и атом кислорода на каждую связь
О-Н. У него остается два "лишних" электрона, жаж¬
дущих принятъ участие в создании более крупной
молекулы, чем обычная трехатомная молекула во¬
ды. Возникают длинные цепочки молекул (Н20)п, в
которых п принимает значения десятков и даже сотен.
Часто формируются ассоциаты объемной конфигу¬
рации, близкие или полностью шарообразной фор-
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ НІТИХА
27

Атмосферная о космическая оптика
мы. С увеличением числа молекул в полимерной це¬
почке или кластере увеличивается и число внутрен¬
них степеней свободы, а вместе с ним гораздо бога¬
че становится колебательный спектр воды. Трудно
найти участок инфракрасной области спектра, где
бы полностью отсутствовало поглощение парами во¬
ды, ее жидкой и кристаллической фазами.
Вода — самый удивительный минерал, созданный
природой. Благодаря многогранности физических
свойств, она оказалась прочным фуццаментом, на
котором сформировалось и функционирует все жи¬
вое на планете Земля. Фраза "без воды и ни туды и
ни сюды" — довольно грубое приближение в оценке
значимости этого минерала. Она отражает лишь бы¬
товые потребности каждого человека и совершенно
не затрагивает основополагающей роли воды не
только в живой, но также в неживой природе.
У воды самая высокая удельная теплоемкость, а
она-то и определяется колебательно-вращатель¬
ным спектром поглощения. Чтобы насытить огром¬
ное число внутримолекулярных степеней свободы
полимерных цепей и крупных кластеров, проявля¬
ющихся в инфракрасном спектре в виде интенсив¬
ных полос поглощения, необходимо затратить зна¬
чительную энергию, несравненно большую, чем
для такой же массы любого иного вещества.
Удельная теплоемкость воды в интервале темпера¬
тур от точки замерзания (О °С) до точки кипения
(100 °С) не является постоянной величиной, а под¬
вержена весьма своеобразной температурной за¬
висимости. В интервале 0 ° - 37 °С она уменьша¬
ется с ростом температуры, а затем увеличивает¬
ся. Не правда ли, вызывает интерес температура,
при которой удельная теплоемкость воды обладает
минимумом? Ведь эта температура практически не
отличается от нормальной температуры человечес¬
кого тела! И здесь природа позаботилась о чело¬
веке. Поскольку процентное содержание воды в
теле человека составляет более 80%, к тому же
удельная теплоемкость ее значительно выше
удельной теплоемкости костей и тканей, для со¬
гревания почти вся подводимая к телу энергия
тратится на нагрев воды. Следовательно, чем
меньше ее удельная теплоемкость при нормальной
температуре человеческого тела, тем легче ее под¬
держивать такой продолжительное время, тем
меньше энергетические затраты. Неплохо бы
научиться бережливости у природы.
Из всех полярных молекул молекула воды облада¬
ет, по-видимому, самым высоким дипольным мо¬
ментом, равным 1,87 дебая. Поэтому она является
универсальным растворителем, широко использую¬
щимся в научной лаборатории и промышленности.
В живых организмах, нарзду с другими функциями,
она выполняет также и функцию растворителя.
Об уникальных свойствах воды можно рассказы¬
вать очень долго, однако это не входит в нашу за¬
дачу. Читателям, желающим более детально по¬
знакомиться с физическими свойствами воды, ее
температурными аномалиями и их использованием
живой природой, наукой и техникой, мы рекомен¬
дуем источники, приведенные в конце книги.
Третьей трехатомной молекулой, выполняющей за¬
щитную функцию в атмосфере Земли по задержке
ультрафиолетового излучения, является молекула
озона. Ее нормальные внутримолекулярные колеба¬
ния атомов показаны на рис. 16. Колебание
ѵ1 = 1740,4 см-1 является полносимметричным ва¬
лентным, т.к. при нем изменяются только длины ва¬
лентных связей О-О, углы же остаются неизменны¬
ми. Колебание ѵ2 = 710 см-1 деформационное. В
результате смещения атомов кислорода равносто¬
ронний треугольник деформируется в равнобедрен¬
ный, что сопровождается существенным изменени¬
ем длины одной из связей 0-0 и углов мееду свя¬
зями. Третье колебание ѵ3 = 1043,4 см-1 лишено
симметричных элементов и в отличие от колебания
ѵ'1, запрещенного в инфракрасном спектре, наблю¬
дается в обоих колебательных спектрах - инфра¬
красном и комбинационном.
Выше мы остановились на электронных и колеба¬
тельных спектрах простейших молекул —двухатом¬
ных и трехатомных. Именно они являются основны¬
ми компонентами земной атмосферы. Конечно, в
ней присутствуют и более сложные молекулы, но
чаще всего их появление в атмосфере — это плод
человеческой деятельности. Такие молекулы рас¬
сматриваются как нежелательные примеси и со¬
ставляют сферу интересов экологической службы •
28
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ ІНТННА

Излучение абсолютно черного тела
Излучение
абсолютно
черного тела
"Все эти 50 лет упорных размышлений
не приблизили меня к ответу, что такое
световые кванты.
Конечно, сегодня всякий думает, что он
знает ответ, но он обманывает сам себя "
А.Эйнштейн
«Теория квантов подобна другим побе¬
дам в науке: месяцами вы улыбаетесь
им, а затем годами плачете»
Г. Крамере, 1920 г.
«Теорию квантов можно сравнитъ с ле¬
карствами, излечивающими болезнь, но
убивающими больного»
Г. Крамере, ХХольст, 1923 г.
кружающие нас тела имеют различный цвет.
Это связано с тем, что они по-разному отража¬
ют и по-разному поглощают падающие на них
солнечные лучи. Солнце одинаково светит для всех
и для всего, а результат взаимодействия его лучей
с различными телами не одинаков, так как свойства
их различны.
По-разному поглощая лучи различных длин волн,
тела по-разному и излучают их. Связь между двумя
этими процессами очень проста: тело излучает те
волны, которые способно поглотить, и наоборот.
Эта простая связь установлена немецким физиком
Кирхгофом.
Можно осуществить эксперимент, когда излучение
различных тел будет одинаковым. Если из куска
гранита, стали, меди, комка белой или красной гли¬
ны, вообще любого материала изготовить сосуды с
узким горлышком, поместить их в теплоизоляцион¬
ные ящики и нагревать до одной и той же темпера¬
туры, то выходящее из горлышка любого сосуда из¬
лучение будет иметь один и тот же спектр. В его
составе будет излучаться за определенный проме¬
жуток времени на определенной длине волны одна
и та же энергия. Все эти излучатели имитируют
абсолютно черное тело. Одно из главных его
свойств - поглощать все без исключения падаю¬
щие на него лучи. Очень низка вероятность у луча,
попавшего через отверстие сосуда (рис. 17), вый¬
ти из него после многократных внутренних отра¬
жений. При каждом очередном попадании на
стенку он теряет часть своей интенсивности, пока
полностью не растратит ее.
Если у читателя возникают сомнения относительно
способностей описанной модели абсолютно черно¬
го тела поглощать все попадающие в него лучи,
пусть днем выццет на улицу и посмотрит в незашто¬
ренное окно какого-нибудь помещения. Не прижи¬
маясь лбом к стеклу с одновременной экранировкой
глаз от внешнего излучения прислоненными к вис¬
кам кистями рук, а находясь на некотором расстоя¬
нии от окна, он, кроме темного пространства, ниче¬
го не увидит. А окно ведь — не узкое горлышко со¬
суда, показанное на рисунке. Из него легче светово¬
му лучу выйти наружу.
Ученых давно интересовал вопрос, как распределя¬
ется по спектру энергия, излучаемая нагретым те¬
лом при данной температуре, и как это распределе¬
ние изменяется с температурой. Ведимо, каждому
приходилось наблюдать изменение цвета металли¬
ческого предмета при сильном нагревании. Сначала
он становится теплым, затем настолько горячим,
что удержать его в руках не представляется возмож¬
ным, но ведимое излучение отсутствует. Излучают¬
ся только невидимые инфракрасные лучи. Дальней¬
шее нагревание вызывает появление красного цве¬
та, затем оранжевого, желтого и, наконец, предмет
нагревается, как говорят, до белого каления.
Этот изменяющийся во времени процесс свиде¬
тельствует о том, что максимум температурного из¬
лучения с повышением температуры смещается в
область более коротких длин волн.
Установлением закона температурного излучения
абсолютно черного тела занимались такие ученые,
как Релей, Джинс, Вин и др., но только Максу План¬
ку удалось получить формулу, правильно описы-
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ ПНТНКА
29

Атмосферная и космическая оптика
вающую его излучательную способность на всех ча¬
стотах шкалы электромагнитных волн, включая ульт¬
рафиолетовую, видимую и инфракрасную области
спектра.
То, что совершил Макс Планк, нельзя иначе на¬
звать, как подвиг. Ведь ему пришлось отказаться от
положений классической физики, прочно укоренив¬
шихся на протяжении столетий в сознании ученых,
и выдержать нелицеприятную критику своих масти¬
тых современников. А то, что она была, видно из
приведенных выше высказываний А. Эйнштейна,
Г. Крамерса и X. Гольста. Подобных высказываний
именитых ученых было немало.
М. Планк предположил, что излучение любого тела
происходит отдельными порциями, квантами, при¬
чем энергия любого кванта определяется частотой
ѵ электромагнитной волны:
E = hv,
где h - постоянная, получившая название постоян¬
ной Планка. Она была определена численно уже по¬
сле вывода Планком своего знаменитого закона и
оказалась равной 6,626075 • 10-27 эрг • с. Закон,
или формула Планка имеет вид:
ФЛ
8nh
С
ѵ
3
ekT -1
E
и определяет мощность излучения e(v ,T ) в единич¬
ном интервале частот (например, в полосе Дѵ = 1
Гц вблизи частоты ѵ) при температуре Т абсолютно
черного тела.
Если воспользоваться связью между длиной волны X,
частотой ѵ и скоростью света с в вакууме, а именно,
Хѵ = с,	©
формулу (11) можно преобразовать для единичного
интервала длин волн:
ФЛ
8nh c
X5	eF - 1
В (11) и (13) к обозначает постоянную Больцмана.
Хотя формулы (11) и (13) получили путевку в жизнь
в 1900 году, даже спустя 33 года в письме к выдаю¬
щемуся оптику-экспериментатору Роберту Вуду
Планк назвал свою гипотезу актом отчаяния. Он
считал, что этой гипотезой нарушил непрерывность
всех причинных связей в природе. Именно поэтому
гипотеза квант Планка не находила поддержки у ря¬
да известных физиков, несмотря на то что уже в
конце декабря 1900 г. получила блестящее экспери¬
ментальное подтверждение.
19 октября 1900 г. на очередном заседании Немец¬
кого физического общества Генрих Рубенс и Фер¬
динанд Курлбаум выступили с докладом о послед¬
них более точных измерениях распределения энер¬
гии в спектре абсолютно черного тела. В процессе
обсуждения докладов выяснилось, что ни одна из
существующих теорий не согласуется с экспери¬
ментом. Присутствовавший на заседании Планк
скромно предложил экспериментаторам свою фор¬
мулу. Нетерпеливый Рубенс, не теряя времени, сра¬
зу после заседания физического общества обрабо¬
тал результаты своих измерений по формуле План¬
ка и получил блестящее совпадение теории и экс¬
перимента. На следующий день он поздравил План-
Рис. 17
Модель абсолютно черного тела
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ ОПТИКА

Излучение абсолютно черного тела
Рис. 18
Излучательная способность абсолютно черного тела при Т = 6000 К (а) и Т= 300, 250
и 200 К (б)
ка с удачным разрешением проблемы, долго волно¬
вавшей физиков.
На рис. 18а приведено распределение энергии в
спектре излучения абсолютно черного тела, темпе¬
ратура которого 6000 К. Такое распределение ха¬
рактерно для Солнца. Желтой краской выделена ви¬
димая часть его спектра. Кривая Планка быстро
снижается с уменьшением длины волны и гораздо
медленнее с ее увеличением. Обращаем внимание
читателей, что как слева, так и справа она не обры¬
вается у длин волн X = 0,2 мкм и X = 3,5 мкм, а за¬
хватывает область рентгеновских лучей (слева) и
область радиоволн (справа).
На рис. 18б приведено распределение излучатель¬
ной способности абсолютно черного тела при ком¬
натной температуре (Т= 300 К) и двух более низких
температурах. Видно заметное смещение максиму¬
ма излучения в длинноволновую область при пони¬
жении температуры и вообще быстрое уменьшение
площади под кривой, свидетельствующее о резком
снижении суммарной излучательной способности.
1900 год является переломным годом не только в
физике, а и в науке вообще. Это был год рождения
квантовой физики, глубоко затронувшей, как выяс¬
нилось впоследствии, и другие научные области.
Сейчас уже речь идет не только о квантовой меха¬
нике или более широко - о квантовой физике, но и
о квантовой биологии, квантовой химии, квантовой
медицине и даже квантовой фармакологии. Несмот¬
ря на то что формула Планка блестяще выдержала
проверку опытом, даже некоторые ведущие физики
мира многие годы продолжали относиться к гипоте¬
зе квантов с недоверием •
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ ОПТИКА
31

Атмосферная и космическая оптика
Скорость соета
Определение скорости соета
Понятие скорости - одно из самых фундамен¬
тальных понятий природы. Начиная с простей¬
ших бытовых ситуаций и заканчивая глубинны¬
ми процессами, происходящими в атомном ядре,
мы непрерывно сталкиваемся с этим понятием. В
физике вообще и в оптике в частности особенно
часто приходится встречаться со скоростью света.
Физика и астрономия, грубо говоря, не могут су¬
ществовать без широкого привлечения для описа¬
ния и объяснения разнообразнейших явлений та¬
кой мировой постоянной, как скорость света в ва¬
кууме.
В те далекие времена, когда не было даже заро¬
дыша какой-либо науки, первобытный человек не
мог не задуматься над вопросом, почему во время
грозы свет и гром воспринимаются им в различное
время. Он понимал, что между ними существует
какая-то связь, так как за яркой молнией всегда
следует гром. Многократные наблюдения молний
на различных расстояниях подсказывали ему, что
промежуток времени между молнией и громом тем
больше, чем дальше грозовое облако.
Наконец, были случаи, когда гроза происходила
далеко за линией горизонта и он воспринимал
лишь вспышки света, а раскатов грома не было
слышно. Так, постепенно в сознании первобытного
человека утверждалось мнение о мгновенном рас¬
пространении световых лучей.
Не дальше ушли от него и выдающиеся философы
древней Греции и Рима. Тит Лукреций Кар (около
99—55 гг. до Р.Х.), последователь древнегреческих
философов Демокрита и Эпикура, в своей зна¬
менитой философской поэме «О природе вещей»
процесс видимого восприятия окружающих пред¬
метов связывал с отделением от их поверхностей
тончайшей пленки, перемещающейся в простран¬
стве с сохранением формы предмета и с необы¬
чайно высокой скоростью. «Стоит выставить стакан
с водою в ясную ночь,- писал он,- и тот час же
факелы мира - звезды отразятся в воде. Видишь,
с какою быстротою призраки приносятся из небес¬
ных пространств в земные».
Можно ли больше требовать от светлых умов древ¬
него мира, располагавшего лишь солнечными, во¬
дяными и песочными часами, чем предположение
о неимоверно высокой скорости световых лучей?
Конечно, нет. Без точного измерителя времени не¬
возможно установить скорость любого процесса.
Такой измеритель появился лишь в начале XIV ве¬
ка, когда были изготовлены первые механические
часы. Разумеется, точность отсчета времени по та¬
ким часам не могла удовлетворить ученого астро¬
нома или физика, которые оперируют не только
секундами, но и гораздо более мелкими единица¬
ми времени.
Нам представляется уместным привести один све¬
жий пример, свидетельствующий о значимости в
познании Вселенной такой фундаментальной кон¬
станты, как скорость света в вакууме. Речь едет о
возрастах звезд и самой Вселенной. До последней
четверти века полагали, что возраст самых старых
звезд составляет примерно 15 миллиардов лет, в
то время как возраст Вселенной, установленный
космологическими методами, оказался на 3—5
миллиардов лет меньше. Такая неопределенность
в оценке этой величины обусловлена неточностью
в установлении так называемой постоянной Хаб¬
бла:
где с — скорость света в вакууме, L — расстояние
до звезды или иного космического объекта, «крас¬
ное смещение» которого АХ для длины волны X
того или иного атома, измеренной в земной лабо¬
ратории.
Отмеченное противоречие, заключающееся в том,
что отдельные звезды оказались старше своей ма¬
тери Вселенной, устраняется, по мнению специа¬
листов, данными новых астрономических наблюде¬
ний, полученных с помощью космического аппара-
32
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ Н Н Т И К А

Скорость coemo
Рис. 19
Иллюстрация
опыта Галилео
Галилея по
определению
скорости света
та Hipparcos, запущенного в 1989 г. Европейским
космическим агентством. В соответствии с новыми
данными возраст Вселенной составляет 13 милли¬
ардов лет, а самые старые звезды на 2 миллиарда
лет моложе.
Но вернемся к определению скорости света. Пер¬
вая попытка установить ее величину была пред¬
принята в 1607 году Галилеем. Он предполагал,
что если на достаточно большом расстоянии в от¬
крытой местности расположены два источника ви¬
димого излучения (например, два наблюдателя с
фонарями (рис. 19), открывая и закрывая их попе¬
ременно, можно будет по запаздыванию светового
сигнала при известном расстоянии вычислить ис¬
комую величину, разделив это расстояние на вре¬
мя запаздывания. Теперь мы уже знаем, что такой
опыт не мог дать положительного результата. Ведь
инерция зрительного восприятия глаза равна 0,1
секунды. При скорости света 300 тысяч километ¬
ров в секунду расстояние между двумя наблюдате¬
лями, способными заметить временную задержку
светового сигнала, должно превышать 30 тысяч
км, что почти в 5 раз больше среднего радиуса
земного шара. На картинке, иллюстрирующей
опыт Галилея, художник иронически каждого на¬
блюдателя снабдил песочными часами, хотя в дан¬
ном случае даже электронные часы непригодны.
Неудача Галилея показала, что экспериментальная
техника того времени не позволяла без привлече¬
ния более широкомасштабных наблюдений решить
задачу о скорости света.
Первый положительный результат в том же столе¬
тии, а именно в 1676 году, получил Олаф Ремер,
проводя наблюдения за движением спутников
Юпитера. Он заметил, что моменты затмений лю¬
бого спутника наблюдаются через неравные про¬
межутки времени. Когда расстояние между Землей
и Юпитером увеличивается, затмения запаздыва¬
ют; при сближении обеих планет - интервал вре¬
мени между двумя последовательными затмения¬
ми уменьшается. Зная параметры орбит обеих
планет и спутников Юпитера (для этого достаточно
знать период обращения одного из них), Ремер
вычислил скорость света, получив значение
297100 км/с.
После Ремера были и другие оценки скорости све¬
та по астрономическим наблюдениям. С течением
времени техника постепенно совершенствовалась
и в середине XIX столетия (1849 г.) Физо поставил
опыт с вращающимся зубчатым колесом. В экспе¬
рименте не привлекались другие планеты и спут-
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ О П Т И К А
33

Атмосферная и космическая оптика
Рис. 20
Схема опыта
Физо для
определения
скорости света
ники. Все происходило на Земле, хотя комплекс
использованных приборов был разнесен на рас¬
стояние 8 км 633 м. Идея опыта видна из рис. 20.
Лучи небольшого, но яркого источника света И,
расположенного в фокусе объектива 01, отражаясь
от плоского полупрозрачного зеркала П, проходили
через промежутки между соседними зубцами вра¬
щающегося колеса К и объективами 02 - 03 на¬
правлялись на зеркало З. Его плоскость перпенди¬
кулярна к оси светового пучка, поэтому после от¬
ражения от зеркала З он возвращается к зубчатому
колесу К. Здесь возможны два случая. Сузившийся
световой пучок попадет на середину одного из
зубцов и безрезультатно рассеется. В другом слу¬
чае световой пучок попадет точно в прорезь между
соседними зубцами и достигнет пластинки П,
частично отразится в направлении к источнику И, а
частично окуляром 0 даст изображение источника
на сетчатке глаза наблюдателя, т.е. будет зафик¬
сирован.
Колесо вращается непрерывно с плавно регулиру¬
емой скоростью. Источник И также излучает не¬
прерывно. При малых скоростях время смены зуб¬
ца прорезью во много раз больше времени двой¬
ного прохождения лучом расстояния КЗ. Учитывая
тот факт, что длительность зрительного впечатле¬
ния составляет 0,1 секунды, наблюдатель будет
все время видеть изображение источника, т.к. в
течение 0,1 секунды зубчатое колесо сделает не
один, а несколько или даже много оборотов. Глаз
работает как усреднитель воспринимаемых яркос¬
тей, соответствующих частично и полностью от¬
крытым промежуткам между зубцами.
Плавно повышая скорость вращения, мы достиг¬
нем, наконец, такой ситуации, когда прошедший
через прорезь световой пучок после возвращения
от зеркала З точно попадет на середину зубца (ре¬
ализуется первый случай). В тот же момент тот же
зубец закроет путь к зеркалу З последующих лу¬
чей. После смены зубца прорезью ситуация повто¬
ряется, если скорость вращения остается прежней:
пока луч пройдет путь от зубчатого колеса к зерка¬
лу З, отразится от него и вернется к колесу К, оно
подставит ему свой зубец. При такой скорости
вращения наблюдатель будет видеть только тем¬
ное поле. Зная скорость вращения и расстояние
между наблюдателем и зеркалом 3, легко вычис¬
лить скорость света.
Пусть расстояние КЗ равно L число зубцов п, чис¬
ло оборотов колеса за одну секунду, удовлетворя-
34
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ ОПТИКА

Скорость coemo
ющее условию темного поля в фокальной плоско¬
сти окуляра О, т. Тогда время поворота колеса на
угол, под которым видно из его центра основание
зубца или прорези (они равны друг другу),^	^—
секунды. Следовательно, скорость света:	2тп
с = 2L: — = ALmn . 0
2тп
Физо получил значение 315000 км/с. В дальнейшем,
пользуясь его методом, Корню (1876 г.) при базе
L = 23 км получил значение с = 300000 ± 300 км/с;
Перротен (1902 г.), /. = 46 км,
с = 2998700 ± 50км/с; Бергштрандт (1950 г.),
с = 299793,1 ± 0,25 км/с.
Несколько позже были начаты измерения с ис¬
пользованием вращающегося зеркала. Вот их ре¬
зультаты: Фуко (1862 г.), с = 298000 ± 500 км/с;
Ньюкомб (1891 г.), с = 299810,1 ± 50 км/с; Май-
кельсон (1902 г.), с = 299890,1 ± 60 км/с. Почти
через четверть века (1926 г.) он повторил свои
опыты с базой L = 35373,2 м между двумя горны¬
ми вершинами и с восьмигранной стальной приз¬
мой при скорости вращения 528 оборотов за се¬
кунду. Воспользоваться обычными зеркалами,
склеенными в виде такой призмы, при указанной
скорости вращения невозможно по причине малой
механической прочности конструкции и опасности
бытъ разрушенной центробежными силами.
Предварительные расчеты показали, что весь путь
между конечными пунктами луч света проходил за
23 • 10-5 с. В течение этого времени зеркало успе¬
вало повернуться на 1/4 полного оборота. В этот раз
Майкельсон получил значение с = 299796 ± 4 км/с.
В электромагнитной теории излучений, развитой в
прошлом веке Максвеллом, появилась постоян¬
ная, которая была названа электродинамической.
Максвелл предположил, что эта постоянная долж¬
на совпадать со скоростью распространения элек¬
тромагнитных волн в вакууме и не зависеть от
длины волны, т.е. быть одинаковой для видимого
света, радиоволн всех диапазонов, гамма, рентге¬
новского, ультрафиолетового и инфракрасного из¬
лучений. Вот почему так много внимания было
уделено определению скорости света. А для дока¬
зательства совпадения значений этой постоянной
для световых и радиоволн необходимо было про¬
вести соответствующие измерения и на радиовол¬
нах, что осуществил в 1949 г. Аслаксон, получив¬
ший значение с = 299792 ± 2,4 км/с, т.е. то же
самое, что дает оптика.
Самую высокую точность следовало ожидать с ис¬
пользованием лазерной техники, в частности при¬
меняя методы родившейся вместе с лазерами и
благодаря им нелинейной оптики. Они дали значе¬
ние с = 299792456,2 + 1,1 м/с (1972 г., Ивенсон).
Кто знает, возможно, в будущем понадобится бо¬
лее высокая точность и придется снова вернуться
к этой фундаментальной постоянной •
Скорость, орееышающая с
Когда задаешь себе этот вопрос, первыми в голову
приходят элементарные частицы: электрон, про¬
тон, нейтрон. У них очень маленькая масса, поэто¬
му их движение легко ускорять, что физики уже
давно и хорошо научились делать. Но вот беда!
Оказывается, А.Эйнштейн наложил табу на воз¬
можность ускорения элементарных частиц до све¬
товых скоростей. В соответствии с созданной им
теорией относительности никакая частица, никакое
тело не может двигаться со скоростью света. Ско¬
рость света в вакууме — это недостижимый пре¬
дел. Чтобы убедиться в этом, достаточно восполь¬
зоваться одной из формул теории А.Эйнштейна.
Она выражает зависимость массы тела от скорости
движения:
-у/і-и 2/с2
0
где т0 — масса неподвижного тела, которую назы¬
вают массой покоя, т — масса того же тела, при¬
обретаемая в процессе движения со скоростью и.
Если о = с, под корнем будет 0, следовательно,
знаменатель правой части также нуль, и она пре-
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ 1 П Т И К А
35

Атмосферная п космическая оптика
Рис. 21
Световой зайчик,
отброшенный враща¬
ющимся зеркалом на
поверхность Луны,
бежит со скоростью,
превышающей
скорость света, даже
если зеркало делает
один оборот
в секунду
вращается в бесконечность. Вы можете предста¬
вить себе электрон с бесконечно большой массой?
Это же вся Вселенная! Каждый скажет, что здесь
что-то неладно. Или теория Эйнштейна не в ладах
с истиной, или электрон в самом деле нельзя ра¬
зогнать до световой скорости в вакууме.
Специальная теория относительности Эйнштейна
неоднократно наталкивалась на сопротивление фи¬
зиков и философов, подвергаясь жесточайшей кри¬
тике, но она выжила, так как многократно была
подтверждена опытом. Один из таких опытов - ус¬
корение электронов в бетатроне - одном из пер¬
вых ускорителей элементарных частиц, созданных
учеными. Двигаясь, подгоняемый магнитными и
электрическими полями, электрон излучает свет. И
тем интенсивнее, чем ближе его скорость к значе¬
нию с. Вы его разгоняете, а он больше не хочет ус¬
коряться и сбрасывает сообщаемую ему энергию в
вцце излучения. Аналогичным образом ведет себя
любая частица, а о телах более крупных размеров
даже говорить нечего, их просто не разгонишь.
Между прочим, способность электронов излучать
при скоростях, близких к значению с, привела к со¬
зданию мощного источника непрерывного излуче¬
ния в очень широкой области частот,—от у-лучей
до радиоволн. Его называют синхротроном.
И все же существует известный парадокс со ско¬
ростью, превышающей с. Это скорость светового
зайчика (рис. 21). Представьте себе на поверхнос¬
ти Земли вращающееся зеркало, на которое пада¬
ет параллельный пучок света. Плоскость зеркала и
источник расположены так, чтобы отраженные лучи
достигали Луны. Пусть зеркало делает всего-на¬
всего один оборот в секунду. До Луны 380000 км.
Следовательно, в течение одного оборота на таком
расстоянии зайчик будет бежать со скоростью
и = 2л • 380000 = 2386400 км/с, почти в 8 раз
превышающей с. Таков результат при одном обо¬
роте в секунду. Но ведь нетрудно увеличить угло¬
вую скорость вращения зеркала и до нескольких
тысяч оборотов в единицу времени. Во столько же
раз увеличится и скорость зайчика.
Собственно говоря, не обязательно создавать све¬
товой зайчик на поверхности Луны. Опыт легко
проделать и в земных условиях, тем более, что
при огромном расстоянии до Луны мы не увидим
зайчика. По той простой причине, что создать уз¬
кий идеальный пучок параллельных лучей в прин-
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ ОПТИКА

Скорость света
ципе невозможно. Он всегда будет расходящимся.
Диаметр светлого пятна от твердотельного лазера
с самой низкой расходимостью равен на Луне
180 км. Попробуй заметить такой зайчик.
Наши рассуждения могут вызвать возражения чита¬
телей. И они уже встречались в литературе. Одно
из них заключается в якобы отсутствующей матери¬
альности зайчика. С таким возражением, безуслов¬
Фазовая и групповая скорости
Если бы все атомы светящегося газа, например,
водорода, находились в совершенно одинаковых
условиях, они бы излучали одну и ту же частоту
для определенного квантового перехода, т.е. иде¬
альную монохроматическую спектральную линию.
К сожалению, такие условия создать невозможно,
поскольку не избежать их взаимных столкновений,
а также столкновений со стенками резервуара, в
котором находится газ. Поэтому спектральная ли¬
ния, отвечающая одному и тому же квантовому пе¬
реходу, например красная линия На водородного
атома, состоит из множества тесно примыкающих
друг к другу линий. Каждой линии этого множества
можно приписать свою электромагнитную волну. В
итоге получим так называемый пакет или группу
волн. Любая волна является переносчиком энер¬
гии, которую можно «привязать» к определенному
месту волнового пакета, например, к месту макси¬
мальной напряженности электрического или маг¬
нитного поля. Следя за перемещением этого места
в пространстве, можно определить скорость вол¬
ны. Для дальнейшего удобнее следить не за не¬
прерывно излучаемой световой волной, а за опре¬
деленным импульсом. Скажем, включили на
мгновение подходящий источник красного, синего,
зеленого или любого иного цвета, и тут же выклю¬
чили. Если такой импульс распространяется в ва¬
кууме, то любая монохроматическая составляющая
этого импульса будет иметь ту же скорость, с ка¬
кой перемещается точка максимума напряженнос¬
ти, т.е. группа волн. Это и будет групповая ско¬
рость. Скорость перемещения какой-либо моно¬
хроматической волны, входящей в группу, называ¬
но, нельзя согласиться. Мы видим зайчика только
потому, что он представляет собой поток фотонов,
отраженных какой-либо поверхностью. Фотоны же -
реально существующие частицы света, со времен
Ньютона и Гюйгенса принявшего двуликий образ:
в одних опытах им удобно пользоваться в виде по¬
тока частиц, именуемых фотонами или квантами,
в других - в виде электромагнитных волн •
ют фазовой. В вакуумном пространстве обе
скорости совпадают.
Для наглядности различия групповой и фазовой
скоростей обратимся к такому спортивному сорев¬
нованию как кросс. Перед стартом большая группа
спортсменов скучилась в ожидании выстрела су¬
дьи. И вот старт дан. Вначале колонна бегущих
движется более-менее компактно. Но вот проходит
2-3 десятка секунд и она уже заметно растянулась,
через минуту центральная группа стала менее ком¬
пактной, а если бег совершается вокруг футбольно¬
го поля, то при длинных дистанциях впередибегу-
щие могут обойти отстающих на полный круг.
Вся колонна бегущих представляет группу волн,
которой можно приписать определенную среднюю
скорость. Она и будет групповой. Каждый отдель¬
ный бегун представляет монохроматическую вол¬
ну. Сколько бегунов, столько монохроматических
волн, столько фазовых скоростей.
Подчеркнем, что только строго монохроматическую
волну можно характеризовать фазовой скоростью.
Переход из вакуума в любую материальную среду
влечет за собой ряд усложнений. В материальной
среде группа различных монохроматических волн
претерпевает размытие из-за наличия дисперсии.
Она заключается в зависимости показателя пре¬
ломления среды от длины волны, а показатель
преломления данной среды определяется отноше¬
нием скорости монохроматической волны в вакуу¬
ме к таковой в среде:
с
п=~, ф
и
3 А Н И М ЛІГ Л Ь Н А Я ОПТИКА
3/

Атмосферная о космическая оптика
где с — скорость волны в вакууме, и — скорость
той же волны в среде. На практике показатель пре¬
ломления определяют по закону Декарта-Снеллиуса:
sina Оч
/?12 =	=—- >
sinp u2
©
П2
где ni2 =— - отношение показателей преломле¬
ния двух граничащих сред, a - угол падения мо¬
нохроматического луча на границу раздела двух
сред, р —угол преломления, ор о, — фазовые
скорости распространения волны соответственно в
первой и во второй среде (рис. 22).
Таким образом, чем больше показатель преломле¬
ния среды, тем меньше фазовая скорость в ней.
Хотя группу волн связывают с импульсом, пред¬
ставляемым совокупностью бесконечного числа
синусоид, для получения связи между групповой и
фазовой скоростями обычно пользуются лишь дву¬
мя близкими по частоте монохроматическими вол¬
нами, предполагая, что, по крайней мере, качест¬
венно установленная таким образом связь отра¬
жает реальное положение вещей. Эта связь имеет
вид:
. dn
п-к
dk
Здесь иф — групповая скорость, с — скорость света
в вакууме, одинаковая для всех электромагнитных
волн, к — длина волны в среде с показателем пре¬
ломления п, dn — бесконечно малое изменение по¬
казателя преломления в среде, соответствующее
бесконечно малому изменению длины волны dk.
На рис. 23 показано поведение показателя пре¬
ломления среды в областях прозрачности и в об¬
ласти КЛ пол осы поглощения. Максимум ее соот¬
ветствует длине волны, которая характеризуется
максимальной величиной коэффициента поглоще¬
ния. В областях прозрачности показатель прелом¬
ления монотонно уменьшается с увеличением дли¬
ны волны f ^ < о J, а в области поглощения I ^ > о J
- увеличиваетсядучасток МН). В первом случае '
говорят о нормальной дисперсии, во втором - об
аномальной. В бесконечно узких участках с точка¬
ми Ми Н —=о, т.е. дисперсия отсутствует. На
рис. 23 представлен идеальный случай уединенной
Рис. 22
Так целиться можно
лишь в случае, когда
голова рыбки и глаз
рыбака находятся на
одной вертикали
ЗДІНМПІЕЯЬІДа ОПТИКА

Скорость света
полосы поглощения. Исследование дисперсии
многочисленных твердых веществ позволило обна¬
ружить ряд веществ с довольно широкими участка¬
ми поглощения, включающими по несколько пере¬
крывающих полос поглощения. В этих участках мо¬
жет бытъ больше двух позиций, в которых —=о. Ну
и что же, скажет читатель. А то, ответим ему, что в
этом случае в соответствии с (19) групповая ско¬
рость равна фазовой скорости с/п. Кроме того, по
данным многочисленных измерений дисперсии по¬
казателя преломления твердых веществ, его зна¬
чение в упомянутых участках оказывается меньше
единицы. Следовательно, и групповая и фазовая
скорости превышают скорость света в вакууме. Бо¬
лее того, если п стремится к нулю, иф стремится к
бесконечности, что противоречит основному прин¬
ципу специальной теории относительности Эйн¬
штейна. Даже при значении показателя преломле¬
ния п = 1 формула (19) дает не укладывающийся в
голове результат: групповая скорость света в ве¬
ществе равна его скорости в вакууме. С этим мож¬
но еще как-то смириться, а вот поверить в ускоря¬
ющее действие вещества при п < 1 весьма про¬
блематично. Гораздо легче согласиться с замед¬
ляющим действием вещества. В литературе по
рентгеновским лучам приводится формула Ло-
рентца для показателя преломления в следующем
виде:
NeX2
2 жтс2
©
где N — число электронов, остальные символы бы¬
ли определены раньше. В ней вычитаемая величи¬
на явно положительна, поэтому п для рентге¬
новских лучей получается всегда меньше единицы
вдали от собственного резонансного поглощения
среды. Опыты по черенковскому излучению опро¬
вергают этот вывод.
Мы задели только несколько аспектов, связанных
со скоростью распространения электромагнитных
волн в материальных средах. Несмотря на то что
они давно относятся к разряду широко изучаемых,
периодически возникают вопросы, требующие до¬
полнительных усилий теоретиков и эксперимента¬
торов. Например, необходим пересмотр правомер¬
ности замены в формулах Френеля для прозрач¬
ных сред вещественного показателя преломления
на комплексный при использовании их для опреде¬
ления оптических постоянных этих сред в областях
поглощения электромагнитных волн. Именно такая
замена ведет к соотношениям, обработка экспери¬
ментальных данных по которым приводит к проти¬
воречащим здравому смыслу результатам:
п< 1, иф > с •
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ ОПТИКА

Атмосферная и космическая оптика
Явление Доплера
Вселенную нельзя низводить до уровня че¬
ловеческого разумения, ...но следует рас¬
ширять и развивать человеческое разуме¬
ние, дабы воспринимать образ Вселенной
по мере ее открытия.
Роджер Бекон
Характеристики иилны
В этой книге мы уже многократно пользовались
понятием «волна», но до сих пор не вникали в
проблему взаимосвязи ее параметров и их из¬
менения при движении источника волн или прини¬
мающего эти волны приемника.
Каждая волна, будь то звуковая, электромагнитная,
на поверхности пруда или любого иного типа (не
всякий физик в настоящее время может незамедли¬
тельно вспомнить все существующие волны, не упу¬
стив из виду по крайней мере одной из них) харак¬
теризуется тремя параметрами: длиной, частотой и
периодом. Любой волновой процесс является про¬
цессом колебательным. В простейшем, легче всего
воспринимаемом случае - это колебание частиц
материальной среды, например, воздуха или воды.
В последнем, хорошо знакомом каждому случае,
волна состоит из горбов и впадин, распространяю¬
щихся во всех направлениях от очага возбуждения
волны - места брошенного камня или иного пред¬
мета. Это - поперечная волна, т.к. молекулы воды
смещаются в направлении, перпендикулярном к на¬
правлению распространения волны, вниз и вверх.
Находящаяся на поверхности водоема деревянная
щепка при прохождении волны смещается в верти¬
кальном направлении, то подымаясь, то опускаясь,
но при отсутствии ветра совершенно не смещается
в горизонтальной плоскости.
Звуковая волна, возникшая в земной атмосфере от
летящего самолета или ружейного выстрела, приво¬
дит к образованию сгущений и разрежений воздуха
в направлении распространения. Поскольку смеще¬
ние молекул атмосферных газов происходит в том
же направлении, эта волна будет продольной.
Расстояние между двумя соседними горбами или
впадинами на поверхности воды, а также между
соответствующими сгущениями или разрежениями
воздуха в случае звуковой волны принято называть
длиной волны.
Поскольку волна связана с колебательным про¬
цессом, временное описание его может быть
представлено синусоидой. Так изменяются элект-
Рис. 24
Движение
на экране тени от
вращающегося по
кругу шарика
представляет
колебательный
процесс
3 А Н И М А Т Е П b Н А Я U П Т И К А

Явление Доплере
Рис. 25
Графическое
представление
электромагнитной
волны
рическая Ей магнитная Ннапряженности элект¬
ромагнитной волны, следовательно, и световой:
E =E0s\n{(ot+ kr), Н =W0sin(cof + кг), ©
где Eq, Н: - амплитудные, т.е. наибольшие значе¬
ния этих напряженностей, t — текущее время,
кг - фаза, определяющая положение волны в про¬
странстве, описываемое координатой г и волновым
числом к = —, оз - круговая частота. Она получи¬
ла название круговой благодаря часто используемо¬
му удобному представлению колебательного дви¬
жения движением тени на плоском экране Э (рис. 24)
от равномерно вращающегося по кругу предмета,
например, шарика. В крайних положениях би Н
тень шарика на какое-то мгновение останавливает¬
ся, а в точке 0 ее скорость и максимальна. Она
изменяется по такому же синусоидальному закону,
как и напряженности Ей Нэлектромагнитной вол¬
ны, т.е. и = u0sincof. Поскольку колебательное
движение тени локализовано в пространстве, вто¬
рое слагаемое аргумента тригонометрической
функции, описывающее координатой г процесс
распространения волны, отсутствует.
Один оборот шарика отвечает периоду колебаний
его тени, в течение которого она, начиная переме¬
щаться от исходного положения (точка Н), достига¬
ет крайнего левого положения В, а затем, поменяв
направление движения на противоположное, край¬
него правого Н. За время одного периода колеба¬
ний шарик описывает окружность, т.е. угол 2л ра¬
диан*. В момент t = 0 (начало движения) sin со t так
же равен нулю, следовательно, и и = 0. Максимальное
значение скорости о0 получим при значениях аргу¬
мента и? =	= 0,1,2,...)каждый раз, ког¬
да тень попадает в центр экрана.
Круговая частота связана с обычной частотой ѵ и
периодом колебаний Т следующими простыми со¬
отношениями
со = 2лѵ =^-.	©
Величина, обратная периоду колебаний, определя¬
ет их число за одну секунду. Это и есть частота
любого колебательного процесса.
На рис. 25 показано синусоидальное изменение во
времени напряженностей Е, Н электромагнитной
волны. Они в любой момент времени взаимно пер-
пеццикулярны. На интервале, пройденном волной за
время Ти равно длине волны X, каждая из напряжен¬
ностей дважды достигает амплитудного значения, но
они имеют противоположные направления.
Длина волны, скорость распространения ее, пери¬
од и частота связаны соотношением:
Х = сТ =—.	©
V
Частоты световых колебаний огромны. В
интервале, воспринимаемом человеческим глазом,
* Один радиан равен углу, опирающемуся на дугу, длина кото¬
рой равна радиусу окружности длиной 2nR. Таким образом,
угол, соответствующий одному периоду колебаний, составляет
2п радиан или 360°.
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ Н П Т Н К А
41

Атмосферная о космическая оптика
они изменяются от 3,75-1014 герц до 7,5-1014
герц. Естественно, границы этого интервала для
различных людей несколько отличаются. Имеются,
например, сведения, что Лев Толстой мог воспри¬
нимать даже ультрафиолетовые лучи (конечно, их
наиболее длинноволновый участок) •
Явление Доплера в акустике
Вспомнив об основных характеристиках волн, пе¬
рейдем к рассмотрению явления Доплера, очень
широко использующегося в астрономии и физике
при рассмотрении различных космических и атом¬
ных процессов.
Австрийский физик прошлого века Христиан До¬
плер (1803-1853 гг.), заметив резкое изменение
высоты тона паровозного гудка, проскочившего
железнодорожную станцию, задался вопросом, как
связана высота звука со скоростью движения его
источника, когда он приближается к наблюдателю
и когда удаляется от него.
Зная способность музыкантов точно определять, ка¬
кую ноту и какой октавы родил музыкальный инстру¬
мент, Доплер посадил на поезд духовой оркестр и
предложил на всех трубах играть одну и ту же ноту
одной и той же октавы. Другую, неподвижную группу
музыкантов, он попросил определить, какие ноты им
слышатся с приближением и удалением паровоза.
Поскольку каждой ноте отвечает вполне определен¬
ная частота звуковых колебаний, он смог вычислить,
как повышение частоты с приближением поезда, так
и понижение ее с его удалением (рис. 26).
Аллегорически доплеровский эффект в акустике изо¬
бражен на рис. 27. Казаку-кашевару, сидящему сле¬
ва, цокот копыт приближающейся лошади слышится
более звонким, чем садящему справа звон копыт
удаляющейся лошади. Синий цвет в первом случае и
красный во втором символизируют увеличение и
уменьшение частоты звуковой волны соответственно.
Доплер, зная скорость поезда и пользуясь получен¬
ными от музыкантов данными, вывел формулы, оп¬
ределяющие величину повышения или понижения
частоты звуковых колебаний с приближением и уда¬
лением источника звука. Они имеют несложный вед:
ѵ
где знак«-»отвечает случаю, когда паровоз при¬
ближается к наблюдателю со скоростью іт, знак
«+», когда он удаляется с той же скоростью. При
этом предполагается, что опыт производится при
отсутствии ветра, а скорость звуковой волны и». В
ветреный день необходимо учитывать также на¬
правление и скорость ветра.
Формула (24) описывает продольный эффект Допле¬
ра. В большинстве же случаев источник звука пере¬
мещается в пространстве под некоторым углом ср к
42
ЗАІММДТЕНЬІДЯ ОПТИКА

Явление Доплера
Рис. 27
Аллегорическое представление явления Доплера. Неизменной частоте отвечает зеленый
цвет, увеличенной - синий, уменьшенной — красный. Стук лошадиных копыт с приближе¬
нием всадника более звонкий, чем при его удалении
прямой, соединяющей источник и приемник звуко¬
вых волн. Тогда в формуле (24) вместо скорости и
должна стоять ее проекция на упомянутую прямую,
т.е. и cos ср. В итоге выражение (24) преобразуется в
Приср=- cos ср = 0 и ѵ=ѵ0. Это означает, что по¬
перечный эффект Доплера для звуковых волн не
имеет места. Нет его и в оптике, если скорость ис¬
точника излучения не составляет заметной доли от
скорости света.
Интересная ситуация возникает при совпадении
значений скоростей и и и. С удалением источника
звука в знаменателе формулы (24) будет двойка и
наблюдатель должен воспринимать в два раза
меньшую частоту, а источник звука должен дви¬
гаться со скоростью 1200 км/час.
Совершенно феноменальный результат получается,
когда источник звука движется к вам. Тогда в знаме¬
нателе будет нуль, следовательно, воспринимаемая
частота должна бытъ бесконечно большой. Для зву¬
ковых волн такая ситуация отвечает образованию
ударной волны. Реактивные самолеты давно уже мо¬
гут летать со звуковой скоростью и даже превосхо¬
дить ее. В момент достижения звукового барьера
образуется мощная ударная волна, воспринимаемая
как пушечный выстрел. Побывавшие на фронте и
пережившие пулеметные и автоматные обстрелы хо¬
рошо знают, что свист пуль слышен уже после того,
как они пролетели над их головами: пуля движется
вместе с рожденной ею звуковой волной. И все же
падать на землю или прыгать в окоп необходимо,
ведь за первой очередью могут быть повторные •
Эффект Доплера в оптике
В то время как звуковые волны живут и рождаются
только в материальной среде (газообразной, жед-
кой или твердой), электромагнитные лишь
рождаются материальной средой, а жить могут
сколь угодно долго в абсолютном вакууме. Хотя в
принципе такого вакуума не существует, поскольку
космическое пространство заполнено отдельными
атомами, молекулами и пылинками, но их концент¬
рация чрезвычайно мала вдали от космических
объектов и они не могут служить серьезными ис-
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ I П Т И К А
43

Атмосферная и космическая оптика
точниками возникновения или причиной исчезно¬
вения распространяющихся в космосе электромаг¬
нитных волн.
В прошедшие века, включая и XIX век, предприни¬
мались интенсивные поиски некоторой эфемерной
среды, получившей название эфира, якобы необ¬
ходимого для распространения световых волн. К
такому выводу приходили на основании аналогии
со звуковыми волнами. Немало было потрачено
времени и средств для постановки чрезвычайно
тонких и точных опытов, а также теоретических ис¬
следований, чтобы прийти, наконец, к выводу, что
никакого эфира не существует и в его существова¬
нии нет никакой надобности. Да еще с не уклады¬
вающимися в голове уникальными свойствами.
Чтобы как-то свести концы с концами при рассмо¬
трении световых явлений эфир должен был обла¬
дать упругостью, превышающей упругость стали, и
вместе с тем обладать исключительно низкой
плотностью, позволяющей ему беспрепятственно
проникать в любой предмет или среду.
Явление Доплера и ширина
спектральных линиО
В линейчатых спектрах атомов и молекул нет бес¬
конечно узких спектральных линий. Даже при пол¬
ном отсутствии внешних факторов, возмущающих
частицы, энергетические уровни, на которых "си¬
дят" электроны, не являются идеально узкими. По¬
этому для атомов одного сорта квантовый переход
между парой одних и тех же уровней в принципе
не дает полностью совпадающих частот. Вследст¬
вие этого соответствующая спектральная линия бу¬
дет немного размытой. В этом случае ширина ли¬
нии называется естественной. Она определяется
вероятностью спонтанного (самопроизвольного)
квантового перехода, то есть такого перехода, ко¬
торому ничего не мешает и не оказывает помощи.
Атом сам решает, что ему делать: испустить квант
света, или продолжать находиться в возбужденном
состоянии. Чем дольше он пребывает в нем, тем
уже спектральная линия, тем меньше ее естест¬
венная ширина. Если атом способен бесконечно
Несмотря на различную природу звуковых и свето¬
вых волн, формулы (24) и (25) справедливы также
в оптике, но только в случае малых скоростей ис¬
точника или приемника световых лучей по сравне¬
нию со скоростью света в вакууме, т.е. при и « с.
Если же ѵ значительно, т.е. имеет место так назы¬
ваемый релятивистский случай, необходимо поль¬
зоваться формулой
Анализ формулы показывает, что в оптике больших
скоростей существует как поперечный
[ф = -,cosф = о\ таки продольный (ср=0,coscp=1)
эффекты Доплера, только первый из них имеет
чисто релятивистский характер и проявляется (мо¬
жет быть зарегистрирован) при скоростях источ¬
ника света, близких к скорости с. Такими скорос¬
тями могут обладать, например, ускоряемые элек¬
троны •
долго находиться в данном возбужденном состоянии,
естественная ширина будет бесконечно узкой. Такие
возбужденные состояния называют метастабильны¬
ми. Вообще ширина спектральной линии обратно
пропорциональна времени его жизни в возбужден¬
ном состоянии. Уширение спектральной линии в ре¬
зультате действия внешних факторов во много раз
больше естественной ширины. Главным из них явля¬
ется явление Доплера. Кроме него, существенное
влияние на ширину спектральных линий оказывают
соударения излучающих частиц и так называемый
полевой эффект (пролетное уширение). Он проявля¬
ется при движении излучателя в электромагнитном
поле. И соударения, и внешнее поле вызывают
уменьшение времени жизни атома или молекулы в
возбужденном состоянии. Следовательно, приводят к
увеличению естественной ширины линии.
Для количественной оценки ширину линии опреде¬
ляют на половине ее высоты, соответствующей
максимальной интенсивности. Поэтому часто поль¬
зуются также понятием "полуширина спектральной
линии".
ЗАІИМАТЕІЬІДЯ ОПТИКА

Рис. 28
Явление Доплера
Вклад различных
факторов в ширину
спектральных линий:
1 — естественная
ширина (атом,
молекула, ион не
подвергаются никаким
внешним
воздействиям),
2 — пролетное
уширение,
3 — ударное уширение,
4 — доплеровское
уширение
На рис. 28 показано, какой вклад в реальную ши¬
рину линии вносит каждый из трех названных фак¬
торов. Правда, этот график — весьма грубое при¬
ближение того, что есть на самом деле. В оптичес¬
кой области спектра естественная полуширина в
среднем составляет примерно 10-4 А.
Полевой фактор увеличивает ее в 100 раз (до 10-2
А) (на графике лишь в 5 раз), наличие соударений
-в 104 раз (до 1 А), наконец, эффект Доплера -
в 106 раз (до 100 А). Графически не представля¬
ется возможным передать истинное соотношение
естественной полуширины и обусловленной,
например, эффектом Доплера. Если на рис. 28
первая характеризуется отрезком в несколько
миллиметров, то для второй длина соответству¬
ющего отрезка должна составлять несколько де-
Явление Доплера в астрономии
Экспериментальное подтверждение оптического
эффекта Доплера получено как в лабораторных ус¬
ловиях, так и в космических масштабах, причем
астрономы сделали это раньше физиков.
Представьте себе звезду, которая вращается во¬
круг собственной оси, а ее ось перпендикулярна
лучу зрения наблюдателя. Примерно такая ситуа¬
ция имеет место, когда наблюдают за перемеще-
сятков сантиметров, а для четвертой - несколько
километров.
В лабораторных условиях иногда удается в неко¬
торой степени уменьшить действие внешних фак¬
торов, что же касается проблем атмосферной и
космической оптики, - здесь приходится доволь¬
ствоваться тем, что нам предоставлено приро¬
дой. Человек не в состоянии изменить ни кон¬
центрацию излучающих атомов и молекул, ни
скорость их движения, ни температуру звездной
атмосферы, как, впрочем, и скорость движения
самой звезды. Правда, в ряде случаев космичес¬
кие условия и, на первый взгляд, негативные яв¬
ления эффективно используются для извлечения
необходимой информации о процессах, происхо¬
дящих во Вселенной <
нием солнечных пятен по диску светила - факт хо¬
рошо известный еще Галилею. Подобные наблю¬
дения проводились многократно до появления
первой публикации Доплера. Для скорости движе¬
ния пятен они дали величину примерно 2 км/с.
Через 19 лет после выхода в свет сообщения До¬
плера Фогель, а вслед за ним Ланглей и Корню,
предприняли попытку спектроскопического опре¬
деления этой скорости. В XIX веке уже были хоро¬
шо известны длины волн многих атомов, излуче-
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ ОПТИКА
40

Атмосферная и космическая оптика
плера
ние которых в разрядных трубках регистрирова¬
лось спектральными приборами. При холодном
электрическом разряде, когда скорости излучаю¬
щих атомов невелики, спектральные линии доста¬
точно узкие, поэтому сравнительно просто наблю¬
дается доплеровское смещение. С приближением
к наблюдателю источника света частоты спект¬
ральных линий должны увеличиваться, т.е. линии
должны смещаться в коротковолновую область,
при удалении - наоборот.
Выделив небольшой элемент солнечного диска на
восточном краю, который движется к земному на¬
блюдателю, регистрируется "фиолетовое" смеще¬
ние выбранной в качестве объекта спектральной
линии, т.к. ее частота должна возрастать в связи с
приближением упомянутого элемента. Наоборот,
удаляющийся элемент на западном краю диска да¬
ет уменьшение частоты той же спектральной линии
и мы получим ее «красное» смещение. Эти опыты
дали значение скорости перемещения солнечных
пятен около 2,3 км/с, т.е. близкое к полученному в
результате непосредственного наблюдения за их
видимым перемещением.
Схематически описанные процессы показаны на
рис. 29. Сверху изображена звезда, вращение ко¬
торой происходит против часовой стрелки. На ее
поверхности вьщелено три элемента: элемент А,
перпендикулярный к лучу зрения наблюдателя, по¬
этому спектральная линия оказывается не смещен¬
ной, т.к. для малых скоростей поперечный эффект
Доплера отсутствует. Элемент В приближается к
приемнику земного наблюдателя и в соответствии
с формулой (24) спектральная линия смещена в
область меньших длин волн или больших частот.
Площадка С удаляется с той же скоростью от при¬
емника и линия будет смещена в область больших
длин волн или меньших частот. При регистрации
той же спектральной линии от всей поверхности
звезды получим суммарную картину, изображен¬
ную самой нижней кривой. Этими графиками мы
продемонстрировали, как явление Доплера приво¬
дит не только к смещению, но и к размытию спек¬
тральных линий.
На рис. 29 во всех четырех позициях представлены
линии поглощения на сплошном фоне температур¬
ного излучения звезды как любого нагретого до
высокой температуры тела. На этот фон наклады¬
вается линейчатый спектр излучения атомов, нахо¬
дящихся в высокотемпературной части звездной
атмосферы. В холодной части атмосферы невоз¬
бужденные атомы поглощают излучение тех же, но
непрерывно возбуждаемых и излучающих атомов.
Так возникают фраунгоферовы линии поглощения
в сплошном спектре Солнца.
46
ЗДІИМАТЕЯЬІДЯ ОПТИКА

Явление Доплера
Явление Доплера привлекается не только для уста¬
новления скорости вращения Солнца. Оно позво¬
лило обнаружитъ в космосе наличие двойных
звезд, вращающихся вокруг общего центра масс
(рис. 30). Зачастую они так далеко расположены от
Солнечной системы, что не могут бытъ разрешены
самыми совершенными телескопами и видны в ви¬
де одной светящейся точки. Спектральные линии
двойных звезд периодически меняют свою струк¬
туру: на спектрограммах они регистрируются то
одиночными, то в виде дублетов. Когда одна звез¬
да закрывает другую, в спектре фиксируется оди¬
ночная линия, причем не смещенная, поскольку
поперечный эффект Доплера при малых скоростях
отсутствует (рис. 30, линия Х0). Когда же они нахо¬
дятся на прямой, перпендикулярной к направле¬
нию на Землю, одна из них движется к нам и час¬
тоты спектральных линий несколько увеличивают¬
ся, а вторая — от нас и частоты тех же линий
уменьшаются, причем на туже величину, если
массы звезд примерно одинаковы. Существенное
различие в массах приведет к большему смеще¬
нию для линий, излучаемых меньшей звездой, ра¬
диус обращения которой, а значит, и линейная
скорость движения, гораздо больше таковых боль¬
шей звезды (рис. 30, смещение Д^2)- Возникает
периодический процесс, сопровождающийся регу¬
лярным превращением спектральной линии в
дублет из линий Х1 и Х2 положение которых также
периодически изменяется в спектре. Конечно, это
возможно при значительных скоростях вращения.
В противном случае будет иметь место только
уширение спектральной линии.
Явление Доплера - единственное средство для
определения расстояний до космических объектов,
находящихся за пределами галактики, к которой
принадлежит Солнечная система. Оно основано на
измерении «красного смещения» спектральных ли¬
ний и использовании закона, установленного в
1929 г. американским ученым Хабблом на основа¬
нии астрономических наблюдений. Закон Хаббла
выражается формулой:
и=HR. ф
спектральной линии, излучаемой ком¬
понентами двойной звезды, вызванное
явлением Доплера
Здесь и - скорость внегалактического объекта, R—
расстояние до него, Н - постоянная Хаббла, кото¬
рая все же в полном смысле этого слова не являет¬
ся постоянной. Ее значение колеблется в пределах
50 -100 (км/с)/Мпк, хотя в астрономических вы¬
числениях пользуются, как правило, средним зна¬
чением этого параметра, равным 75 (км/с)/Мпк*.
* Мпк- мегапарсек, т.е. один миллион парсеков. 1 парсек равен
206265 а.е. (астрономических единиц). 1а.е. = (149597870±2)
км - среднему расстоянию от Земли до Солнца. Следовательно,
1 Мпк= 3,0857-1013 км или 3,26 световых лет. Такое время не¬
обходимо световому лучу, чтобы преодолеть расстояние в 1 Мпк.
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ Н П Т И К А
47

Атмосферная п космическая оптика
Хаббл обнаружил, что все внегалактические объек¬
ты удаляются от нас, причем с тем большей скоро¬
стью, чем дальше они расположены. Отсюда и
получается, что для наиболее удаленных объектов
в расчетах следует пользоваться максимальным
значением постоянной, для самых близких - наи¬
меньшим.
Наблюдения Хаббла подтвердили правомерность
космической теории «Большого взрыва». Из нее
следует, что миллиарды лет назад никакой Все¬
ленной вообще не было. Было нечто вроде «мако¬
вого зернышка» с огромной плотностью вещества.
В конце концов этому зернышку надоело пребы¬
вать в таком состоянии и оно взорвалось, разбро¬
сав свое содержимое во всех направлениях. Вна¬
чале оно было вполне однородным, но потом од¬
нородность начала нарушаться в результате взаим¬
ного притяжения частиц и образования сгустков в
веде звезд. Звезды соединялись в огромные скоп¬
ления, именуемые галактиками, которые во всей
совокупности образуют Метагалактику. Наша Сол¬
нечная система принадлежит к Галактике, именуе¬
мой Млечным путем. Все те звезды, которые мы
видим невооруженным глазом, это звезды одной
Галактики. Они держатся на установившемся рас¬
стоянии друг от друга и совсем не намерены раз¬
бегаться. Убегают так называемые внегалактичес¬
кие туманности, которых известны тысячи.
Необычная теория образования Вселенной путем
«Большого взрыва» не могла не вызывать возраже¬
ний и недоумений, но в основу ее лег реальный
эксперимент - красное смещение спектральных
линий. Поиски факторов, как-то иначе объясняю¬
щих это смещение, продолжаются со дня появле¬
ния упомянутой теории. Один из них принадлежит
Эйнштейну. В соответствии с его общей теорией
относительности электромагнитное излучение лю¬
бой частоты, то есть не только световые, но и ра¬
диоволны, вынуждено преодолевать гравитацион¬
ное поле, затрачивая на это определенную энер¬
гию. Даже поле планеты, масса которой значитель¬
но меньше массы Солнца, способно вызвать крас¬
ное смещение. Уменьшение энергии кванта h ѵ
происходит лишь за счет уменьшения частоты эле¬
ктромагнитных колебаний, т.к. постоянная Планка
h не может претерпевать изменений.
В 1980 г. группой американских астрономов под
руководством Тимофи Кричера проводились изме¬
рения частоты радиосигналов от радиопередатчи¬
ка, установленного на космическом аппарате «Воя¬
джер -1»и работавшего на частоте 2,3 ГГц. «Воя¬
джер -1» прошел на расстоянии 180 тысяч кило¬
метров от планеты-гиганта Сатурна, непрерывно
посылая сигналы упомянутой частоты. Они прини¬
мались сетью земных станций слежения, система¬
тизировались и изучались на протяжении почти 10
лет. Оказалось, что гравитационное поле Сатурна
уменьшало частоту принимаемого радиосигнала на
несколько герц. Изменение это регистрировалось
очень надежно, так как стабильность частоты излу¬
чения передатчиком была очень высокой и состав¬
ляла 10 2 Гц. Наблюдаемый сдвиг частоты отли¬
чался от предсказанного теорией Эйнштейна ме¬
нее, чем на 1%. Результаты группы Кричера дают,
таким образом, иное толкование красному смеще¬
нию, отвергая концепцию «Большого взрыва».
К такому же выводу приходят авторы последующих
публикаций на основании иных умозаключений и
многочисленных наблюдений, систематизирован¬
ных В.С. Троицким.
Спектроскопическим исследованиям светимости и
пространственного распределения подвергалось
около 9000 галактик всех известных видов и 4000
квазаров. Последние были открыты в 1960 г. Было
установлено постоянство таких средних величин
как светимости, размеры, формы спектров галак¬
тик и квазаров, а также их изменение в зависимос¬
ти от места расположения объекта в пространстве.
Далее мы дословно процитируем В.С.Троицкого.
"Метагалактики хорошо укладываются в известный
совершенный космологический принцип однород¬
ности и изотропности Вселенной в пространстве и
во времени, ранее установленный относительно
средней объемной плотности вещества. Разумеет¬
ся, что постоянство указанных средних величин не
исключает эволюцию светимости и размеров кон¬
кретных галактик. Здесь уместна аналогия со сред¬
ней силой людей всей планеты, которая неизменна
3 А Н И М A I Е П Ь И А Я ОПТИКА

Явление Доплера
во времени, хотя каждый человек претерпевает
эволюцию силы. Статистическая однородность ха¬
рактеристик галактик в пространстве Вселенной
свидетельствует о значительном ее возрасте, кото¬
рый, по крайней мере, на порядок должен превы¬
шать возраст галактик, оцениваемый в 15-20
млрд, лет."
Если упомянутое «маковое зерно» взорвалось и
привело к однородно распространенному в прост¬
ранстве веществу, то сразу же напрашивается во¬
прос, почему же это вещество в отдельных местах
вновь начало собираться в плотные крупные обра¬
зования, заполняющие в настоящее время Метага¬
лактику? Приходится предположить, что ранняя
Вселенная вовсе не была однородной, а распола¬
гала большими скачками плотности вещества, а
предположив это, мы вынуждены отвергнуть тео¬
рию Большого взрыва. По-видимому, продолжаю¬
щаяся дискуссия не скоро подойдет к концу. Уж
слишком глубокие корни пустила концепция Боль¬
шого взрыва, опирающаяся на реликтовое излуче¬
ние* и красное смещение, объясняемое последо¬
вателями концепции явлением Доплера. Джерри
Бербидж отмечает, что темп ее распространения
ошеломляет, захватывая даже печать, далекую от
науки. Обилие международных конференций, по¬
священных ставшей стандартной космологической
модели, в виде пространных сообщений широко
рекламируется в выпусках «Нью Йорк Таймс»,
«Уолл Стрит Джорнел», в лондонском журнале
«Экономист» и других периодических изданиях. В
то же время альтернативные «Большому взрыву»
теории, как отмечает Джерри Бербидж, не могут
пробиться на страницы общедоступной печати.
Они не проникают даже в популярные книги кос¬
мологического характера. Например, в книге
С.Вайнберга «Первые три минуты» нет никаких
сведений по другим космологическим моделям.
Мы задели этот вопрос лишь потому, что он тесно
связан с такими понятиями, как скорость света и
эффект Доплера, но, к большому сожалению, не
нашли подходящей литературы, в которой освеща¬
ются более свежие альтернативные теории, с тру¬
дом пробивающие пути в науке •
* Оставшееся от Большого взрыва микроволновое излучение
(потому и называется реликтовым). Отличается от излучения
существующих космических тел изотропным распределением
в пространстве и описывается формулой Планка для темпера¬
туры 2,7 К.
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ Н П Т И К А

Атмосферная и космическая оптика
Давление света
«Выше всех умозрительных знаний
и искусств стоит умение произво¬
дить опыты, и эта наука есть цари¬
ца наук»
Роджер Бэкон
Что было озвестоо до
П.НЛебедева
Нам ничего не известно о высказываниях древ¬
них относительно возможного давления света.
По-видимому, до XVII века, когда Кеплер
впервые объяснил возникновение кометных хвос¬
тов световым давлением, в литературе не появля¬
лось никаких предположений о способности свето¬
вых лучей производить механическое действие.
В очень оригинальном варианте, ссылаясь на рас¬
сказ какого-то путешественника, туже гипотезу по¬
вторил позже один из наставников Петра Первого
Николай Гартзокер:«... течение вод Дуная значи¬
тельно медленнее утром, когда лучи Солнца проти¬
водействуют его движению, и ускоряются после по¬
лудня, когда лучи Солнца помогают его течению».
В 1746 г. мысль о существовании светового давле¬
ния высказал Леонард Эйлер, но он не нашел под¬
держки среди ученых России. Трудно было наде¬
яться на успех подобных гипотез без постановки
лабораторных экспериментов, последние же оказа¬
лись очень и очень сложными. И не удивительно,
ведь даже в безоблачный день, когда Солнце стоит
высоко над горизонтом, величина солнечного дав¬
ления сравнима с давлением пяти маковых зерны-
Лебедев и его опыты
с твердыми теламн
Электромагнитная волна поперечная, поэтому, па¬
дая на какую-либо поверхность, она вызывает сле¬
дующие процессы в веществе. Под действием эле¬
ктрической напряженности Евозникнет движение
электронов против направления вектора Е Вектор
шек на 1 квадратный метр, т.е. всего
0,002 грамма.
Существование давления электромагнитной волны
впервые теоретически обосновал выдающийся анг¬
лийский физик К. Максвелл. Он получил очень
простую связь между создаваемым световым пуч¬
ком импульсом р, его энергией Е и скоростью све¬
та с в вакууме:
с
Если этот импульс уподобить механическому, ко¬
торый имеет тело массой /п, движущееся со ско¬
ростью с, а именно р = тс, предположив к тому
же, что кванты излучения можно характеризовать
определенной массой, то уравнение (28) представ¬
ляется в виде:
тс=— J-e. те2 = Е.	®
с
Мы пришли к фундаментальному соотношению
Эйнштейна - закону эквивалентности массы и
энергии, справедливому как для излучения, так и
для вещества. Когда имеют дело с излучением,
массу т называют электродинамической, рассмат¬
ривая вещество, говорят о массе покоя.
Частица излучения, именуемая квантом или фото¬
ном, не имеет массы покоя, но ее также можно
«взвесить» и это «взвешивание» осуществил вели¬
кий русский ученый П.Н.Лебедев.
«Характерной чертой работ Петра Николаевича,-
пишет Н.А. Умов,- было то, что они проводились в
областях природы, недостижимых для обыкновен¬
ного экспериментатора» •
магнитной напряженности Н в соответствии с зако¬
ном Ампера заставит возникший ток двигаться в
направлении распространения электромагнитной
волны S (рис. 31). Электроны, получившие опре¬
деленный импульс от магнитного поля, тянут за
собой атомы или молекулы вещества, а значит, и
само тело, на которое падает свет. Через полпери¬
ода вектор Епоменяет направление на противопо¬
ложное. То же самое произойдет и с вектором Н.
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ ОПТИКА

Давление света
Поэтому направление светового импульса останет¬
ся прежним.
Лебедев был не первым в постановке опытов, зо¬
лотыми буквами вписавших его имя в историю раз¬
вития науки. Многие физики-экспериментаторы
пытались обнаружить и измерить световое давле¬
ние, однако безуспешно. Некоторым из них удава¬
лось сконструировать сверхчувствительные прибо¬
ры, способные регистрировать более слабые
давления, чем световые. Кроме приборов, необхо¬
димо было разработать еще совершенный метод,
исключающий влияние сопутствующих явлений,
превосходящих по своему действию измеряемую
величину. Теория Максвелла позволяла теоретичес¬
ки рассчитать импульс, приходящийся на площадку
определенных размеров, при известной интенсив¬
ности падающего излучения. Требовалось получить
точные экспериментальные значения, чтобы под¬
твердить или опровергнуть теорию Максвелла, сни¬
скавшую немало серьезных противников.
В общих чертах Д. К. Максвелл завершил свою тео¬
рию в 1864 г., т.е. за 2 года до рождения Лебеде¬
ва. Чтобы читателю стало ясно, почему именно Ле¬
бедев сумел «разгрызть крепкий орешек, начинен¬
ный» световым давлением, остановимся на некото¬
рых эпизодах его личной жизни.
Будучи слушателем реального училища, П.Н. Лебе¬
дев под влиянием электротехника Бекиева увлекся
конструированием различных физических прибо¬
ров. Об этом вспоминал друг его детства извест¬
ный русский физик А.А. Эйхенвальд: «Дома он все¬
гда мастерил различные электрические машины,
проводил с ними исследования, читал книги
преимущественно по физике и электротехнике, де¬
лал сам изобретения, изображал их старательно
выполненными рисунками с пояснительным текс¬
том».
Отец мальчика приложил немало усилий, чтобы
сделать сына коммерсантом, но не достиг цели.
После реального училища П.Н. Лебедев вступил в
престижное Московское техническое училище, где
приобрел навыки столярного, слесарного и токар¬
ного мастерства. Однако, его тянуло в чистую на¬
уку с желанием постичь суть физических явлений.
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ О П Т И К А
51

Атмосферная о космическая оптика
Для этого необходимо было приобрести универси¬
тетские знания, но попасть в Московский универ¬
ситет он не смог, т.к. ни в реальном, ни в техниче¬
ском училище не преподавались греческий и ла¬
тинский языки, знание которых было обязательным
при поступлении на любой факультет университета.
По совету одного из профессоров Технического
училища П.Н. Лебедев в 1887 г. поехал для про¬
должения учебы к известному немецкому физику
А. Кундту, который прививал своим ученикам на¬
выки к самостоятельной научной работе. Он счи¬
тал, что молодой исследователь должен сам выби¬
рать тему и самостоятельно ее разрабатывать.
П.Н. Лебедева это полностью устраивало. Уже в
следующем 1888 г. он писал к матери: «Я никогда
не думал, что к науке можно так привязаться».
Или: «Вне физической жизни у меня лишь сон: я
прихожу домой только чтобы спать и утром иметь
кофе... Лучшего развлечения, чем физика и лабо¬
ратория, я не знаю».
После исследования диэлектрических свойств га¬
зов и экспериментального обоснования теории
Клаузиуса-Моссотти, устанавливающей связь
между диэлектрической постоянной и плотностью
вещества, П.Н. Лебедев в 1891 г. успешно защи¬
тил докторскую диссертацию и, возвратясь в
Москву, занялся созданием физической лабора¬
тории. Формально такая лаборатория в Москов¬
ском университете существовала и руководил ею
проф. А.П.Соколов, однако, бедность ее пора¬
зила молодого ученого. Получив должность асси¬
стента, он сразу занялся организацией механиче¬
ской мастерской, составив смету на закупку ин¬
струмента и приобретение токарного станка. В
общей сложности получилась сумма в 300 руб¬
лей, приведшая в ужас заведующего и царских
чиновников от науки. Как рассказывал потом
П.Н. Лебедев своим ученикам, пришлось в спис¬
ке необходимого оборудования именовать токар¬
ный станок «прецизионным дрегбанком» (на не¬
мецком языке «дрег-банк» означает станок), да¬
бы звучал он понаучнее.
Оборудовав физическую лабораторию, П.Н. Лебе¬
дев с головой окунулся в научные исследования.
Сначала он выполнил цикл работ по взаимодейст¬
вию электромагнитных волн с различного рода ре¬
зонаторами, затем приступил к решению основ-
Рис. 32
Принципиальная схема установки для измерения светового давления: С — мощная лампа;
Л — линза, концентрирующая световой пучок на приемной площадке П,; П2 — противовес;
А — кварцевая нить, по углу закручивания которой определяется величина светового
давления; Б — откачанный баллон
52
3 А Н И М АІГ Л Ь Н Л Я ОПТИКА

Давление света
ной проблемы — измерению светового давления,
в которой излучателем волн была лампа, а резо¬
наторами являлись молекулы газов и атомы твер¬
дого тела.
Зададимся вопросом, что мешало другим ученым
решить проблему светового давления? Она роди¬
лись вместе с теорией Максвелла в 1864 г., а
была решена П.Н. Лебедевым лишь в конце ХІХ-го
— начале ХХ-го веков. Ответим на него: этому по¬
мешало несколько факторов, два из которых лег¬
ко установить, анализируя принципиальную схе¬
му измерительной установки (рис.32). Она состо¬
яла из источника интенсивного излучения О, лин¬
зой Л направляемого на приемную площадку П1,
которая вместе с противовесом П2 была укреп¬
лена на концах легкого коромысла. Система
П1П2 подвешивалась на кварцевой нити АВ с из¬
вестными упругими свойствами и помещалась в
откачанный сосуд. По углу закручивания нити и
оценивалась величина светового давления. Пер¬
вым усложняющим фактором являлся низкий
уровень вакуумной техники того времени. При
обычных условиях в каждом кубическом сантиме¬
тре воздуха находится около 1019 молекул (число
Лошмидта). Различного рода ухищрениями
П.Н. Лебедеву удалось достичь вакуума порадка
10'3 мм рт. ст., что отвечает примерно 1013 мо¬
лекул в 1 см3. Излучение, направляемое в изме¬
рительную систему, создает конвекционные по¬
токи, действие которых гораздо сильнее светово¬
го давления.
Во-вторых, излучение нагревает испытывающий
световое давление элемент. В свою очередь, он
нагревает примыкающий к нему газ, испытывая
дополнительный импульс в направлении падаю¬
щего излучения. Это - радиационный эффект. В
установке П.Н. Лебедева он также превышал из¬
меряемый.
Важнейшим фактором явилось терпение и мас¬
терство экспериментатора. У П.Н. Лебедева то и
другое оказались значительно выше, чем у его
предшественников. Ведь опыты продолжались 8
лет, прежде чем был достигнут желаемый ре¬
зультат. Продумано и собственными руками из¬
готовлено рад оригинальных деталей в поисках
наилучшего решения. Неоднократно менялась
техника эксперимента и тщательно проверялись
на эффективность его этапы. Например, чтобы
избавиться от конвекционно-радиометрических
помех, ученый придумал оригинальный способ
«выкуривания» из сосуда молекул. Перед откач¬
кой вакуумным насосом он помещал в него ша¬
рик ртути и в процессе откачки нагревал его. Ис¬
паряясь, ртуть захватывала молекулы оставшего¬
ся газа и уносила их через выхлопную трубу. Не¬
откачанные атомы ртути вымораживались. Мы не
можем здесь останавливаться на всех деталях
эксперимента и отсылаем заинтересованного чи¬
тателя к литературным источникам, приведенным
в конце книги.
В 1899 г. П.Н. Лебедев завершил эксперименты
по измерению давления света на твердые тела. В
том же году он сделал доклад на заседании
швейцарского научного общества, а в следующем
- на Всемирном съезде физиков в Париже. Мо¬
жете представить себе, какой фурор произвели
эти доклады. Так, на одном из физических съез¬
дов крупный английский физик В.Томсон говорил
профессору Московского университета К.А. Тими¬
рязеву: «... Я всю жизнь воевал с Максвеллом, не
признавая его светового давления, и вот ваш Ле¬
бедев заставил меня сдаться перед его опытами».
Ученый получил много хвалебных устных и
письменных отзывов от различных научных цент¬
ров мира и отдельных ученых. Так, автор откры¬
тия одной из спектральных серий водородного
атома и так называемого Пашен-Бак-эффекта
Ф. Пашен писал Лебедеву: «Я считаю Ваш резуль¬
тат одним из важнейших достижений физики за
последние годы... Я оцениваю трудности Ваших
опытов тем более, что я сам некоторое время на¬
зад ставил перед собою цель доказать (существо¬
вание) давления света и проводил подобные ис¬
следования, которые, однако, не дали желаемого
результата...».
Опыты Лебедева доказали единство излучения и
вещества и стали основой создания новых теорий
в области космической физики •
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ І8ТИКА

Атмосферная и космическая оптика
Давление света на газы
Изнурительная работа в лаборатории сильно
подорвала здоровье П.Н. Лебедева. Врачи катего¬
рически рекомендовали ему оставить работу и за¬
няться лечением, но он продолжал свои экспери¬
менты. Теперь уже не с твердым телом, а с газа¬
ми. Он не посчитался с такими авторитетами, как
Аррениус и Зоммерфельд, отвергавших вообще
существование светового давления на газы.
Новая задача была гораздо труднее прежней.
Принципиальная схема установки приведена на
рис.33. Параллельный пучок света проходил через
прозрачные окна Б1, Б2 заполненной газом камеры
А, соединенной с камерой меньшего объема К,
служившей для оттока избыточного газа, испытав¬
шего резкое повышение температуры в начальный
момент опыта.
Основная камера А имела перегородку Д с двумя
отверстиями сверху и снизу для притока и оттока
газа в область поршенька Е. При освещении каме¬
ры А молекулы газа, благодаря давлению света,
перемещались снизу вверх и через верхнее отвер¬
стие перегородки Д попадали на подвижный пор¬
шенек Е крутильных весов В. Разумеется, мы ука¬
зываем направления в соответствии с представ¬
ленной на рис. 33 схемой. На самом деле как све¬
товые лучи, так и потоки молекул газа направлены
в горизонтальной плоскости, а нить крутильных ве¬
сов перпендикулярна к ней.
На противоположном поршеньку Е конце крутиль¬
ных весов укреплен противовес П, а посередине
зеркальце З, на которое направляется узкий пучок
световых лучей. Смещение отраженного зайчика от
зеркала показывает угол закручивания кварцевой
нити. Зная упругие постоянные кварцевой нити и
угол отклонения светового зайчика, можно вычис¬
лить величину светового давления.
Поскольку давление световых лучей приводит к пе¬
рераспределению молекул газа в камере К, в ре¬
зультате которого его концентрация в верхней час¬
ти оказывается больше, чем в нижней, то образу¬
ется поток молекул в указанном стрелками направ¬
лении, приводящий в движение поршенек Е: све¬
товое давление преобразовалось в давление моле¬
кул газа.
Можно представить себе, какие трудности прихо¬
дилось преодолевать П.Н. Лебедеву, если темпе¬
ратура в верхней части всего на одну тысячную
градуса превышала таковую в нижней. Созданное
Рис. 33
Схема
установки
для изме¬
рения све¬
тового дав
ления на
газы
54
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ ОПТИКА

Давление света
этой разницей температур давление отклоняет
крутильные весы на такой же угол, как и создан¬
ный световым давлением поток молекул. Нужны
были очень точные расчеты и многочисленные из¬
мерения, чтобы вьщелить полезный сигнал из со¬
вокупности большого числа удачных попыток.
Для выбора наиболее оптимальных размеров уст¬
ройства и его отдельных элементов отработано
большое число различных вариантов и создано
около 20 типов приборов. Все это заняло более 8
лет. В декабре 1909 г. П.Н. Лебедев доложил о
своих результатах на съезде московских испытате¬
лей природы и опубликовал в нескольких научных
журналах. Эти сообщения, как и прежние по изме¬
рению светового давления на твердые тела, произ¬
вели колоссальное впечатление на ведущих
представителей мировой науки. Из различных
стран в адрес выдающегося труженика посыпались
приветственные телеграммы и письма. Вот что пи¬
сал, например, известный всему миру астроном
Шварцшильд: «Я хорошо помню, с каким сомнени¬
ем услышал в 1902 г. о Вашем намерении изме¬
рить давление света на газы, и я был тем более
удивлен, когда прочитал, как Вы устранили все
препятствия».
Недолго радовался сам и радовал своими успеха¬
ми научный мир Петр Николаевич Лебедев. Реак¬
ция напуганного революцией (1905 года) прави¬
тельства Николая Второго, оплакиваемого ныне
представителями новой России, вынудила 124 луч¬
ших преподавателей и профессоров оставить в
1911 г. Московский университет. В их числе был и
П.Н. Лебедев. Не отличаясь хорошим здоровьем,
переживая за судьбу созданной лаборатории, не
ведя ближайших перспектив для организации но¬
вой, П.Н. Лебедев ушел из жизни 14 марта 1912 г.
Ему было всего 46 лет. Друг П.Н. Лебедева акаде¬
мик КАТимирязев писал по поводу его смерти:
«Убивают не только гильотины. Лебедева убил по¬
гром Московского университета. Успокоили Лебе¬
дева. Успокоили Московский университет. Успоко¬
или и русскую науку» •
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ 0 П Т И К А
00

Атмосферная о космическая оптика
Атмосфера Земли
Модель земной атмосферы
По появления искусственных спутников Земли
ее атмосфера не воспринималась в виде
очень сложного космического объекта, не¬
смотря на обилие физических и химических явле¬
ний, происходящих в ней. Казалось, что мы ее уже
достаточно хорошо знаем. Но через небольшой
промежуток времени после запуска первого искус¬
ственного спутника стало ясно, что прежние пред¬
ставления о воздушной мантии нашей планеты
должны быть основательно пересмотрены, а в не¬
которых случаях даже претерпеть кардинальные
Оаиабабоба, Ё
Рис. 34
Температурная модель атмосферы:
I	- при нормальном состоянии Солнца,
II	- при активном состоянии Солнца.
изменения. Требуют ответа вопросы о химическом
составе и структуре атмосферы, энергетическом
балансе, о влиянии ультрафиолетового излучения
и солнечного ветра на происходящие в ней про¬
цессы и множество других. До начала космичес¬
кой эры большинство из них просто не существо¬
вали или сознательно не принимались во внима¬
ние из-за отсутствия возможностей получить ра¬
зумный ответ на них. Даже сегодня, в последние
годы XX века, после того, как человек побывал на
Луне и готовится к путешествию на Марс, не со¬
здана модель атмосферы, предельно точно от¬
ражающая происходящие в ней физико-химичес¬
кие процессы. Пока мы не в состоянии предска¬
зать, какие изменения происходят в верхних сло¬
ях атмосферы.
Для построения упомянутой модели необходимо
прежде всего решить ряд оптических задач, в ча¬
стности, хорошо изучить процессы поглощения и
излучения света в широком спектральном участке
-от рентгеновских до коротких радиоволн.
Если учитывать атмосферные процессы, необходи¬
мо помнить, что плотность атмосферы не всегда
следует барометрической формуле. Вместо нее
пользуются очень сложными формулами, учитыва¬
ющими действие многих факторов.
Для расчета спутниковых орбит знание плотности
воздуха на использующихся высотах имеет пер¬
востепенное значение. Необходимо иметь дан¬
ные о всех факторах, действующих на спутник в
полете, что бы точно определить период его об¬
ращения вокруг Земли. Видимо, не всякий чита¬
тель знает, что при расчете спутниковых орбит и
периодов обращения необходимо учитывать дав¬
ление солнечного излучения. Оно мало сказыва¬
ется лишь в случае низколетящих спутников. Ес¬
ли на высоте 200 км солнечное давление в 5000
раз меньше сопротивления атмосферы, то на вы¬
соте 800 км оно в 2 раза больше. Его можно не
учитывать лишь до высоты примерно 400 км.
Очень интересно изменяется с высотой темпера¬
тура атмосферы (рис. 34). В тропосфере она по¬
нижается до -50°С на уровне 15 км. В страто¬
сфере растет и на высоте около 50 км
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ II П Т И К А

Атмосфера земли
становится равной (ГС. Этот факт обусловлен по¬
глощением ультрафиолетового излучения Солнца
озонным слоем, простирающимся на высотах от
25 до 35 км.
В мезосфере температура снова падает вплоть
до границы с термосферой, занимающей интер¬
вал высот 85 — 500 км. Дальнейшее повышение
температуры заметным образом зависит от сол¬
нечной активности и в ее минимуме температура
гораздо ниже, чем в максимуме. Даже в ночное
время при активном Солнце температура оказы¬
вается выше, чем днем при нормальном состоя¬
нии Солнца.
В начинающейся на высоте 500 км экзосфере
температура мало изменяется с высотой, хотя
продолжает зависеть от солнечной активности,
подымаясь по мере ее роста с 200 - 300°С до
700 -1200°С, а в период магнитных бурь даже до
1700°С.
Если говорить о составе атмосферы, то до высоты
примерно 90 км она является однородной из-за
интенсивного перемешивания различных слоев.
Исчезновение однородности и расслоение компо¬
нент атмосферы по атомному и молекулярному ве¬
су обусловлено действием гравитационного поля:
более легкие атомы и молекулы вытесняются
вверх, а тяжелые концентрируются вблизи нижней
границы верхней атмосферы.
Уменьшение концентрации частиц определенной
массы пропорционально массе. Например, концен¬
трация аргона, атомный вес которого равен 40,
уменьшается с ростом высоты в 10 раз быстрее
концентрации гелия, атомный вес которого 4. Ко¬
нечно, нельзя забывать о диффузионном механиз¬
ме перемешивания компонент атмосферы. Его
действие не позволяет формироваться резкой гра¬
нице между легкими и тяжелыми компонентами —
имеет место взаимное проникновение отдельных
слоев.
При слабой солнечной активности на высоте 110 км
молекулярного кислорода значительно больше,
чем атомарного, составляющего более 90% на вы¬
соте 350 км. Несмотря на то, что гелия в атмосфе¬
ре Земли вообще очень мало, начиная с высоты
450 км он доминирует, а выше 700 км преобладает
водород.
Накоплен большой фактический материал, полу¬
ченный из спутниковых наблюдений, позволяю¬
щих прогнозировать атмосферные явления с раз¬
личной периодичностью. Все они зависят от плот¬
ности атмосферы, ее температуры и электриче¬
ского состояния. Эти параметры меняются с пе¬
риодичностью одни сутки, 27 дней и 11 лет, свя¬
занной с солнечной активностью. Открытие 27-
дневной периодичности произошло в 1958 г. Оно
повлекло за собой массу вопросов, в частности,
об участках солнечного спектра, поглощаемых ат¬
мосферой, о вкладе других источников энергии в
ее разогрев и пр.
Космические исследования атмосферы Земли про¬
должаются. Они привели к выводу о главной роли
ультрафиолетового излучения Солнца в большом
комплексе атмосферных явлений на больших вы¬
сотах, хотя количественного описания соответству¬
ющих процессов пока не удается сделать.
По-видимому, большинству людей известно, что
самый крепкий сон приходится на утренние часы
и предгрозовое время. Давно известно также, что
в последнем случае заметно падает атмосферное
давление, вследствие чего нарушается согласо¬
ванное соответствие артериального давления че¬
ловека атмосферному давлению. Поэтому повы¬
шенная сонливость в предгрозовой период и пе¬
ред длительным дождем стала понятной людям
вскоре после того, как они научились измерять
давление.
Предутренняя сонливость оставалась загадкой до
космических исследований атмосферы. И только
после установления суточной периодичности в из¬
менении плотности воздуха, минимум которой
приходится на 4 часа местного времени, эта загад¬
ка перестала существовать •
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ ОПТИКА

Атмосферная и космическая оптика
О чистоте атмосферы Земли
"Я был просто очарован красотой
Земли, у меня все время было чув¬
ство, будто никаких границ на Зем¬
ле нет, что она - единое целое и
нам нужно беречь ее и заботиться
о ней"
Индійский космонавт Р. Шарма
Еще В.И. Вернадский отмечал, что из-за своей
промышленной деятельности человек стал мощной
геологической силой, способной произвести фун¬
даментальные изменения на земном шаре, вклю¬
чая атмосферу. В результате этой деятельности
содержание газовых и аэрозольных примесей в ат¬
мосфере непрерывно увеличивается.
По данным 70-х годов, в атмосферу ежегодно вы¬
брасывалось более 50 миллионов тонн окислов азо¬
та. Они отрицательно действуют на органы дыха¬
тельных путей, приводят к некоторым хроническим
заболеваниям, могут вызвать головокружение и да¬
же потерю сознания. Поэтому во многих странах
мира были созданы специальные лаборатории и да¬
же институты, перед которыми ставилась задача не
только освободить атмосферу от вредных окислов,
но и использовать их для производства ценных для
народного хозяйства продуктов. Окислы азота -
не единственное зло, производимое промышленны¬
ми предприятиями. Кроме вредных газов, промыш¬
ленность снабжает атмосферу и твердыми частица¬
ми различного химического состава. Примешиваясь
к обычным компонентам атмосферы, они образуют
смог - бич современных городов. В Лондоне в
1952 г. от смога погибло около 4000 человек всего
за несколько недель. В 1956 г. - тысяча, а в 1962 —
750 человек. Но Лондон - не самый худший в этом
отношении город на Земле.
Не меньшим злом являются и окислы серы, обра¬
зующие во влажной атмосфере серную кислоту,
выпадающую с дождем на города и села, отравляя
землю и посевы. Кислотными дождями разруша¬
ются памятники архитектуры и искусства. Все это
будет продолжаться до тех пор, пока промышлен¬
ники не прекратят пользоваться атмосферой
Земли как мусоросборником, а правительства
стран будут положительно реагировать на критику
партии "Зеленых", отбросив ныне действующий
принцип "после нас хоть потоп".
Все, что происходит в атмосфере, не может не вы¬
зывать соответствующих изменений в водах рек и
озер и даже морей и океанов. Последние, как и ма¬
териковая часть планеты, дополнительно получают
твердые и жидкие "подарки", например, в виде от¬
работанного ядерного топлива или подлежащих
ликвидации химических отравляющих веществ.
Загрязнение атмосферы совместно с такими фак¬
торами, как вулканическая деятельность, измене¬
ние угла наклона земной оси, солнечная актив¬
ность способствуют постепенному повышению
температуры, что может привести к таянию ледни¬
ков и другим нежелательным явлениям.
В повышении температуры большую роль играет
увеличение концентрации углекислого газа в ре¬
зультате сгорания огромных масс различного топ¬
лива. На это уходит ежегодно 10 млрд тонн кисло¬
рода. Посмотришь на сплошные потоки автомоби¬
лей в несколько рядов и диву даешься, откуда он
берется, этот кислород. Число машин стремитель¬
но растет, чего не скажешь о площадях лесонасаж
дений. Более того, как сообщается в периодичес¬
кой печати в ряде регионов Земли, например, в
"легких планеты" - бассейне реки Амазонки -
продолжаются массовые вырубки леса.
Существует настоятельная необходимость в ис¬
пользовании созданных учеными эффективных
средств систематического контроля химического
состава атмосферы. Этого требует не только за¬
грязнение последней не свойственными ей хими¬
ческими соединениями. Изменяется со временем
стабилизированное тысячелетиями состояние ат¬
мосферы, к которому привыкло все живое. Ис¬
пользование космической и лазерной техники поз¬
воляет проводить систематический контроль на
всех уровнях при не очень высоких затратах.
Земля - наш дом и наша кормилица. Ее надо ува¬
жать, любить и беречь. Может бытъ, так, как это
издревле заведено у цыган. Э.Б.Тейлор в книге
ЗА8ИМАТЕІК1ДЯ ОПТИКА

Атмосфера земли
"Первобытная культура" пишет, что для кочующих
цыган небесный бог чаще вселяет страх, чем лю¬
бовь, так как своим громом и молнией, снегом и
дождем чинит препятствия их странствиям. Мать
всего доброго Земля - для цыгана источник пре¬
клонения и высшей святости. Уронив на Землю ка¬
кой-либо предмет, цыган навсегда теряет его.
Прикоснувшись к Земле, предмет становится на¬
Проблема озонных дыр
о атмосфере Земно
В научной периодике и средствах массовой ин¬
формации много пишут о таком важном компонен¬
те атмосферы, как озон. Он является надежным
защитником всего живого на Земле от губительно¬
го действия ультрафиолетового излучения Солнца.
Отмечается появление озонных дыр в атмосфере
Земли и предпринимаются шаги по устранению
причин этого явления.
Хотя максимум солнечного спектра приходится на
желто-зеленую область и с уменьшением длины
волны интенсивность солнечного излучения резко
падает, все же ультрафиолета оказывается более
чем достаточно для инициирования фотохимичес¬
ких реакций, вызывающих активный распад белко¬
вых молекул.
Хвост планковской кривой, простирающийся в
рентгеновскую область, характеризуется очень
низкой интенсивностью. Поэтому, несмотря на вы¬
сокую проникающую способность рентгеновских
лучей, никакого вреда земным обитателям они не
приносят. Совершенно иначе сложилась ситуация
с ультрафиолетом.
Специалисты-метеорологи считают, что наука об
атмосфере Земли находится лишь в начальной
стадии своего развития. И в настоящее время не¬
легко ответить на вопрос, что является главным в
образовании озонных дыр в атмосфере Земли и
какие следует предпринять меры для воспроизвод¬
ства и сохранения озона.
столько священным, что больше не может бытъ ис¬
пользован. Хотя мы таких цыган не встречали, мо¬
жет бытъ, они жили сотни лет назад, может быть,
уроненную вещь все же следует поднять и вос¬
пользоваться ею, но для каждого современного че¬
ловека и, тем более, человека будущего, Земля
действительно должна быть источником преклоне¬
ния и высшей святости •
Беда в том, что некоторые нежелательные приме¬
си могут существовать в атмосфере очень долго,
вплоть до 100 лет. Проникая в среднюю частъ
стратосферы (примерно 25 км), где концентрация
озона максимальна, эти примеси под действием
ультрафиолета распадаются на продукты диссоци¬
ации, вступающие в химические реакции с озоном,
уничтожая его молекулы.
К "озононенавистникам" относятся прежде всего
хлорфторуглероды, широко использующиеся в
промышленности и в быту в различных холодиль¬
ных установках, а потому производящиеся в ог¬
ромных количествах.
В ряде научно-исследовательских центров различ¬
ных стран мира, занимающихся озонной пробле¬
мой, ученые пришли к очень тревожному выводу:
если ситуация не изменится, то к середине
XXI века в средних широтах количество озона
уменьшится на 8%, а в районе полюсов на 10 —
15%. Трудно прогнозировать на десятки лет впе¬
ред, поэтому если без проволочек не принять ши¬
рокомасштабных мер, позволяющих четко контро¬
лировать ситуацию и тормозящих засорение атмо¬
сферы, она может лишиться защитного щита от гу¬
бительного ультрафиолета.
Оказывается, озона совсем немного в атмосфере
Земли. Если его весь сконденсировать в жидкость,
заполнив ею всю поверхность планеты, толщина
слоя не превысит 3 мм. Несмотря на это он почти
полностью поглощает ультрафиолетовое излучение
с длинами волн меньше 0,3 мкм. Для нашего зага¬
ра и других потребностей всего живого на Земле
остается более длинноволновый участок 0,3 —0,4
59
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ ІІТІ1Д

Атмосферная и космическая оптика
мкм. Спектр озона очень широк. Он поглощает да¬
же в ближней инфракрасной области до X = 1
мкм. Затем имеет два максимума в видимом уча¬
стке при длинах волн 6020 А и 5730 А и ряд ин¬
тенсивных максимумов на сплошном фоне в обыч¬
ном и вакуумном ультрафиолете, перекрываясь со
спектром поглощения воды (рис. 15).
Спектр воды в парообразном и конденсированном
состояниях начинается при длине волны 1850 А и
тянется в коротковолновую область, почти дости¬
гая участка мягких рентгеновских лучей (рис. 14).
Таким образом, вода также выполняет роль щита,
предотвращающего проникновение к Земле жест¬
ких ультрафиолетовых лучей. Она помогает озону
лишь при длинах волн меньше 1850 А. В более
длинноволновой области ультрафиолета единст¬
венным защитником Земли является озон.
Первые тревожные сообщения об исчезновении
озона над огромным участком Антарктиды, площа¬
дью примерно 3 млн км2, появились в 1985 г. Ме¬
теорологические спутники Земли периодически
подтверждают неблагополучную ситуацию в этом
районе. И откуда ей быть благополучной, если од¬
на молекула хлорсодержащего вещества способна
разрушить больше тысячи молекул озона!
Исследования озонного слоя над всеми регионами
земного шара ведутся непрерывно с широким при¬
влечением космической техники, оптических и хи¬
мических методов.
И все же остается много невыясненных вопросов.
Например, внезапное уменьшение концентрации
озона в некоторых местах в течение суток на 10%,
в частности в северных широтах, близко примыка¬
ющих к полюсу. Удивляет то, что это происходит у
полюсов, далеких от сосредоточения промышлен¬
ных предприятий.
Поверхность льда
и озонная дыра
Давно принято считать, что легкое скольжение по
поверхности льда происходит благодаря его плав¬
лению под влиянием давления скользящего тела.
Концепция об ответственности химических пред¬
приятий за разрушение озонного слоя не является
единственной. Сотрудник Московского универси¬
тета В.Л.Сывороткин полностью отвергает ее. По¬
чему озонная дыра образуется над Антарктидой,
тогда как 90% населения Земли сосредоточено в
Северном полушарии, спрашивает он.
В.Л.Сывороткин считает, что образование озонных
дыр вызвано, главным образом, выделениями са¬
мой планеты Земля. В ее жидком ядре находятся
огромные запасы водорода, который через гигант¬
ские разломы в литосфере (земная кора и верхний
слой мантии) выходит на поверхность. Процессы
газовыделения облегчаются при наличии регионов
активной вулканической деятельности, которых в
Антарктиде предостаточно. Это - один из самых
активных вулканов планеты Эребус, а также другие
вулканы материка и прибрежных островов. Выде¬
лившийся водород вступает в химическую реакцию
с весьма активной молекулой озона, в результате
которой образуются вода и кислород.
Очень важную роль в озоновой проблеме, считает
В.Л. Сывороткин, играет атмосферный метан, рас¬
падающийся под действием солнечного ультрафи¬
олета с выделением водорода.
Заканчивает В.Л. Сывороткин свою статью весьма
категоричным заявлением:"... разрушение озоно¬
вого слоя - это мощный природный процесс, за¬
кономерный итог дегазации планеты, и разработка
программы борьбы с этим явлением, как нам
представляется, обречена на провал".
Тем не менее, правительства ФРГ и США приняли
решение о прекращении производства фреонов,
начиная с 1995 г., а Объединение 23 общественных
организаций из различных штатов США объявило
конкурс на разработку экономичного холодильника
без фреона*
Возникший тонкий слой воды выполняет роль
смазки, сводящей трение практически к нулю.
Оказывается нет никакой необходимости привле¬
кать внешнее давление для получения на поверх¬
ности льда очень тонкой пленки воды, хотя отри¬
цать роль давления также нельзя, поскольку удель-
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ I 8 Т И X А

Атмосфера земли
ная плотность льда меньше плотности воды. Для
такого рода веществ переход из твердого в жидкое
состояние облегчается повышением давления Ина¬
че говоря, с ростом давления температура плавле¬
ния понижается.
Не так давно (1997 г.) в научной периодике появи¬
лись сообщения об экспериментах, предпринятых
учеными Берклеевской лаборатории под руковод¬
ством В. Хове и Г. Самороджей. В глубоком вакууме
на платиновую пластинку осаждались пары воды и
с помощью дифракции медленных электронов изу¬
чалась структура образовавшегося коеденсата. Он
не проявлял никаких структурных особенностей
льда и оставался квазижидким даже при темпера¬
туре -189°С. Установлено, что поверхностный слой
льда хоть и напоминает кристаллическую структу¬
ру, но его молекулы, лишенные соседей со сторо¬
ны вакуума, колеблются с очень высокой амплиту¬
дой, значительно превышающей амплитуду коле¬
баний молекул более глубоких слоев.
В связи с большой озоновой дырой над Антаркти¬
дой и выяснением причин образования ее, резуль¬
таты ученых Берклеевской лаборатории явились
стимулом проведения опытов по изучению свойств
леда шестого континента. Выяснилось, что его по¬
верхность, независимо от приложенного давления,
всегда покрыта тонкой пленкой воды, если темпе¬
ратура выше -43°С. Такой результат привел к ги¬
потезе о каталитическом действии пленки воды,
инициирующей длинную цепочку химических реак¬
ций, приводящих, в конечном счете, к исчезнове¬
нию озона над Антарктидой.
Конечно, это пока лишь гипотеза. Будем надеять¬
ся, что новые исследования антарктического льда
снимут обвинения в адрес одного из наиболее
распространенных и жизненно важных минералов
Земли. А то что же выходит: с одной стороны, вода
помогает озону в нейтрализации ультрафиолета, а
с другой - способствует уничтожению собрата по
борьбе с негативным для всего живого явлением •
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ ѴІТИІА
61

Атмосферная и космическая оптика
Рассеяние света
Молекулярное рассеяное
то только не произносил слов: "синее небо",
"небесная синева", "голубые глаза как небеса".
Есть ли поэт или писатель на всех пяти хорошо
обжитых континентах, который бы ушел от соблаз¬
на хотя бы раз упомянуть об этом, не отдать долж¬
ное одному из нежнейших цветов природы - голу¬
бому или его собрату синему. Разве не букетик из
васильков обнаружили археологи на груди Тутанха-
мона, раскрыв его гробницу через 3,5 тысячи лет?
Разве не писал А.Н.Толстой: "Колокольчики мои,
цветики степные, что глядите на меня, темноголу¬
бые". А слова украинской песни "Ой вы, очи во-
лошкови". Этот перечень можно продолжать бес¬
конечно.
Испокон веков люди вццят чистое небо голубым,
поражаясь глубине этого цвета, его насыщенности
и в то же время некоторой холодности. Первым
человеком, предсказавшим носителя этой голубиз¬
ны; был выдающийся художник, ученый и мысли¬
тель средневековья Леонардо да Винчи. В книге
"О живописи" он писал "Синева неба происходит
благодаря толще освещенных частиц воздуха, ко¬
торая расположена между Землей и находящейся
наверху чернотой". Он даже предсказал "черноту"
космического пространства, которую могут наблю¬
дать только космонавты.
Действительно, голубой цвет неба обусловлен
флуктуациями плотности атмосферных газов. Но
нескоро к такому выводу пришли ученые. Гениаль¬
ный Ньютон предполагал, что это явление связано
с интерференцией света в тонких пленках, пред¬
полагая, что капли воды напоминают мыльные пу¬
зыри. Мариотт, Бугер и Эйлер голубой цвет неба
объясняли цветом компонент воздуха. Некоторые
Рис. 35
Индикатрисы рассеяния:
а — при молекулярном рассеянии;
б — частицами диаметром А,;
в — частицами диаметром ѴЗ;
г — частицами диаметром ЗХ;
д — частицами диаметром 40Д,;
е,ж— с дополнительными
дифракционными максимумами.
Заштрихованная часть выделяет
долю поляризованного излучения
62
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ ОПТИКА

Рассеяние света
основания для этого появились в следующем XIX
столетии, когда был получен жидкий воздух, а за¬
тем и жидкий кислород, оказавшийся голубого
цвета.
Не упоминая всех исследователей, внесших опре¬
деленный вклад в объяснение голубого цвета не¬
бесного свода, выделим среди них создателя пер¬
вой теории явления Джона Уильяма Стретта, лорда
Рэлея IV, которого иногда называют Рэлеем Рассе¬
ивающим в отличие от Рэлея Атмосферного, его
сына, занимавшегося физикой атмосферы, види¬
мо, не без влияния отца.
Впервые Рэлей опубликовал свою теорию в 1871 г.,
а в окончательном веде - после того как была со¬
здана Максвеллом электромагнитная теория излу¬
чения.
Основной вывод теории сводится к тому, что ин¬
тенсивность рассеянного света изменяется обрат¬
но пропорционально четвертой степени длины
волны света, падающего на совокупность рассеи¬
вающих молекул. Это очень сильная зависимость.
Для примера можно рассмотреть, как сильно под¬
вержены рассеянию в атмосфере наиболее ко¬
роткие волны видимого спектра (Х= 0,4 мкм) и
наиболее длинные (Х= 0,75 мкм).
Расчеты, подтвержденные экспериментами, пока¬
зывают, что наиболее коротковолновая часть види¬
Аэрозольное рассеяние
В связи с научно-техническим прогрессом очень
трудно найти на Земле участок воды или суши, над
которыми атмосфера состояла бы из своих традици¬
онных элементов — кислорода, азота, углекислого га¬
за, водорода и инертных газов. Над земной поверх¬
ностью имеется обилие твердых частиц, попавших
туда благодаря повседневной деятельности человека
и в результате таких природных явлений, как бури,
смерчи, действия вулканов, землетрясения и обыч¬
ные ветры, подчас подымающие такие плотные пы¬
левые завесы, что даже Солнца не видно. Все эти ча¬
стицы —отличные рассеиватели солнечного излучения.
мого света рассеивается в 10,5 раз сильнее наи¬
более длинноволновой.
Несмотря на то что в своей теории Рэлей опериро¬
вал с отдельными молекулами, которые под воз¬
действием солнечного излучения превращались в
"мягкие" диполи и затем излучали свет определен¬
ной длины волны, она не полностью отражала си¬
туацию. Безусловно, молекулы атмосферы были
главными действующими лицами в процессе
рассеяния, однако рассеивающим фактором были
случайные сгущения и разрежения атмосферы, вы¬
званные конвенционными потоками. Поскольку
размеры таких флуктуаций плотности обычно
близки к длинам волн голубой части видимого све¬
та, он-то и преобладает в рассеянном излучении.
Теорию рассеяния с учетом флуктуации плотности
создали М. Смолуховский и А. Эйнштейн.
Теперь должно быть понятно читателю, почему за¬
ходящее Солнце приобретает красный цвет. С
приближением к линии горизонта его лучи прохо¬
дят все большую и большую толщу атмосферы, от¬
сеивая постепенно коротковолновое излучение и
оставляя длинноволновое.
Как показывают подтвержденные экспериментом
расчеты, интенсивность молекулярного рассеяния
в прямом и обратном направлениях одинакова,
причем в два раза больше, чем в перпендикуляр¬
ном направлении (рис. 35а) •
Разумеется, не только солнечного. К ним следует до¬
бавить также капельки воды и кристаллики льда.
В отличие от молекулярного рассеяния света, вы¬
званного флуктуациями плотности атмосферы,
рассеяние частицами называют аэрозольным.
Состав аэрозолей очень сложен и переменчив. Их
делят в соответствии с размерами на две фрак¬
ции. Первая фракция, которую иногда называют
грубодисперсной, включает частицы размерами от
0,5 до 10 мкм при концентрации 0,01 - 2 см-3.
Это химически инертные частицы, на которых про¬
исходит конденсация паров воды, приводящая к
образованию облаков и туманов.
ЗДІИМАТЕВЬІДЯ ОПТИКА

Атмосферная п космическая оптика
Вторая микродисперсная фракция объединяет ча¬
стицы, в основном формирующиеся в самой ат¬
мосфере в результате протекания химических ре¬
акций. Это частицы сернокислородных и азотово¬
дородных соединений, продукты сгорания раз¬
личных топлив, эфирные масла, выделяемые не¬
которыми растениями. Размеры частиц микроди¬
сперсной фракции 0,005-0,05мкм. Они коагули¬
руют в более крупные частицы, примерно в де¬
сять раз больше первоначальных, образуя суб¬
микронную фракцию. Именно эта аэрозольная
фракция определяет многие оптические свойства
атмосферы на всех ее высотах.
К аэрозольному рассеянию условно принято отно¬
сить рассеяние на частицах, размер которых пре¬
вышает 1/10 длины волны. Часто его называют
рассеянием Ми, создавшим в 1908 году его пер¬
вую теорию. Г. Ми считал частицы сферическими
и приписывал им определенные значения оптичес¬
ких постоянных - показателя преломления и ко¬
эффициента поглощения. Однако сферическая
форма аэрозольных частиц - явление редкое. Это
могут быть капли воды в тумане и некоторые дру¬
гие частицы сферической формы. Поэтому теория
Ми не всегда подтверждается при количественном
Рассеяние света дымом
И дым отечества мне сладок
и приятен.
А. Грибоедов
Для нас у ріднім краю навіть дим
солодкий та коханий.
Леся Украинка
Природа создала человека и в угоду ему прекрас¬
ное голубое небо. Мы уже рассмотрели его причи¬
ну, тем не менее к этому вопросу приходится об¬
ращаться многократно. Ну хотя бы по причине го¬
лубизны или синевы воздуха, вызванных плодами
человеческой деятельности. Может быть, та же
природа позаботилась обратить наше внимание на
явления, происходящие от человеческой деятель¬
ности, например, на обыкновенный дым.
описании рассеяния на аэрозолях. В дальнейшем
теорию Ми совершенствовали многие ученые: Ван
дер Хюлст, В.В. Шулейкин, К.С. Шифрин, Г.В. Ро¬
зенберг и др.
Аэрозольное рассеяние, как и молекулярное, про¬
исходит во всех направлениях, однако очень не¬
равномерно. Его иедикатриса, определяющая уг¬
ловое распределение интенсивности в пространст¬
ве, зависит от формы и размеров частиц (рис.
35б-ж). Чем меньше диаметр частиц, тем большая
доля рассеянного света направлена навстречу па¬
дающему излучению. Если размеры частиц значи¬
тельно превышают длину волны, в обратном на¬
правлении рассеяния практически не происходит
(рис. 35д-ж).
Образование аэрозольных частиц с идеальной
сферической поверхностью, в сущности, редкое
явление, поэтому иедикатрисы для частиц непра¬
вильной формы могут существенно отличаться от
приведенных на рис. 35. Прежде всего они могут
иметь ред хорошо развитых дифракционных мак¬
симумов. Что касается осевой симметрии (осью
симметрии является падающий луч), то она долж¬
на сохраниться благодаря хаотическому распреде¬
лению частиц в атмосфере •
Дж.Тиндаль, много времени посвятивший рассея¬
нию света твердыми частицами, связывал синий
цвет дыма с интенсивным рассеянием света. Он
знал также, что его частицы интенсивно поглоща¬
ют белый свет, сохраняя в проходящих лучах крас¬
но-желтый оттенок. Вот его слова: "В прошлые го¬
ды я часто видел нечто подобное в Килларии (Ир¬
ландия), где в безветренные дни столбы дыма
поднимаются над крышами домов. Нижняя часть
столба видна на темном фоне сосен, а верхушка —
на светлом фоне облаков. Нижняя часть была си¬
ней, потому что она была видна в рассеянном све¬
те, верхушка была красноватой, так как она была
видна в проходящем свете".
Преобладание синего цвета характерно при сжига¬
нии осенью сухой травы, стерни, опавших с дере¬
вьев сухих листьев. А кто не ведал синего дыма от
3 А Н И М А Т Е П Ь Н А Я ОПТИКА

Рассеяние света
сигарет, дымящихся в пепельнице. Но как только
он задерживается во рту и его частицы успевают
покрыться оболочкой воды, выдыхается уже белый
дым, рассеивающая способность которого слабо
зависит от длины волны падающего света. Все эти
рассуждения справедливы для не очень плотного
дыма. С увеличением плотности ситуация меняет¬
ся. Пламя крупного костра по краям отсвечивает
синим, а в центральной части дым серовато-белый.
Между тем, цвет дымов в некоторой степени зави¬
сит и от наличия химических элементов в пламени,
которые вносят и свою лепту в окраску дыма.
Каждый год из средств массовой информации
мы получаем сообщения о происходящих лесных
Поляризация рассеянного света
Рассеянное излучение любого естественного или
искусственного источника характеризуется такими
параметрами, как интенсивность, спектральный
состав, поляризация и угловое распределение.
Выше упоминалось, что интенсивность рассеянно¬
го света зависит от длины волны, будучи обратно
пропорциональной ее четвертой степени. Отсюда
следует, что слабее всего рассеиваются инфра¬
красные лучи. Этим обстоятельством пользуются
при фотографировании местности, особенно уда¬
ленных объектов. На рис. 36 приведены фотогра¬
фии одного и того же участка местности при нали¬
чии дымки в видимых и инфракрасных лучах. Чет¬
кость изображения удаленных деталей намного
лучше во втором случае.
Инфракрасная техника незаменима при аэрофото¬
съемках местности, экранированной дымкой, и
при неблагоприятных погодных условиях.
Независимо от размеров аэрозольных частиц ин¬
тенсивность рассеянного света пропорциональна
их концентрации. Такая же зависимость характерна
и для рэлеевского рассеяния.
Спектральный состав рассеянного света очень
сильно отличается от спектрального состава рас-
пожарах на всех континентах Земного шара. Од¬
на лишь Антарктида не упоминается, так как го¬
реть там нечему. Уничтожаются тысячи квадрат¬
ных километров лесов и продукты их сгорания
участвуют в формировании облачного покрова
Земли, влияют на цвет небесного свода и приво¬
дят к возникновению многочисленных оптических
эффектов как в верхних слоях атмосферы, так и
непосредственно у поверхности Земли. Все эти
явления, может быть, и не очень сказываются на
здоровье человека, однако лишают наших меньших
братьев нормальной среды обитания, что
отражается и на благосостоянии братьев старших*
свиваемого только для очень малых частиц. Для
крупных частиц он остается практически неизмен¬
ным. Говорят, имеет место нейтральное рассея¬
ние. Оно характерно для облаков и тумана.
Поляризация рассеянного атмосферой Земли из¬
лучения никогда не бывает полной. Даже в том
случае, когда через рассеивающую среду проходит
полностью поляризованный свет.
В соответствии с теорией Рэлея степень поляриза¬
ции, определяемая отношением интенсивности
полностью поляризованного излучения к общей
интенсивности рассеянного в данном объеме (или
на определенной длине рассеивающей среды) из¬
лучения, выражается формулой
Р = (1 — cos ср)100% .
где ср - угол между направлением рассеянных и
падающих лучей. При совпадении обоих направле¬
ний Р= 0, т.е. рассеянный свет полностью депо¬
ляризован.
На рис. 35 долю поляризованного рассеянного
излучения выделяют заштрихованные области
индикатрис. Степень поляризации луча, рассеян¬
ного под углом ср, определяется отношением
длины отрезка, заключенного между кривыми, к
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ ОПТИКА
65

Атмосферная и космическая оптика
Э
Рис. 35
Фотография одного и того же
участка местности в видимых
(а) и инфракрасных (б) лучах
длине отрезка, соответствующего полной интен¬
сивности:
AB
Pcp=	100%.
OB
При молекулярном рассеянии в перпендикулярном
направлении интенсивность рассеянного света
равна половине интенсивности света, рассеянного
вперед. Что же касается степени поляризации, то
она оказывается полной. Для небольших аэрозоль¬
ных частиц (рис. 35 б-г) в поперечном направле¬
нии рассеянный свет также оказывается полностью
поляризованным.
Рассеянный свет небесного свода по всем его па¬
раметрам изучался многократно. Такой параметр
как поляризация также не оставался в тени. Теория
Рэлея предсказывала две точки с нулевой степе¬
нью поляризации, а их оказалось четыре. По одной
из них обнаружили Араго, Бабине, Брюстер
и одну значительно позже обнаружили с больших
высот. Их положение не остается постоянным, а
зависит от степени помутнения атмосферы, отра-
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ ОПТИКА

Рассеяние света
жения земной поверхности, высоты Солнца над го¬
ризонтом, длины световой волны.
Максимальная степень поляризации наблюдается
в зените при заходе или восходе Солнца.
Систематические измерения Р на территории быв¬
шего СССР дали такие максимальные ее значения:
под Санкт-Петербургом 82%, на горе Ай-Петри
84,7%, в Свердловске 83,7%.
Причины неполной степени поляризации заклю¬
чаются в наложении на молекулярное рассеяние
аэрозольного и наличии вторичного рассеяния
(перерассеяние уже рассеянных лучей). Первая
подтверждается резким снижением Р при извер¬
жениях вулканов, выбрасывающих в атмосферу
Голубое Солкце
Восходящее и заходящее Солнце всегда красное.
К такому цвету каждый привык с детских лет. На¬
блюдать же наше светило голубым или зеленым
приходилось далеко не каждому. Эти редкие слу¬
чаи возможны при определенных состояниях атмо¬
сферы, когда она перенасыщена аэрозольными ча¬
стицами с определенными оптическими характери¬
стиками и размерами. Есть три фактора, порожда¬
ющие крупномасштабные облака аэрозолей. Это —
протяженные песчаные бури, действующие вулка¬
ны и огромные лесные пожары. Поглощение и рас¬
сеяние солнечного излучения на них отфильтровы¬
вает световые волны всех частот водимого спект¬
ра, кроме некоторого узкого участка, например, из
зеленой или голубой части спектра.
огромные массы вулканических газов и пыли, т.е.
щедро пополняющих аэрозольный банк атмосфе¬
ры. При взрывных извержениях Кракатау
(1883г.), Кателая (1912 г.) и Агунга (1963г.) на¬
блюдения в любых точках земного шара показали
степень поляризации, не превышающую 50%.
Эта ситуация продолжалась, между прочим, в те¬
чение одного-двух лет после извержений. При¬
чем не только вблизи самих вулканов, айв ос¬
тальных частях света.
Не следует забывать, что в верхних слоях атмосфе¬
ры существуют течения с очень болышми скоростя¬
ми (сотни км/час). Они способны за короткое время
все, что оказалось в их потоке, разнести в течение
одних - двух суток по всему земному шару •
Голубое Солнце видели по утрам 26 —28 сен¬
тября 1951 г. жители Западной Европы, когда
высотные атмосферные потоки, преодолев Ат¬
лантический океан, выбросили в ее атмосферу
тысячи тонн частиц дыма от горящих лесов Ка¬
нады.
Если мы говорим "по утрам", это не означает,
что Солнце находилось непосредственно у ли¬
нии горизонта, когда оно имеет красный отте¬
нок. К рассеянию голубых лучей на флуктуаци¬
ях плотности основных газовых компонентов
атмосферы добавлялось рассеяние таких же
лучей на частицах дыма. В результате интен¬
сивность голубых лучей оказалась выше интен¬
сивности красных, и люди могли видеть Солн¬
це голубым •
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ VITNHA
67

Атмосферная и космическая оптика
Радуги
Историческое ееедеоие
Сколько радости и впечатлений она приносит и
малому и старому. Никто не остается равно¬
душным при ее появлении. А какой чистейшей
воды гамма цветов! Будто невидимый художник
провел гигантской кистью по небесному своду.
Один взмах руки и возникла красная дуга, второй
взмах - и к ней примкнула оранжевая, а далее
желтая, зеленая, голубая, синяя и фиолетовая -
все основные цвета видимого спектра. Недаром,
когда хотят отметить набор тканей различной ок¬
раски или переливание цветов драгоценных кам¬
ней, говорят: "Все цвета радуги".
На протяжении тысячелетий многоцветная радуга,
приходящая с дождем и сопровождающая водопа¬
ды, была захватывающим и в то же время загадоч¬
ным явлением. Как сообщает Фрайзер, древние
жители острова Ниас "трепетали при виде радуги,
так как они думали, что это раскинута мощным ду¬
хом сеть для поимки их теней".
Ни один народ не обошел своим вниманием радугу.
По библейскому преданию древние евреи считали
радугу предвестником конца всемирного потопа.
В русских летописях радуга именуется "райской
дугой", т.е. сокращенно "райдугой". В последствии
буква "и" была утеряна и мы пришли к современ¬
ному названию явления, хотя в украинском языке
бытует и по сей день старорусское название.
Правда, кроме него украинцы чаще пользуются так
же словом "вэсэлка", от глагола "веселить". Ведь
увидев радугу, в самом деле становится как-то ве¬
селее, радостнее.
В древней Греции радугу олицетворяла богиня
"Ирида", имя которой, собственно, и означало
"Радуга”.
В Илиаде перед смертью Патрокла, друга Ахил¬
ла, Зевс посылает Афину, чтобы возобновить
ссору между греками и троянцами, а под обла¬
ками вешает радугу - символ провозглашения
войны.
Пожалуй, больше всего радуге приписываются
змеиные повадки. В легендах кельтов она имеет
змеиную голову и горящие глаза. Спускаясь на
Землю, осушает целые озера, чтобы утолить свою
безграничную жажду. У некоторых племен Африки
у радуги также обнаруживается змеиное начало:
оба конца ее находятся во ртах двух змей, создаю¬
щих дождь. Потом они прячутся в пруду.
В Бирме радугу считают пожирательницей людей.
Даже в тех случаях, когда не было дождя и на небе
не появлялась радуга, а с человеком приключалась
какая-либо беда, все сваливали на радугу. Дес¬
кать, она сожрала дух, т.е. в нашем понимании ду¬
шу человека. Только наевшись человечины, радуга
спускается на Землю и пьет из озер воду. Вот тог¬
да мы ее и видим.
Первые попытки объяснить причину возникновения
радуги предприняли древнегреческие ученые Ари¬
стотель и Сенека, но они оказались неудачными.
В истории радуги были и трагические моменты.
Так, в 1611 году радугой серьезно занялся архи¬
епископ Антоний Доминис. Его теория противоре¬
чила канонам библии, поэтому он был отлучен ин¬
квизицией от церкви и осужден. Доминис избежал
костра, так как умер в тюрьме до исполнения при¬
говора. Костру было предано уже бездыханное те¬
ло, а вместе с ним и рукописи, содержание кото¬
рых осталось неизвестным.
В XIII веке Гроссегест Оксфордский и Витело Си¬
лезский высказали совершенно правильные догад¬
ки, что возникновение радуги связано с преломле¬
ниями и отражениями солнечных лучей в каплях
дождя. Вслед за ними Теодорик из Орренбурга
объяснил появление главной и вторичной радуги
различными сочетаниями преломленных и отра¬
женных лучей. Затем последовали работы Декарта,
Эдмунда Галлея, Ньютона, Томаса Юнга, наконец,
королевского астронома Джорджа Эри, объяснив¬
шего в 1838 году все детали явления.
Декарт дал теорию радуги в 1637 г., т.е. до разло¬
жения Ньютоном солнечного излучения в спектр.
3 А К И М А Т Е Н Ь П А Я ОПТИКА

Радуги
Он сделал правильные геометрические построения
хода лучей в капле воды, но не разложил их по
длинам волн, поэтому радуга Декарта оказалась
бесцветной. После опытов Ньютона в 1666 г. (по
некоторым данным в 1658 г. аналогичные опыты
были предприняты чешским ученым Яном Марци)
стало понятным происхождение цветов. По выра¬
жению А. Фразера "Декарт повесил радугу в нуж¬
ном месте на небесном своде, а Ньютон расцветил
ее всеми красками спектра".
В настоящее время цветами радуги пользуются фи¬
зики, занимающиеся исследованием элементарных
частиц и их составных частей - кварков. Чтобы опи¬
сать их поведение и свойства, кроме таких пара¬
метров, как электрический заряд, масса, спин, при¬
шлось ввести такие характеристики, как цвет и за¬
пах. Кварки могут быть зелеными, синими и крас¬
ными и, кроме того, обладать определенным запа¬
хом, ароматом. Каждый аромат может быть зеле¬
ным, красным или синим, т.е. в трех различных
цветовых состояниях, в то время как масса, элект¬
рический заряд, спин и все квантовые числа, харак-
Главная радуга
Как же образуется радуга?
Два фактора приводят к ее появлению: наличие
источника белого света и капель воды. В естест¬
венных условиях таким источником является Солн¬
це, а капли воды в изобилии появляются во время
дождя. Поэтому при открытом Солнце радуга об¬
разуется во время и непосредственно после окон¬
чания дождя, когда в атмосфере еще остаются
поддерживаемые восходящими воздушными пото¬
ками мелкие капли воды.
Каждая капля выполняет роль прозрачной трех¬
гранной призмы, разлагающей белый свет во все
цвета видимой части оптического спектра. Но если
призма создает спектр лучами, дважды претерпе¬
вающими преломление на ее гранях, то в капле
воды кроме двух преломлений лучи, образующие
главную радугу, испытывают еще одно внутреннее
отражение (рис. 37). Как видно из рисунка, в точке
теризующие состояние кварка, остаются для всех
цветов одинаковыми. Конечно, все это весьма ус¬
ловно. Вадиме, ученым не от хорошей жизни при¬
шлось вводить дополнительные характеристики
кварков в виде цветов и запахов, не свойственные
таким элементарным частицам, как протон, ней¬
трон, ц-мезон, электрон и т.д. А заварил эту «аро¬
матно-цветовую кашу» вццающийся украинский
ученый Н.Н. Боголюбов со своими сотрудниками и
одновременно с ними, как сообщается в научной
литературе, И. Наибу, М.И. Хан. Правда,
поразительно, как это в одно и то же время на раз¬
личных континентах земного шара в различных на¬
учных учреждениях люди придумали для кварков
одни и те же характеристики в дополнение к давно
используемым в физике элементарных частиц.
Читатель заметил, что использование трех из семи
цветов радуги несколько обедняет практическую
значимость ее. Но можно надеяться, что в буду¬
щем найдется применение и оставшимся четырем
цветам •
вхождения белого солнечного луча А, из-за разли¬
чия в показателях преломления различных длин
волн, наименьший угол преломления будет для
красного луча и наибольший — для фиолетового.
Известно, что в области прозрачности любого ве¬
щества показатель преломления монотонно убыва¬
ет от более коротких к более длинным волнам. Из-
за низкого показателя преломления воды (среднее
значение для вадимой области 1,33) небольшая
часть света (примерно 2%) теряется на первой гра¬
нице с воздухом, т.е. в точке А. Из оставшихся 98%
на следующей границе раздела большая часть ухо¬
дит из капли, и снова лишь около 2% испытывает
внутреннее отражение. Уже в точке А белый пучок
расщепляется в веер разноцветных лучей, самый
верхний из которых - красный, самый нижний -
фиолетовый. За красным располагаются невади-
мые глазом инфракрасные лучи, ниже фиолетового
-ультрафиолетовые, также не воспринимаемые
глазом человека. Здесь и ниже чаще всего мы не
будем интересоваться тем, что происходит за
ЗАІИМАТЕІЬІДЯ ОПТИКА

Атмосферная и космическая оптика
Рис. 37
Ход лучей в капле воды: 1 — падающий на каплю белый луч; 2, 2' — возникшие из него край¬
ние лучи видимого спектра, красный и фиолетовый; 3, 3' — вышедшие из капли после двух¬
кратного преломления лучи, образующие корону; 4, 4' — лучи, претерпевшие отражение
внутри капли. Часть их интенсивности уйдет на образование радуги, другая часть после
отражения в точках L и М в виде лучей 5, 5' и еще одного отражения внутри капли образует
вторую радугу
пределами видимой области спектра, хотя полно¬
стью уйти от невидимых лучей врад ли удастся.
Двухпроцентные потери, или наоборот, приобрете¬
ния, если нас интересуют отраженные световые
лучи, зависят от угла падения на поверхность кап¬
ли. Расчеты по формуле Френеля показывают, что
для воды в пределах углов падения от 0 до 53° ин¬
тенсивность отраженного пучка света с достаточ¬
ной степенью точности не зависит от угла падения.
При больших углах она быстро возрастает и для
скользящих лучей, образующих близкие к 90° углы
между лучом и касательной плоскостью в точке па¬
дения на каплю, стремится к 100%. В образовании
радуги такие лучи не принимают участия.
Вышедшие на отрезке ВС лучи образуют радугу,
которая называется короной. Наблюдать ее очень
трудно из-за интенсивной солнечной подсветки.
Наблюдается же радуга, образованная лучами, вы¬
ходящими из точек дуги Ш кругового сечения кап¬
ли. Точке /.соответствует красный луч, точке М —
фиолетовый. Промехсуточные точки — остальным
цветам и их оттенкам. Все они рождены падающим
белым лучом 1.
Расчет хода лучей различного цвета приводит к
следующему результату. Наименьшее отклонение
от первоначального направления после выхода из
капли претерпевает красный луч. Его продолжение
с продолжением падающего белого луча составля¬
ет угол 137°30'. Все остальные красные лучи, воз¬
никшие от множества других белых лучей, падаю¬
щих на ту же самую каплю, будут испытывать
большие отклонения. Они характеризуются также
меньшей интенсивностью. Наибольшую интенсив¬
ность имеет минимально отклоненный луч, полу¬
чивший название луча радуги. Именно он и близко
70
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ RITI1A

Радуги
расположенные к нему вносят максимальную лепту
в образование радуги. Учитывая достаточно боль¬
шое расстояние между радугой и наблюдателем,
от одной и той же капли в его глаз не могут по¬
пасть лучи разных цветов, рожденные из одного
и того же белого луча. Если в данный миг глаз
воспринимает, например, зеленый луч, то ос¬
тальные пройдут мимо его зрачка. Луч иного цве¬
та мы видим от другой капли. То же самое имеет
место для лучей прочих цветов, все они происхо¬
дят от различных капель. Таким образом,
цветные полосы радуги в одном и том же поряд¬
ке, т.е. от красного (сверху) до фиолетового
(снизу) создаются каплями, находящимися на
различной высоте.
Как следует из рис. 37, красный луч, выходящий
из точки L капли, наклонен к горизонту под боль¬
шим углом, чем выходящий из точки М фиолето¬
вый. Поэтому в глаз попадут красные лучи, поки¬
дающие капли, находящиеся в данный момент
времени выше капель, рождающ фиолетовые лучи.
Разность в высотах двух рассматриваемых капель
определяется разностью углов, под которым видны
внешние края красной и фиолетовой дуг радуги.
Поскольку минимальное отклонение красного луча
составляет угол 137°30', а фиолетового 139°20', то
с линией горизонта они составляют углы 42°30' и
40°30' соответственно, т.е. разность угловых высот
крайних лучей радуги 1°50'. К этому значению не¬
обходимо прибавить дополнительное размытие,
вызванное угловыми размерами солнечного диска,
т.е. 32'. В итоге получим 2°22'.
Где бы не застиг нас дождь - на море или в сте¬
пи, в горах или на лесной просеке, везде жестко
соблюдаются условия наблюдения радуги. Каждая
точка ее внешней линии красной полосы видна под
углом 42°20' к линии горизонта, а коль скоро
Солнце, наблюдатель и центр радуги находятся на
одной прямой (рис. 38), половину замкнутого круга
ее мы можем видеть лишь при заходящем и восхо¬
дящем Солнце. Для этого, естественно, необходи¬
мо находиться во время дождя в открытом море
или степи раздольной.
К сожалению, эта радуга будет не цветной и не бе¬
лой, как у Декарта, а красной. Ведь при заходе и
восходе солнечные лучи проходят очень длинный
путь в земной атмосфере, вследствие чего корот-
Рис. 38
Главная и вторичная радуги.
Их центры, наблюдатель и
Солнце находятся
на одной прямой
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ ОПТИКА
71

Атмосферная и космическая оптика
коволновая и средняя части спектра рассеиваются,
не достигая дождевого облака.
Полный радужный круг наблюдают во время грозы
в горах и из окон самолета при условии, что пря¬
мая, соединяющая центр солнечного диска и глаз
наблюдателя, параллельна линии горизонта, а рас¬
стояние Солнца от касательной к Земле плоскости
горизонта не меньше радиуса радуги. Находясь на
земле, мы видим, как правило, меньше половины
радужного кольца. На рис. 39 воспроизведена фо¬
тография частей двух радуг, когда их центры едва
ушли за горизонт. Это следует из того, что нижние
концы их отрезков почти перпендикулярны к линии
горизонта.
Нет человека, который бы не встречался с этим чу¬
десным явлением природы, не замечал, как посте¬
пенно радуга гаснет после прекращения дождя,
как переливаются ее цвета, исчезают одни и появ¬
ляются другие, как она дрожит. А знаете вы, поче¬
му это происходит? Оказывается, существенную
роль играют деформации капель.
В свое время Рэлей отмечал наличие собственных
колебаний у дождевых капель, свободно падающих
на Землю. Частота этих колебаний и форма зави¬
сят от размера капли. Возникают они по различ¬
ным причинам, например, при порыве ветра или
ударе грома.
Деформируемая собственными колебаниями фор¬
ма капли, деформирует и падающую на нее свето¬
вую волну, модулирует ее интенсивность, цвето¬
вые оттенки, угловое положение, что и наблюдает¬
ся как дрожание радуги.
Хотя иногда мы и пользуемся словосочетанием
"все цвета радуги", но при внимательном рассмот¬
рении ее никогда одновременно не видим всех се¬
ми основных цветов - красного, оранжевого, жел¬
того, зеленого, голубого, синего и фиолетового.
Это обстоятельство связано с несколькими причи¬
нами. Во-первых, существенное значение имеет
размер дождевых капель. Детальная классифика¬
ция радуги по этому параметру приведена в книге
С.В.Зверевой. Приведем ее результаты, отправля¬
ясь от мелких капель к крупным.
Радиус капель 0,025 мм и меньше. Радуга пред¬
ставляет собой белую дугу, почти в два раза пре¬
вышающую по ширине обычную радугу; внутри ее
могут появляться дополнительные цветные дуги.
Радиус капель 0,03 мм. Ширина радуги меньше,
чем в предыдущем случае, но все же больше, чем
ширина обычной. Она слабо окрашена, с желтова¬
тым краем и с наложением отдельных белых полос.
Радиус капель 0,04 - 0,05 мм. Радуга претерпева¬
ет дальнейшее сужение, цвет края бледно-желтый,
наиболее яркий цвет - фиолетовый. Вторая дуга
отделена от первой широким промежутком, имеет
белесовато-зеленоватый и белесовато-фиолетовый
цвета.
Радиус капель 0,10 - 0,15 мм. Край радуги оран¬
жевый, присутствуют также остальные цвета, кро¬
ме красного. Дополнительные дуги приобретают
желтую окраску.
Радиус капель 0,25 мм. Появляется красная окрас¬
ка края, остальные цвета выражены достаточно
четко. Несколько дополнительных дуг окрашены
преимущественно в фиолетово-розовые тона. Все
дуги слабо разделены в пространстве.
Радиус капель 0,5-1 мм. Хорошо развит яркий тем¬
но-красный край, за которым следует светло-крас¬
ный и все остальные главные цвета. Наиболее яркие
среди них фиолетовый и зеленый. Много допол¬
нительных дуг (до пяти!) с чередованием фиолето¬
во-розовых и зеленых тонов. Дополнительные раду¬
ги примыкают друг к другу и к основной радуге.
Итак, подводя итоги, можно констатировать, что с
увеличением размеров капли радуга становится
уже, ее цвета более насыщены, кроме основной по¬
являются также хорошо окрашенные дополнитель¬
ные радуги, плотно примыкающие к основной.
Второй причиной, приводящей к переливанию цве¬
тов и уменьшению числа цветных полос, является
сам источник излучения, т.е. Солнце. Угловой раз¬
мер его диаметра довольно большой и составляет
32'. Таким образом, это не точечный источник и
лучи, проникающие в каплю от различных точек
солнечного диска, входят в одну и ту же точку кап-
72
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ ОПТИКА

Радуги
ли под различными углами. Следовательно, каж¬
дый из них дает на выходе из нее свой спектр под
несколько отличными углами отклонения от любо¬
го избранного направления. В результате происхо¬
дит наложение различных цветов друг на друга и
ослабление их насыщенности.
Выше мы неоднократно пользовались понятием
"диаметр" капли. Однако, при падении в атмосфе¬
ре Земли из-за сопротивления воздуха капли теря¬
ют сферическую форму. Идеальную сферическую
форму можно получить только в кабине космичес¬
кого корабля, разбрызгав в ней какую-нибудь жид¬
кость. Благодаря невесомости, капли приобретают
форму совершенных шариков, свободно парящих в
пространстве.
Кроме наличия упомянутых собственных колебаний
дождевых капель, влияющих на игру цветов и ко¬
лебания яркости радуги, не следует забывать и об
изменении их размеров. В жаркие дни они могут
уменьшаться в результате испарения, а в прохлад¬
ные ветреные дни при плотном дожде увеличи¬
ваться. Оба процесса сопровождаются изменени¬
ем цветовых красок, ширины и яркости радуги.
Поскольку капли дождя находятся в непрерывном
движении, может возникнуть вопрос, каким обра¬
зом нам удается фиксировать неподвижным поло¬
жение радуги в пространстве. Здесь уместно при¬
вести для иллюстрации возникновение изображе¬
ния на экране телевизора, которое формируется
электронным лучом, пробегающим за одну секунду
телевизионный экран не меньше 24 раз, т.е. за¬
держиваясь на каждой строке всего на 1 /24 секун-
Вторичная радуга
Первая (главная) радуга образуется при одном от¬
ражении лучей внутри капли. Однако этих отраже¬
ний может быть два, три, четыре и даже больше.
При двух отражениях, кроме главной, возникает
еще одна, в результате наблюдается двойная ра¬
дуга. Эта вторая радуга для своего рождения тре¬
бует выполнения других условий, отличных от опи¬
санных выше для главной радуги. Необходимые
ды. В это время остальные строки экрана ничего
не излучают. Более того, в данное мгновение вы¬
свечивает какая-либо одна точка той или иной
строки, а не все строки. Тем не менее мы видим
на экране определенную картинку, занимающую
всю его площадь. Почему это происходит? Дело в
том, что глаз человека, а точнее мозг, сохраняет
изображение на протяжении 0,1 секунды. Этого
более чем достаточно, чтобы изображения отдель¬
ных частей кадра слились в одно, так как элек¬
тронный луч за одну секунду пробегает телеэкран
24 раза. Ему требуется лишь 0,04 секунды, чтобы
просканировать его один раз, что в 2,5 раза мень¬
ше длительности зрительного впечатления глаза.
Аналогичная ситуация имеет место и при наблюде¬
нии радуги. Допустим, что от определенной капли
в данное мгновение попадает в глаз красный луч.
В следующее мгновение она уходит вниз, а на ее
месте появляется другая падающая сверху капля,
затем третья, четвертая и т.д. Возникает целый ка¬
скад лучей, попадающих в наш глаз, многократно
сменяющих друг друга. В результате лучи опреде¬
ленного цвета сливаются в один, что и фиксирует
глаз на протяжении более длительного времени,
чем время сохранения в памяти отдельного пар¬
циального луча из каскада. Таким образом, про¬
должительное время на одном и том же месте
видна та или иная цветная полоса радуги.
Радуга в целом неподвижна, когда вы стоите на
одном и том же месте. Как только вы сдвинулись
с места, она также переместится. Поэтому различ¬
ные наблюдатели в одно и то же время видят не
одну и ту же, а различные радуги в
расчеты приводят к следующим результатам. Ми¬
нимальный угол отклонения для красных лучей уже
230°54', а для крайних фиолетовых 233°56'. Соот¬
ветствующие угловые расстояния, под которыми
мы видим края второй радуги, будут равны: для
красных лучей 50°34', для фиолетовых 53°56', т.е.
ширина вторичной радуги равна 3°22', т. е. в пол¬
тора раза больше, чем первой.
Вторая радуга (рис. 38) концентрична с первой и с
обратным расположением цветов: крайняя верхняя
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ О П Т И К А

Атмосферная и космическая оптика
Киева. Фото О.А. Середы
полоса фиолетовая, крайняя нижняя - красная.
Яркость второй радуги меньше яркости первой,
что вызвано потерями на выход лучей из капли при
каждом отражении (рис. 39).
Как уже упоминалось, лишь 2% излучения отража¬
ется на границе вода - воздух, а 98% не принима-
Полярішция луней радуги
Кроме рассмотренных выше характеристик сол¬
нечной радуги, следует остановиться на ее поля¬
ризационных свойствах. Подавляющее большин¬
ство естественных и созданных человеком источ¬
ников излучения испускают неполяризованный
свет. Это означает, что световой вектор, характе-
ет участия в образовании радуги. Если на образо¬
вание первой идет менее двух процентов от интен¬
сивности падающего на каплю луча, то на образо¬
вание всех остальных — второго, третьего и более
высокого порядка — меньше одного процента.
Лишь благодаря высокой плотности солнечного из¬
лучения и высокой пороговой чувствительности
глаза мы в состоянии наблюдать радуги не¬
скольких порядков, да и то далеко не всегда.
Приведенное выше рассмотрение выполнено в
рамках справедливости положений геометричес¬
кой, т.е. лучевой оптики. Основы такого подхода
были сформулированы еще Декартом и в дальней¬
шем его теория уточнялась многими авторами. В
соответствии с этой теорией при описании радуг
различного порядка учитывались только лучи,
испытавшие минимальное отклонение. Большинст¬
во же лучей претерпевает большие отклонения и
получение точных формул, характеризующих, на¬
пример, интенсивность различных участков радуги,
их степень поляризации, требует учета, явления
дифракции на каплях различного диаметра. Чита¬
телей, желающих глубже ознакомиться с теорией
радуги, мы отсылаем к монографиям Г. Ван де
Хюлста и К.С. Шифрина.
Несколько слов о радуге третьего и более высоко¬
го порядков.
Если две первых располагаются в противополож¬
ном от Солнца направлении, то 3-я и 4-я распола¬
гаются вокруг Солнца, 5-я и 6-я - вокруг антисо¬
лярной точки, 7-я и 8-я - вокруг Солнца. Эти ра¬
дуги практически не наблюдаемы. Авторам не уда¬
лось разыскать сведения о счастливых случаях на¬
блюдения радуг более высоких порядков, чем вто¬
рой •
ризующий напряженность электрического поля
электромагнитной волны, для различных лучей
имеет различные направления в пространстве,
всегда оставаясь перпендикулярным к лучу.
Попросту говоря, сколько лучей, столько и плос¬
костей поляризации, в которых лежат эти лучи.
Правда, исторически сложилось так, что плоскос¬
тью поляризации принято называть плоскость,
/4
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ ОПТИКА

перпендикулярную к электрическому вектору, од¬
нако, в одном и в другом случае легко установить
степень поляризации пучка световых лучей, не¬
зависимо от того, какое определение мы исполь¬
зуем.
С помощью поляроидов или специальных поляри¬
зационных призм легко установитъ, какой свет ис¬
пускает источник, поляризованный или неполяри¬
зованный. Излучение Солнца не поляризовано. Но
в результате дифракции, а также преломления и
отражения лучей на границе капля — воздух, он су¬
щественно трансформируется в поляризационном
отношении. Опыты П.Н.Червинского, описанные в
его книге "Метеорология и гидрология", свиде¬
тельствуют о том, что в первой радуге лучи прак¬
тически полностью поляризованы, т.е. электричес¬
кие векторы почти всех лучей лежат в одной и той
же плоскости. Такой результат вполне понятен, ес¬
ли обратиться к формулам, определяющим сте-
Отраженная вертикальная радуга
Некоторые из них наблюдаются часто, некоторые
можно поймать глазами только при счастливой
случайности. Например, отраженные от водной
глади радуги. Они иногда бывают весьма причуд¬
ливы. Это может случиться, если вы во время дож¬
дя окажетесь на берегу во-доема в безветренную
погоду. Ветер, образующий на поверхности воды
волны, так деформирует изображение, что усмот¬
реть в нем радугу не представляется возможным.
Желательно также, чтобы пелена дождя не накры¬
вала озеро или пруд, на берегу которого вы нахо¬
дитесь, так как капли дождя создают зыбь, также
ухудшающую изображение. В обычном случае от¬
ражение будет перевернутым, т.е. вершина радуги
окажется ниже остальных ее элементов. Но быва¬
ют и необычные случаи. Один из них описан в кни¬
ге М. Миннарта. Радуга образуется не прямыми
солнечными лучами, а отраженными от водной по¬
верхности. Из предыдущего ясно, что антисоляр¬
ная точка в подавляющем большинстве случаев
при наблюдении на равнинной местности находит¬
ся ниже уровня горизонта. Это центр кольца, час¬
тью которого является радуга.
пень поляризации. Из них следует, например, что
при однократном отражении внутри капли лучи от¬
ражаются под углом ср, близким к так называемо¬
му углу Брюстера, для которого выполняется усло¬
вие п = tgcpg. Здесь п - показатель преломления
воды. При точном выполнении этого соотношения
все лучи, электрический вектор которых лежит в
плоскости падения, содержащей луч и перпендику¬
ляр, к плоскости, касательной к поверхности кап¬
ли, выйдут из нее в воздух и не примут участие в
образовании первой радуги. Участие примут толь¬
ко те лучи, которые выйдут из капли после одно¬
кратного отражения внутри ее. Степень поляриза¬
ции радужных дуг для первой достигает примерно
92%, для второй — 80% и несколько ниже для ра¬
дуг последующих порядков. Этот параметр исполь¬
зуется для дискриминации таких атмосферных яв¬
лений, как радуга, гало, глория и венцы •
Рис. 40
Радуга, возникшая при отражении
солнечных лучей от спокойной
поверхности пруда
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ Н П Т И К А
/5

Атмосферная и космическая оптика
Представьте себе отражение этого центра вод¬
ной поверхностью. Оно окажется выше ее на
расстоянии, равном расстоянию антисолярной
точки от поверхности воды (рис. 40). Центр
смещенной радуги 2 будет в точке О'. Как видно
из рисунка, эта радуга образует больше, чем
Горизонтальная радуга
Радуга возникает лишь в том случае, когда капли
воды каким-либо способом удерживаются на по¬
верхности земли.Лучше всего их удерживают рас¬
тения, особенно если их листья плохо смачиваются
и капли не растекаются в виде тонкой пленки по
поверхности листа. Осенью, в период бабьего лета,
после второго кошения луговых трав (в средней ге¬
ографической полосе первая косовица проходит в
мае месяце) верх укороченных косилкой травяных
стеблей и листьев опутывается изобилием паути¬
нок, в которых снуют появляющиеся в это время
мелкие паучки. В ветреную погоду можно видеть,
как сорванные мотки паутины носятся по воздуху.
Их присутствие на траве и при выпадении ночью
росы способствует образованию целых гирлянд пе¬
реливающихся серебром росинок и луг видится не
зеленым, а серебристо-серым. Вспомните, что бы-
полуокружность. Дополнение ее до полной ок¬
ружности дает изображение радуги 1, возника¬
ющее от прямых солнечных лучей. Расстояние
между вершинами обеих радуг равно удвоенно¬
му расстоянию h центра радуги 1 от поверхнос¬
ти воды
ло сказано о появлении белой радуги. Она возника¬
ла при мелких каплях дождя, только в рассматрива¬
емом сейчас случае роса не занимает часть объем¬
ного пространства под облаком, а располагается,
грубо говоря, на плоской поверхности. Следова¬
тельно, если позволяют условия, радуга должна
быть плоской, но не вертикальной, а горизонталь¬
ной. Вертикальные радуги происходят от капель,
падающих на различных расстояниях от наблюдате¬
ля. Если от них направляются к нам лучи опреде¬
ленного цвета, то важно, чтобы они составляли с
поверхностью земли углы, в среднем равные 42°.
Поэтому более близкие капли должны быть ниже
более удаленных. Таким образом, вертикальные
радуги имеют голодную толщину, толщина же го¬
ризонтальных не превышает нескольких сантимет¬
ров. Под ней мы понимаем толщину слоя, в кото¬
ром находятся капли дождя или росы, принимаю¬
щие участие в образовании радуги.
Рис. 41
Обычная верти¬
кальная радуга
является круговым
сечением конуса
солнечных лучей,
рассеиваемых
каплями воды
76
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ 1 П Т И К А

Рис. 42
Горизонтальная
радуга - гиперболическое
сечение конуса лучей
Радуга на росе имеет не круговую, а гиперболичес¬
кую форму. Ведь формируется она в плоскости, пер¬
пендикулярной к плоскости обычной радуги. Если
форма последней является круговым сечением кону¬
са лучей (рис. 41), перпендикулярным к оси конуса,
то форма горизонтальной отвечает гиперболическо¬
му сечению параллельной к оси конуса плоскостью
(рис. 42). Чаще всего роса недолго остается на
траве, испаряясь под лучами солнца. Но если она
задерживается, в редких случаях можно наблюдать
эллиптическую радугу. Она соответствует эллипти¬
ческому сечению конуса плоскостью, составляющей
с его осью угол, попадающий в интервал 0° — 90°.
Переход от гиперболы к эллипсу происходит при
восходе Солнца над горизонтом. Чем оно выше, тем
больше эллипс приближается к окружности.
Здесь уместно процитировать Миннарта, внесше¬
го в рассуждения о формах вертикальной и гори¬
зонтальной радуги психологический момент. "По¬
чему обычная радуга, пишет он, кажется нам кру¬
говой, а радуга на росе - гиперболической, хотя в
обоих случаях световые лучи попадают в наш глаз
по тем же направляющим. Это - вопрос сочета¬
ния наблюдений и ожидания. Когда мы видим ра¬
дугу на росе, мы находимся под влиянием мысли,
что световое явление происходит в горизонталь¬
ной плоскости, и бессознательно спрашиваем се¬
бя: какова должна быть действительная форма
световой кривой на траве, чтобы мы видели явле¬
ние таким, каким мы его видим? Ответ, конечно,
гласит: эллипс или гипербола. "Если бы мы виде¬
ли световое явление и ничего не знали о его про¬
исхождении, нам представлялась бы только фор¬
ма окружности" (Стокс). Стереоскопическая оцен¬
ка расстояния до отдельных капель и скопления
капель определенно могла бы нам локализировать
радугу на росе в горизонтальной плоскости".
Эти рассуждения ставят дополнительный вопрос: а
как быть с читателем, который не имеет представле¬
ния о гиперболе и эллипсе? Изображение любого
предмета и явления, сформированное на сетчатке
глаза, обрабатывается в центральной нервной сис¬
теме. Именно она и дает окончательный ответ на во¬
прос, что мы видим. Глаз — однолинзовая система,
которая дает перевернутое изображение на его сет¬
чатке, однако мы видим прямое. Перевернулось оно
уже в мозгу человека.
Рассмотрим теперь условия, при которых возмож¬
но наблюдать отраженную горизонтальную радугу.
На росистой траве - это исключение, т.к. отсутст¬
вует зеркальная поверхность, на которой могло бы
возникнуть такое отражение. Местом действия бу¬
дут пруд или спокойное озеро, покрытые пухом
некоторых деревьев непосредственно после
цветения. Подходящим местом для идеально пло-
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ ОПТИКА
11

Атмосферная и космическая оптика
Рис. 43
Отраженные радуги: I — отраженные
радуги, II — радугу создают отраженные
солнечные лучи после прохождения
капель воды
ской радуги является поверхность воды, покрытая
масляной пленкой. В наш век активной борьбы за
чистоту всего и вся подобная ситуация часто
встречается. На упомянутом пуху, ряске и масля¬
ной пленке легко представить себе присутствие
капель воды, ну хотя бы по причине выпадения
ночью росы.
Можно указать два пути образования горизонтальной
радуги. Графически они показаны на рис. 43. В пер¬
вом случае солнечный луч сначала попадает в каплю,
претерпевает в ней внутреннее отражение, после че¬
го в виде развернутого спектра цветных лучей попа¬
дает на поверхность воды, отражается от нее и идет
в направлении наблюдателя. Этот случай не очень
эффективен, т.к. вышедшие из капли лучи распрост¬
раняются у самой поверхности воды и экранируются
другими, расположенными рядом каплями.
Во втором случае солнечные лучи сначала отража¬
ются от поверхности пруда, а затем проникают в
каплю и после одного внутреннего отражения и по¬
следующего преломления на границе капля - воз¬
дух направляются к наблюдателю. Яркость радуги в
этом случае должна быть выше из-за отсутствия
экранирующего влияния соседних капель. В обоих
случаях основная и отраженная радуги имеют вед
двух редом расположенных гипербол. Характерно,
что обе радуги дают частично поляризованное из¬
лучение, но с различной степенью поляризации и с
различным преимущественным направлением све¬
тового вектора. Это возникает вследствие различия
поляризационных характеристик солнечных лучей,
попадающих в каплю в двух рассматриваемых слу¬
чаях. В первом эти лучи не поляризованы, во вто¬
ром в значительной степени поляризованы, вслед¬
ствие отражения от поверхности воды под углом,
близким к углу Брюстера. Это означает, что в кап¬
лю проникают преимущественно лучи, электричес¬
кий вектор которых перпендикулярен к плоскости
падения. Лучи альтернативной поляризации с элек¬
трическим вектором в плоскости падения уходят в
глубь пруда, где и теряются •
Луина» радуга
Как и солнечная, лунная радуга располагается на
противоположной спутнику стороне. Она бывает
слегка окрашенной только при очень чистой атмо¬
сфере, без аэрозолей, дымки и тумана. Наблюда¬
ется, как правило, при полной луне, когда она по¬
сылает к нам наиболее интенсивный пучок света. В
принципе Луна играет роль посредника, посылая
на Землю отраженные солнечные лучи, яркость ко¬
торых на много порядков меньше яркости лучей,
приходящих к нам непосредственно от Солнца. В
ночное время "все кошки серы", потому что чело¬
веческий глаз при слабой освещенности не разли¬
чает цветов, и лунная радуга ведится малоконтра¬
стной белесоватой дугой.
78
ЗАІІІМАТЕІІКАЯ ОПТИКА

Радуги
Искусственные радуги
Есть много способов получить концентрированную
взвесь водяных капель в воздухе и, воспользовав¬
шись любым источником белого света, наблюдать
радугу. Естественно, в качестве источника не ис¬
ключается и Солнце.
Каждый городской житель неоднократно наблюдал
радугу, сидя в парке у фонтана. Обходя его, вы мо¬
жете установить тот участок пространства, в кото¬
ром она видна. Движетесь вы, движется и радуга.
В горах фонтан в лучшем виде заменяет водопад.
Выбрав удачное место, вы можете часами созерцать
красивое переливание цветов в брызгах водопада.
Разумеется, приятнее наслаждаться красивым при¬
родным явлением на природе, чем в закрытом по¬
мещении. Однако попробуй увидеть радугу зимой,
когда мороз превращает капли воды в маленькие
ледяшки. В. Мезенцев в своей книге "Есть ли чуде¬
са в природе" приводит интересное сообщение о
том, что 1 января 1948 года на железнодорожной
станции Тарасовская под Москвой наблюдали зим¬
нюю радугу. Видимо, температура воздуха была не
очень низкой и вода в каплях находилась в состоя¬
нии переохлаждения, т.е. была не льдом, а водой.
В лабораторных или домашних условиях радугу
можно получить с помощью обычного пульвериза¬
тора. К сожалению, диаметр капель оказывается
настолько малым, что возникающая радуга полу¬
чается белой со слабо окрашенными краями. Если
столб капель достаточно высокий, можно наблю¬
дать полностью кольцеобразную радугу. Миннарт
рекомендует опыт с микрорадугой. Для этого на
нить искусственного шелка наносится капелька
слюны (видимо, допустимо экспериментировать и
с любой иной прозрачной жидкостью, лишь бы
капля ее не срывалась и не расползалась по нити)
и эта нить подносится близко к глазу. В таких ус¬
ловиях должна наблюдаться типичная дождевая
радуга с прекрасными вторичными дугами. И все
же нам представляется, что это будет корона, а не
главная или вторичная радуги, т.к. при близком
расположении капли к зрачку глаза источник бе¬
лых лучей должен находиться не за спиной чело¬
века, а перед ним. Что же касается радуг 3-го и
4-го порядков, возможно, их и удастся наблюдать,
если яркость источника будет достаточно высокой.
Но возникает вопрос: как избежать тогда слепя¬
щего действия источника? В общем, надо экспе¬
риментировать.
Появление мощных лазеров непрерывного действия
или с высокой частотой повторения световых им¬
пульсов позволяет в лабораторных условиях произ¬
водить микрорадуги высокой яркости любого цвета.
Все зависит от цвета монохроматического лазерно¬
го светового пучка. С.В. Зверева сообщает, напри¬
мер, о результатах такого рода опытов с подвешен¬
ными каплями дистиллированной воды с сиропом и
прозрачного масла. Источником служил гелий - не¬
оновый лазер, генерирующий свет вишневой окрас¬
ки. Возникали не только первая и вторая, но и яр¬
кие вишневые дуги третьего и четвертого порядков.
Экспериментаторам иногда удавалось получить да¬
же дуги пятого и шестого порядков. Все они возни¬
кали по схемам, аналогичным рассмотренным выше
для дождевых радуг, и удовлетворяли тем же усло¬
виям: третья и четвертая находились с центром в
солярной точке, а пятая и шестая, подобно первой
и второй — в антисолярной.
Современная лазерная техника располагает мощ¬
ными когерентными излучателями белого цвета,
т.е. со всеми цветами радуги. Они сработают не
хуже солнечных лучей. Белое излучение можно по¬
лучить, облучая мощными потоками рубинового
или неодимового лазера тяжелую воду, т.е. воду,
атомы водорода в молекулах которой заменены
дейтерием •
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ 1 П Т И К А
73

Атмосферная и космическая оптика
Корона
и антикорона
Корона о венцы
В туманную погоду или в присутствии полупроз¬
рачного облака, состоящего из очень мелких
капель воды и закрывающего Солнце или Лу¬
ну, вокруг них образуются радужные кольца, напо¬
минающие главную радугу: внешний ободок крас¬
ного цвета, внутренний - фиолетового. Такое яв¬
ление называют короной. Подобное явление мож¬
но наблюдать и в приземных слоях атмосферы в
сырую погоду вокруг уличных фонарей. В этом
случае радужное кольцо называют венцом. Разу¬
меется, никакого принципиального различия меж¬
ду короной и венцом нет. Как образуется корона в
представлении лучевой оптики, было сказано при
рассмотрении главной радуги. Строгая же теория,
как и теория радуги, требует учета явления ди¬
фракции. Оно заключается в огибании световыми
лучами препятствий, отклоняющих лучи различных
длин волн под различными углами. Если источник
монохроматический, т.е. состоит из одноцветных
лучей, то на экране, расположенном за пре¬
пятствием в виде непрозрачного диска, создается
картина из темных и светлых колец того же цвета
(рис. 44). В случае белого света кольца будут ок¬
рашенными во все цвета радуги.
В рассматриваемом случае упомянутыми дисками
служат капли воды. Их много и каждая из них дает
свою дифракционную картину. Складываясь вмес¬
те, они образуют корону или венец. Не все дифра¬
гирующие лучи от огромного числа капель прини¬
мают участие в наблюдаемом явлении, а лишь те,
которые удовлетворяют условию
л sin Ѳ = 0.61А.,	©
где г — радиус капли, Ѳ — угол, под которым видно
первое светлое кольцо, соответствующее длине
волны X.
В идеальных условиях, когда все капли имеют один и
тот же радиус, может возникнуть не одна, а несколько
Рис. 44
Дифракция света
на круглом экране
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ Н Н Т И К А

Рис. 45
Большой венец вокруг
Луны с едва заметным
красным кольцом
большего диаметра
(венец второго порядка)
корон. Они, как и радуги нескольких порядков, будут
расположены концентрично относительно друг от
друга, т.е. будут иметь общий центр и наблюдаться
под различными углами. Условие (30) получено для
дифракционной картины первого порядка.
Венец первого порядка напоминает слабенькую
радугу 1-го порядка, только в отличие от обычной
радуги он всегда замкнут. Внешний ободок крас¬
ного цвета, внутренний зеленовато-синеватый. В
хороших условиях можно различить кольца второго
и даже третьего порядка. В отличие от радуг раз¬
личного порядка, внешний ободок всех наблюдае¬
мых венцов одного цвета.
Угловые размеры колец находятся в пределах 8° -
10°, однако могут быть существенно меньше или
несколько больше 10°. Они зависят от размеров
капель воды или игольчатых кристаллов льда. Са¬
мые красивые короны вокруг Солнца и Луны, отли¬
чающиеся чистотой цветовой гаммы, возникают
при высококучевых облаках.
Большое значение имеет высота Солнца и Луны
над линией горизонта, дисперсность и концентра¬
ция частиц, на которых возникает дифракция. Так,
одному из авторов этих строк приходилось одно¬
временно наблюдать корону вокруг Луны и венцы
вокруг четырех фонарей, расположенных на раз¬
личных расстояниях от места наблюдения. Высота
Луны над линией горизонта составляла примерно
15°, наоборот, фонари были на несколько градусов
ниже ее. Воздух не очень плотно был заполнен не
воспринимаемыми глазом мелкими каплями, хотя
трава парка была слегка влажной. Луна находилась
за не очень плотным облачным покровом. Оценка
диаметров внешних колец и расстояний до фона¬
рей свидетельствовали об однородности размеров
капель, т.к. диаметр внешнего кольца для ближай¬
шего фонаря оказался самым малым. Пример
большого венца вокруг Луны запечатлен на рис. 45.
Не всегда легко установить, на каких образованиях
возникают короны и венцы - на каплях воды или
ледяных иглах. И все же из многочисленных на-
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ ОПТИКА

Атмосферная п космическая оптика
блюдений венцов при различных метеорологичес¬
ких условиях замечено, что расстояние между тем¬
ными промежутками в случае кристалликов льда
одинаковы, а в случае капель воды различны.
Корона и венцы не всегда бывают правильными
кольцами. Если Луну последовательно покрывают
перисто-кучевые облака с изменяющейся во вре¬
мени плотностью и размерами частиц, то корона
вытягивается в неправильный овал, чаще всего бо¬
лее уплотненный со стороны надвигающегося об¬
лака, из-за того что в его периферической части
Кольцо Бишопа
При вулканических извержениях взрывного харак¬
тера, когда в атмосферу под большим давлением
выбрасываются на огромные расстояния клубы ды¬
ма, паров воды, ядовитых серных газов и глыбы
камней, по склонам кратера растекается лава, а
высотные атмосферные (если не стратосферные)
потоки разносят легкую фракцию выбросов по все¬
му земному шару, не исключена возможность на¬
блюдения какого-либо светового явления в любой
Антикорона
Антикорона, именуемая иначе глорией, наблюдает¬
ся вокруг какого-нибудь крупного предмета, конту¬
ры которого проецируются солнечными лучами на
далекое облако или горную гряду. Этим предме¬
том может быть сам наблюдатель, за спиной у ко¬
торого Солнце, а перед ним вдали висит облако с
подходящими по размерам каплями воды.
Антикорона редко наблюдается в обычных земных
условиях, т.к. они должны быть весьма стабильны¬
ми во времени.
Качественно это явление в лабораторных условиях
изучал в 1919 году Ф. Мирдель на искусственно
созданном им тумане. Его опыты на более высо¬
ком экспериментальном уровне воспроизведены
Г. Найком и Р.М. Йоши спустя 35 лет.
капли воды становятся мельче благодаря испаре¬
нию. Венцы могут наблюдаться при абсолютно яс¬
ном небе благодаря взвешенным в воздухе мель¬
чайшим пылинкам броуновского типа, способным
продолжительное время находиться в атмосфере,
даже на протяжении нескольких лет после больших
вулканических извержений. Они являются при¬
чиной изменения цвета Солнца и Луны из обычно¬
го на зеленый, бледно-синий и лазурный. Особен¬
но хорошо такие чередования цветов наблюдались
в 1883 году после знаменитого извержения Крака¬
тау •
части небесной сферы. Были бы открытыми Солн¬
це и Луна. При таких условиях образуется вокруг
светила венец огромных размеров, наружный край
которого, как у обычного венца, красный. Он полу¬
чил название кольца Бишопа, по имени первого
исследователя.
Большая ширина и диаметр кольца свидетельству¬
ют о малых размерах вулканических частиц, на ко¬
торых происходит дифракция солнечных лучей.
Оценка их диаметра по формуле (30) дала значе¬
ние около 2 мкм •
На рис. 46 представлена схема оригинальной уста¬
новки упомянутых авторов. В темном ящике ABCD
расположена колба F емкостью 20 литров, выпол¬
нявшая роль облачной камеры. Трубкой колба со¬
единялась с цистерной, примерно в семь раз
большего объема. С помощью специального кла¬
пана и крана колба могла отключаться или соеди¬
няться с цистерной, в которой находилось некото¬
рое количество воды. До образования облака из
колбы был полностью удален воздух, а из цистер¬
ны частично. Внезапный поворот крана - и в колбу
врывались пары воды, образуя густой туман
вследствие резкого понижения температуры. Про¬
изошел адиабатический процесс, на основе кото¬
рого работают наши домашние холодильники. Ус¬
тановка снабжена манометром, позволявшим под¬
держивать определенное давление, а значит и кон¬
центрацию водяных капель.
82
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ ОПТИКА

Внутри ящика на некотором расстоянии от колбы
находилось выпуклое зеркало М. В стенках АВ и
АС проделаны небольшие круглые отверстия для
ввода излучения от источника белого света Б,
(лампа мощностью в 500 вт) и источника монохро¬
матического излучения (натриевая лампа) Б2 Оси
конусов лучей от обеих ламп были взаимно пер¬
пендикулярными.
Два отверстия в стенке CD служат для наблюде¬
ния дифракционных колец от обоих источников
излучения теодолитами Т1 и Т2. Теодолиты снаб¬
жены измерительными сетками, поэтому позволя¬
ли измерять диаметры колец и углы, под которы¬
ми они видны.
Корона регистрируется теодолитом Т1. По измерен¬
ному углу Ѳ кольца определенного цвета, соответст¬
вующего длине волны X, с помощью формулы (30)
легко вычислить радиус rкапли и, варьируя условия
заполнения колбы Рпарами воды, добиться такой
ситуации, когда дифракционные картины от обоих
источников света будут наиболее контрастными.
В опыте Найка и Йоши для получения глории
препятствием служит кольцеобразное выпуклое
Рис. 46
Установка для одновременного получе¬
ния и изучения короны и антикороны
Рис. 47
Глория вокруг тени
самолета,
спроецированной
солнечными
лучами на облако
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ ОПТИКА

Атмосферная о космическая оптика
ваемой тени космического аппарата
"Салют-6"
зеркало М, расположенное под углом 45° к оси
светового пучка от натриевой лампы, проходя¬
щей через центры зеркала и колбы, в которой
Брокенсш призрак
Одним из наиболее интересных примеров являет¬
ся Брокенский призрак. Возможно, это явление
многократно наблюдалось вблизи горной вершины
Брокен в Саксонии, откуда и произошло его назва¬
ние. Человек, находящийся на какой-либо возвы¬
шенности, спиной к Солнцу, видит перед собой на
отдаленном туманном облаке, покрывающем от¬
весные склоны горы, радужное кольцо с чередова¬
нием цветов, характерным для венцов и главной
радуги. Оно может быть полным, а может зани-
создавалось облако (рис. 46).
Пример глории, окружающей тень самолета, от¬
брасываемую солнечными лучами на облако, при¬
веден на рис. 47. Фотография получена Р. Глин-
лером, копию которой из его книги мы представ¬
ляем здесь. Обращает на себя внимание кольцео¬
бразная форма глории. Казалось бы, она должна
зависеть и от формы предмета, вокруг тени кото¬
рого происходит дифракция солнечных лучей на
каплях воды или кристаллического льда.
Как ни странно, но кольцевая форма глории со¬
храняется даже тогда, когда тени объекта, во¬
круг которой она должна образовываться, вооб¬
ще нет. Это возможно при большом расстоянии
объекта до экрана (например, облака). Подоб¬
ный пример глории наблюдали космонавты
В.В. Коваленок и А.С. Иванченков 2 октября
1978 г. на борту орбитальной станции "Салют-
6", находящейся на расстоянии несколько сот
километров от Земли, следовательно, и от обла¬
ков. При размерах станции в несколько десятков
метров космонавты не могли видеть ее тени, т.к.
угол, под которым она видна со станции, состав¬
лял примерно 0,2'. Глаз же видит несамосветя-
щиеся предметы только в случае, если их угло¬
вые размеры не меньше Г. По рассказам космо¬
навтов художник А.К.Соколов нарисовал картину
глории, фотографию которой мы скопировали из
книги С.В. Зверевой (рис. 48)
мать только часть пространства (рис. 49), в зави¬
симости от того, как распределены капли воды в
атмосфере и как изменяются их размеры от места
к месту. Глории типа "Брокенский призрак" неод¬
нократно встречаются альпинистами в горах Кавка¬
за и Памира, чаще всего утром, когда Солнце
только начинает подыматься над горизонтом.
Размеры глории плавно изменяются во времени.
При только что образовавшемся тумане, когда ди¬
аметр капель воды не превышает 6 мкм, радиус
глории очень большой. С укрупнением капель он
постепенно уменьшается.
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ ОПТИКА

Даже простые геометрические построения хода лу¬
чей в каплях различных диаметров показывают,
что чем меньше их диаметр, тем шире спектр, тем
больший угловой размер радуги и глории.
Иногда глория окружена белой радугой. При этом
имеет место психологический эффект - радуга ка¬
жется расположенной дальше глории •
Нимбы
Глория может возникать также на близких расстоя¬
ниях вокруг тени головы, подобно Брокенскому
призраку. Выйдя ранним утром сразу после восхо¬
да Солнца на покрытый росой луг, а еще лучше на
зеленое руно ржи, пшеницы или любого другого
растения, вы можете наблюдать на них глорию, ок¬
ружающую тень вашей головы. Не отсюда ли пош¬
ло издревле изображать Иисуса Христа, деву Ма¬
рию, святых апостолов христианской религии с зо¬
лотыми венцами, часто с уходящими от головы
стрелами золотых лучей? (рис. 50).
Естественное обрамление тени ореолом принято
называть нимбом. Нимбы наблюдаются также на
скошенных полях и даже на сухих песчаных по¬
верхностях.
Возникновение нимбов также объясняется явлени¬
ем дифракции падающих на поверхность сфериче¬
ской частицы лучей.
Часть из них отражается назад, почти параллельно
падающим лучам, создавая дифракционную картину
в обратном направлении. Поэтому глорию и нимб
часто называют "антивенец" или "антикорона".
Чтобы убедиться, действительно ли наблюдатель
имеет дело с нимбом, нужно сравнить свою тень
с тенью других людей: вы увидите нимб только
вокруг вашей головы. "Это может дать повод к
некоторым философским заключениям,- пишет в
своей книге Миннарт. Когда Челлини, знамени¬
тый итальянский скульптор XVI в., заметил этот
ореол, он решил, что сияние было знаком его
собственного гения". Между прочим, Иисус Хрис¬
тос в своих странствиях среди народа мог дейст¬
вительно попадать в подобную ситуацию, а разо-
Рис. 50
Нимбы вокруг головы Иисуса Христа
и девы Марии
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ ОПТИКА
85

Атмосферная и космическая оптика
бравшись в ней, стремился к ее повторению,
причем неоднократно. Создать столь совершен¬
но новую религию в неимоверно тяжелых усло¬
виях, когда от обилия различных богов и богинь
кружились головы людей и, заменить одним бо-
Иризаціія облаков
Высоко-кучевые, слоистые кучевые и перисто-куче¬
вые облака небольшой толщины, просвечиваемые
солнечными лучами, вдовольно больших угловых
направлениях отсвечивают очень яркими радужными
цветами, в подавляющих случаях красного и зелено¬
го опенков. Особенно красивые переливы цветов
наблюдаются у краев облака, там, где толщина его
невелика. Такие цветные пятна возникают в резуль¬
тате значительной деформации венцов при больших
угловых расстояниях. Название "иризация" происхо¬
дит от греческого слова iris - радуга. В минералогии
под этим термином понимают радужную игру цветов
на гранях и плоскостях спайности некоторых мине¬
ралов при их внесении в пучок белого цвета.
Иризацию можно наблюдать на трассе реактивного
самолета, образующего длинную белую дорожку
конденсированного в мелкие капли пара воды. Яв¬
ление иризации наблюдали космонавты через ил¬
люминаторы станции "Салют-6". В интервале 55—
60° южных широт были замечены облака желто-ко¬
ричневого цвета (их назвали горчичными), а перед
восходом Солнца на высоте 15—20 км — фиолето¬
вые облака. Возникновение определенной окраски
облаков космонавты объясняли интерференцион¬
ным эффектом. Поскольку облака находились в
стратосфере, водяные капли превращались в плас¬
тинки твердого льда определенной толщины.
Именно такой, которая удовлетворяла условию
интерференции для максимума фиолетового цве¬
та. В других случаях мог возникнуть и другой цвет.
Иризирующие облака часто бывают настолько яр¬
кими, что без искусственного ослабления фильтра¬
ми или наблюдения, находясь в затененных мес¬
тах, невозможно по-настоящему оценить красоту
быстро чередующихся зеленых и пурпурных цве¬
тов. Яркий цвет просто ослепляет глаза.
гом всех существующих было непростым де¬
лом. За это Иисус Христос и поплатился жиз¬
нью. Но прошли годы и наконец, народ уразу¬
мел, что гораздо легче угождать одному богу,
чем дюжине
Характерной особенностью рассеянного иризирую-
щими облаками света является отсутствие поляри¬
зации. Возможно, это объясняется дисперсностью
толщин кристаллических пластинок и иголок льда
и хаотичностью расположения их в облаке. Обе
причины приводят к деполяризации света.
Перед заходом Солнца на расстоянии 10°-20°
очень редко можно наблюдать протяженные гряды
облаков, переливающиеся всеми цветами радуги,
подобно рыбьей чешуе. Эти облака находятся на
большой высоте и их красочные цвета не иначе как
обусловлены интерференционными и дисперсион¬
ными явлениями в кристаллах леда различной
формы. Такое утверждение подтверждается про¬
должительностью их свечения (более двух часов
после захода Солнца) и непосредственными изме¬
рениями расстояния до них, достигающими 25 км.
Скорость их движения 10—90 м/с, что не очень ма¬
ло, но не так уж и много, т.к. в верхних слоях ат¬
мосферы зарегистрированы течения, скорость ко¬
торых не уступает скорости реактивных самолетов.
Исчезают перламутровые облака при угловом рас¬
стоянии от Солнца, превышающем 40°. В противо¬
положность описанным выше иризирующим обла¬
кам, не обладающим поляризационным эффектом,
свечение перламутровых облаков, рассматривае¬
мое через поляризационную призму, позволяет
констатировать отличную от нуля степень поляри¬
зации.
Метеорологи заметили, что перламутровые облака
образуются чаще всего после прохождения цикло¬
на в совершенно чистом небе. Миннарт отмечал
появление очень красивых перламутровых облаков
10 мая 1910 г. при прохождении мимо Земли ко¬
меты Галлея. Видимо, хвост этой кометы частично
зацепил атмосферу Земли и вызвал появление
красивых перламутровых облаков ■
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ I П Т И К А

Оптические явления в атмосфере, вызванные рефракцией света
Оптические
яииенип
и атмосфере,
вызванные
рефракцией света
Атмосферная рефракция
Слово «рефракция» английского происхождения.
Оно вошло в словарный состав многих языков
мира и означает преломление. Преломление
именно световых лучей. Рассматривая радугу, мы
уже встречались с явлением рефракции, когда бе¬
лый солнечный луч на поверхности водяной капли
распадался на лучи различных цветов из-за раз¬
личных углов преломления.
Для прозрачных веществ угол преломления возра¬
стает с уменьшением длины волны, т.к. чем мень¬
ше длина волны, тем больше показатель прелом¬
ления.
Проявление рефракции не обязательно требует
резкой границы раздела двух сред, обладающих
различной преломляющей способностью, как в
случае окруженной воздухом капли воды. Явление
рефракции дает о себе знать и при медленном
(постепенном) изменении показателя преломле¬
ния. Больше того, именно такой характер зависи¬
мости показателя преломления атмосферы Земли
вдоль линии горизонта или по вертикали является
причиной возникновения большого числа явлений
атмосферной оптики. Даже в тех случаях, когда на
первый взгляд кажется, что описание конкретного
явления не требует использовать понятие рефрак¬
ции, более внимательный анализ заставляет обра¬
титься к нему.
Показатель преломления п земной атмосферы ма¬
ло отличается от единицы: для крайних длин волн
видимого спектра он имеет значения -1,000283
(фиолетовые лучи) и 1,000275 (красные лучи).
В большинстве расчетных формул, позволяющих
сделать численные оценки явления, пользуются
величиной п -1, получившей название индекса ре¬
фракции. Индекс рефракции пропорционален
плотности воздуха и вообще любого вещества. По¬
скольку плотность воздуха зависит от температу¬
ры, уменьшаясь с ее возрастанием, индекс ре¬
фракции также уменьшается.
В атмосферной оптике для количественных рас¬
четов часто пользуются эмпирической формулой
индекса рефракции, справедливой для большого
интервала электромагнитных волн, начиная от
глубокого ультрафиолета (X = 0,2 мкм) и закан¬
чивая средней частью инфракрасной области
(X = 20 мкм):
(о-1) =
77,6 -+0,584 Х'2 —
Т	Т
10 е, ®
где Р—давление газа, Т—абсолютная температу¬
ра, X — длина световой волны. Приведенная фор¬
мула характеризует отмеченную выше температур¬
ную зависимость индекса рефракции, а также его
зависимость от давления.
Понятие астрономической рефракции заключается
в видимом смещении положения небесных тел, в
частности звезд, в результате искривления траек¬
тории квантов света на пути от верхних слоев ат¬
мосферы до земного наблюдателя. Чтобы уяснитъ
себе, как это происходит, обратимся к рис. 51. На
нем линия горизонта изображена прямой АВ, про¬
межуточный слой атмосферы обозначен CD, а гра¬
ница атмосферы ЕЕ Естественно, последняя вве¬
дена чисто условно, так как никакой резкой грани¬
цы не существует.
Попадая в атмосферу Земли, луч света от звезды
S начинает постепенно отклоняться к вертикали,
поскольку плотность атмосферы в нормальных
условиях увеличивается в направлении к земной
поверхности. Если построить перпендикуляр к
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ НВТНКА
87

Атмосферная и космическая оптока
плоскости EF, то угол преломления р будет не¬
сколько меньше угла падения а. Конечно, это
уменьшение незначительное, но оно есть. Анало¬
гичная ситуация имеет место на границе CD:
угол преломления будет несколько меньше угла
падения. Таких геометрических построений мож¬
но сделать сколь угодно много. Их результатом
окажется реальный путь луча вплоть до точки М,
где расположен наблюдатель. Видимое положе¬
ние звезды он зафиксирует в направлении каса¬
тельной к кривой KLM в точке М. Вместо истин¬
ного положения S звезда окажется в положении
S'. Угол отклонения у видимого направления на
звезду от истинного называется углом астроно¬
мической рефракции.
Чем ближе к горизонту находится небесное тело,
тем больше угол астрономической рефракции. Его
максимальное значение оценивается примерно в
35 угловых минут. С повышением звезды над ли¬
нией горизонта угол астрономической рефракции
уменьшается и становится равным нулю, если
звезда находится точно в зените. Умение по воз-
Рис. 51
Рефракционное искривление луча
в атмосфере Земли
можности точно определять рассматриваемый угол
имеет большое значение для астрономических на¬
блюдений, капитанов морских судов, космических
исследований, штурманов летательных аппаратов.
Если угловое расстояние звезды от направления
на зенит не превышает 60°, угол у с точностью до
угловой секунды можно определить с помощью
формулы:
где § - угловое расстояние звезды от направления
на зенит. Как и следовало ожидать, угол увеличива¬
ется с атмосферным давлением Р, уменьшается с
температурой Татмосферы и растет с углом 5: чем
больше последний, тем ближе звезда к горизонту,
тем сильнее проявление рефракции. Здесь инте¬
ресно привести данные об аномально высоких зна¬
чениях угла у из монографии С.В. Зверевой. В ней
сообщается, что в полярных областях с очень низ¬
кими температурами в зимнее время угол астроно¬
мической рефракции в несколько раз может превы-
ЗАННМАТЕПЬНАЯ ОПТИКА

Оптические явления и атмосфере, вызванные рефракцией света
шать обычное максимальное значение 35'. Так,
ГА Тихов зимой в Пулкове под Санкт-Петербургом
получил значение у = 2°1Известный полярный
исследователь Ф. Нансен определил в Арктике еще
большее значение — 272'. Но эти цифры не едут
ни в какое сравнение с полученным В. Варенцом на
Новой Земле значением, равным 4° — 5°.
Людям давно известно убывание плотности возду¬
ха с высотой, но описывающий его закон нашел
широкое распространение только в XIX веке. Его
приписывают Больцману, хотя еще Ньютон пользо¬
вался соответствующей формулой для составления
таблиц рефракции.
По-ведимому, Клеомед был первым, кто в начале
новой эры указал на возможность искривления
светового луча в атмосфере Земли. Птоломей во
втором веке уже занимался экспериментами по ус¬
тановлению закона преломления при прохождении
лучом границы раздела двух сред, но не установил
его. Только в 1626 году после смерти голландского
математика Снеллиуса среди его записей обнару¬
жили листы, на которых рассматривался этот во¬
прос и фактически был сформулирован закон пре¬
ломления.
Декарт не знал о работе Снеллиуса, так как она не
была опубликована, поэтому сам занялся поисками
ответа на давно возникший вопрос. Исходя из не¬
правильного предположения о распространении
света с большей скоростью в более плотной сре¬
де, он получил формулу:
sina _ и2
sin(3 и,'
и2 > и,, a > р,
©
где a - угол падения на границу раздела, р -
угол преломления, о2, up - скорости распростра¬
нения света во второй и первой среде соот¬
ветственно. На самом деле, в оптически более
плотной среде скорость света меньше, т.е. поме¬
няв в правой части (33) местами числитель и зна¬
менатель, получим то, что нужно.
Это было сделано Гюйгенсом и Ферма, исправив¬
шими ошибку Декарта и записавшими закон пре¬
ломления в обычно используемом виде:
sina _ л2 __ и, ф
sinp л, о2 ’
л2 > л1, т.к. и2 = с/п2, где с -скорость света в
вакууме. Каждому слою атмосферы можно сопос¬
тавить некоторые средние значения показателя
преломления, давления и концентрации молекул
газа. Все три параметра уменьшаются с высотой
по экспоненциальному закону. Предполагается,
что, кроме силы тяжести, молекулы не подвержены
никаким иным воздействиям. Формула, описываю¬
щая экспоненциальное уменьшение давления с вы¬
сотой h при температуре Тимеет вед:
p=p,e-mghlkT. ©
Она называется барометрической. В ней р0 — дав¬
ление на уровне моря, р — на высоте h, m — сред¬
нее значение молекулярной массы газовых компо¬
нент атмосферы, д — ускорение земного тяготе¬
ния, к — постоянная Больцмана.
Очень трудно дождаться такой погоды, чтобы баро¬
метрическая формула строго выполнялась даже на
небольшом отрезке высоты, скажем, в интервале
О < h < 100 м. Ведь с высотой меняется температура,
появляются облака и воздушные потоки, а на боль¬
ших высотах даже ускорение д становится меньше,
чем у земной поверхности. И все же в общем случае
она дает правильный ход изменения давления и по¬
казателя преломления воздуха с высотой h.
В 1995 году исполнилось 300 лет открытия Ньюто¬
ном закона убывания плотности воздуха с высотой.
Между тем, подобно Снеллиусу, не пожелавшему
обнародовать закон преломления, Ньютон почему-
то не счел нужным предать гласности барометри¬
ческую формулу.
Специалистам хорошо известно, какое значение
имеет рефракция для астрономических наблюде¬
ний и расчета из них истинных значений координат
светил, их угловых размеров и других параметров.
Хорошо знал это и Ньютон. Стремясь помочь ас¬
трономам, он вплотную занялся составлением таб¬
лиц углов рефракции для различных направлений
относительно направления на зенит.
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ 0 П Т И К А

Атмосферная и космическая оптика
В одном из писем Флемистиду Ньютон сообщает,
что он не намерен писать о рефракции и обнаро¬
довать свои таблицы. Об их существовании стало
известно через 100 лет после смерти великого
ученого, когда на чердаке одного из лондонских
домов в 1832 году обнаружили 27 писем к Флеми¬
стиду. А еще через 103 года академик А.Н. Крылов
опубликовал сочинение "Теория рефракции Ньюто¬
на", в основу которого были положены упомянутые
письма. Отмечая огромную интуицию автора пи¬
сем, А.Н. Крылов говорит: "Во все эти подробнос¬
ти я вошел, чтобы показать, насколько полна и об¬
ща эта теория астрономической рефракции, кото¬
рую Ньютон создал в конце 1694 и начале 1695 г.,
но которую он, к сожалению, не опубликовал. Если
развить Ньютонову теорию теми элементарными
методами анализа, которыми Ньютон обладал, и
сравнить ее с современными теориями, то сразу
можно будет заметить, сколь простое и естествен-
Мерцание Звезд
Для звезды, находящейся точно в зените, астро¬
номическая рефракция отсутствует. В этом слу¬
чае лучи света перпендикулярны к любому слою
атмосферы и, казалось бы, должны проходить
без искривлений, возникающих при любом ином
расположении звезды. На самом деле неболь¬
шие смещения лучей есть. Они возникают благо¬
даря флуктуациям плотности атмосферы. Причи¬
ной флуктуации являются конвенционные потоки
и вызванные ими чередования участков с раз¬
личной температурой и с различным давлением,
наличие полупрозрачных облаков, аэрозолей и
т.д.
Вследствие этого происходит небольшое видимое
смещение изображения звезды во всех возможных
направлениях, перпендикулярных к направлению
на звезду, т.е. возникает мерцание звезды. Оно
едва заметное у зенита и увеличивается с прибли¬
жением к линии горизонта, т.к. здесь световым лу¬
чам приходится преодолевать гораздо большую
толщу воздуха и чаще встречаться с неоднородно¬
стями атмосферы.
ное получается изложение и сколь мало к нему, по
существу, за 240 лет прибавлено."
Из писем Ньютона видно, что вначале он предпо¬
лагал линейное уменьшение плотности атмосферы
с удалением от земной поверхности. Но, обнару¬
жив некоторые расхождения с наблюдениями Фле-
мистида, занялся составлением новых таблиц, из
которых следует экспоненциальный закон.
В одном из писем Ньютон писал: "Причину различной
величины рефракции при той же самой высоте близ
горизонта я усматриваю в различии нагревания воз¬
духа в нижних ее слоях, ибо, когда воздух от теплоты
разрежен, он преломляет менее, когда же от холода
он уплотнен, он преломляет сильнее. Эта разница
должна быть более чувствительной, когда луч едет по
нижним слоям атмосферы, ибо лишь эти слои то раз¬
режаются, то уплотняются теплом и холодом, тогда
как средние и верхние слои всегда холодные" •
Мерцание проявляется не только в положении
звезды, но и в изменении ее яркости и даже цве¬
та. Яркость меняется потому, что из-за непрерыв¬
ного движения атмосферных слоев световые лучи
могут концентрироваться в более узкий пучок или,
наоборот, расплываться в пятно большей площа¬
ди. Не исключается также различное рассеяние
света в различные моменты времени.
Изменение цветового оттенка вызвано явлением
дисперсии: весь слой атмосферы, через который
мы наблюдаем звезду, можно уподобить некото¬
рой криволинейной призме (рис. 52), разлагающей
белый свет в видимый спектр. Фиолетовые лучи
преломляются больше всего, а красные, наоборот,
преломляются слабо. Плотность любого элемента
призмы такая же, как у линии горизонта АБ.
Если высота звезды над линией горизонта превы¬
шает 50°, цветовых изменений заметить невозмож¬
но, зато звезды, находящиеся ниже 35°, часто поз¬
воляют заметить мерцание цветовых опенков. Та¬
кое явление в зимнее время можно заметить, на¬
блюдая за ярким Сириусом, находящимся невысо¬
ко над горизонтом.
ЗАІИМАТЕВЬІДЯ ОПТИКА

Оптические явления в атмосфере, вызванные рефракцией света
Рис. 52
Столб воздуха,
ограниченный
пунктирными
прямыми,
представляется
криволинейной
призмой,
плотность которой
в любом элементе
одна и та же
Длительные наблюдения метеорологов показыва¬
ют, что мерцание звезд становится более интен¬
сивным при низком атмосферном давлении, низ¬
кой температуре, высокой влажности и большом
градиенте плотности атмосферы по высоте, т.е.
значительном изменении давления с высотой.
Кроме того, мерцание проявляется более эффек¬
тивно при нормальном ветре и становится менее
отчетливым при слабых и сильных потоках возду¬
ха.
Как водим, эффект мерцания зависит от многих
факторов, причем зачастую непредсказуемым
образом, как, например, при сильных горизон¬
тальных потоках воздушных масс. Поэтому, во¬
преки встречающимся утверждениям, это явле¬
ние вряд ли можно использовать для предсказа¬
ния погоды.
Поскольку мерцание требует изменения парамет¬
ров атмосферы прежде всего в горизонтальном
направлении, не удивительно, что оно усиливает¬
ся, когда лучи света проходят в непосредствен¬
ной близости к облаку. Здесь на первый план вы¬
ступает такой параметр, как температура: внутри
облака она заметно отличается от температуры
соседнего безоблачного участка. Это различие
способствует более заметному искривлению све¬
товых лучей.
Нам осталось ответить на вопрос, как быть с пла¬
нетами? Хотя они светят не собственным, а отра¬
женным солнечным светом, однако их яркость
сравнима с яркостью звезд и отличаются они от
звезд только водимым диском. В зависимости от
времени года водимый диаметр Венеры, напри¬
мер, изменяется от 10 до 68", Юпитера — от 31 до
51". Отклонение же лучей из-за неоднородности
атмосферы составляет всего несколько секунд. Уг¬
ловые размеры звезд близки к нулю, поэтому сме¬
щение на несколько секуод отчетливо фиксируется
глазом. Такое смещение для планет оказывается
явно недостаточным, чтобы заметить мерцание.
Оно заметно только при угловых изменениях на¬
правления лучей того же поредка, что и водимый
угловой диаметр планеты. Например, мерцания
Меркурия и Венеры можно наблюдать, когда они
появляются в воде узеньких серпов вблизи гори¬
зонта перед восходом или заходом Солнца. В этом
случае фактор диаметра отпадает и наблюдатель
при спокойной атмосфере может видеть заметное
мерцание положения, яркости и даже цветовых от¬
тенков этих планет •
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ ѴІТИІА

Атмосферная и космическая оптика
Земная рефракция
Явление мерцания характерно не только для не¬
бесных тел. Его можно наблюдать в любое время
года, если не по причине метеорологических усло¬
вий, то благодаря факторам человеческой деятель¬
ности. Например, при асфальтировании дорог в
широких открытых печах дорожники варят асфальт.
Если смотреть через поток подымающегося над
печью горячего воздуха на расположенные за ним
предметы, они кажутся дрожащими, непрерывно
меняют свою форму, прямые линии очертаний
преобразуются в кривые, а сам воздух напоминает
дрожащий студень.
В гораздо больших масштабах подобное явление
можно наблюдать в жаркий день на свежевспахан¬
ном поле. Человек, идущий впереди вас на рассто¬
янии нескольких десятков метров, вдруг начинает
расплываться или сужаться, контуры фигуры ста-
Рефракционное увеличение
продолжительности дня
Опустившееся за горизонт Солнце из-за искривле¬
ния лучей в приземном слое атмосферы некоторое
время еще остается видимым. Тот же эффект и по
той же причине наблюдается также утром: Солнце
еще не взошло, а мы его видим. Следовательно,
рефракция приводит к удлинению дня.
Продолжительность удлинения зависит от геогра¬
фической широты и времени года. Для средних
широт удлинение дня составляет примерно 8-12
минут и довольно быстро увеличивается с продви¬
жением к полюсам Земли.
В день весеннего равноденствия при угле рефрак¬
ции 35 минут на широте 88° день увеличивается на
2 часа 18 минут. Но достаточно добавить к 88° еще
один градус, как его продолжительность возрастет
еще на 3 часа и 24 минуты.
Для широт, расположенных за полярным кругом, в
определенное время наступает длинная полярная
ночь, которая затем сменяется длинным полярным
новятся менее четкими, голова напоминает бес¬
форменное размытое пятно. Если в таких условиях
его сфотографировать, по фотографии не всегда
легко узнать, что на ней изображено.
Земная рефракция проявляется наиболее отчетли¬
во в середине дня, когда под горячими лучами
Солнца накаляются песок, крыши и стены домов,
железнодорожные рельсы и шоссейные пути. На¬
гретый от них воздух подымается вверх, смешива¬
ется с более холодным, в результате образуются
вихревые и свилеобразные потоки, приводящие к
искривлениям распространяющихся через них све¬
товых лучей.
Мерцания можно наблюдать не только в летнее
время, но также зимой, даже над снежной поверх¬
ностью. Важно, чтобы температура снега сущест¬
венно отличалась от температуры находящегося
над ним воздуха. Солнечные лучи всегда способны
удовлетворить этому условию •
днем. На полюсах Земли полярные ночи и дни
должны быть равными. Однако, это возможно
только при отсутствии рефракции. Ее действие
приводит к тому, что полярный день увеличивается
на целых 14 суток (неплохой подарок полярным
исследователям, да и вообще обитателям далекого
севера и Антарктиды).
С рефракцией связан так называемый "эффект Но¬
вой Земли", впервые установленный известным
мореплавателем В. Варенцом зимой 1596-97 годов,
т.е. более 400 лет назад. В эту далекую зиму Ба¬
ренц со своей экспедицией, прокладывающей се¬
верный морской путь, из-за скверных погодных ус¬
ловий вынужден был сделать длительную останов¬
ку на Новой Земле. Когда после окончания поляр¬
ной ночи над горизонтом появилось долгожданное
Солнце, В. Баренц после выполнения астрономи¬
ческих расчетов обнаружил несоответствие расчет¬
ные данных времени наблюдаемого восхода Солн¬
ца. Полярная ночь оказалась на несколько суток
короче. "С легкой руки Баренца",- пишет в своей
книге С.В.Зверева,- за этим явлением закрепи¬
лось название "эффект Новой Земли".
92
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ ОПТИКА

Оптические явления в атмосфере, вызванные рефракцией света
Сообщение В. Баренца стало вскоре известно
И. Кеплеру, который тут же попытался его объяс¬
нить. К сожалению, ученый мир отнесся с недове¬
рием как к самому существованию "эффекта Новой
Земли", так и к его интерпретации И. Кеплером.
Иногда при резких изменениях погоды возникают
"всплески' очень сильной рефракции и в период
Искажения и умножения
солнечного и лунного уисков
В последующие годы, вплоть до наших дней, эф¬
фект, обнаруженный В. Баренцем, наблюдали мно¬
гие исследователи северных и южных широт, а в
1979 году В. Лен посвятил ему специальный цикл, ис¬
следований. Он показал, что этот эффект возникает
при сильной инверсии температуры воздуха с высо¬
той, когда разность температур непосредственно у
поверхности Земли и некоторого слоя атмосферы,
простирающегося вплоть до 1000 м, достигает 25°.
В. Лен провел расчет хода световых лучей в атмо¬
сфере при различных значениях изменения темпе¬
ратуры с высотой. Из всех возможных случаев ин¬
версии температуры по вертикали, начиная от
земной поверхности, он выделил два варианта.
полярной ночи, которая должна смениться днем
только через несколько суток. Вдруг над горизон¬
том на несколько минут появляется Солнце, после
чего снова исчезает и прячется за горизонтом до
наступления настоящего полярного дня. Такой
сюрприз природа преподнесла 20 января 1974 го¬
да. Его наблюдали в якутском поселке Черский •
В первом варианте непосредственно над землей
расположен холодный слой воздуха, над ним теп¬
лый, затем опять холодный и снова теплый. Обра¬
зуется четырехслойная структура, в которой все
слои имеют большую горизонтальную протяжен¬
ность, достигающую нескольких сот километров
(рис. 53).
Холодные слои I и III, которым отвечают более вы¬
сокие индексы рефракции и которые образуют
резкую границу перехода в теплые, создают подо¬
бие волноводов. Попавшие в них солнечные лучи,
благодаря сильной рефракции, как бы отражаясь
от границ раздела теплый — холодный воздух, мо¬
гут распространяться на очень большие рас¬
стояния, не покидая волновода. В приземном слое
I на одном и том же пути число "отражений" будет
больше, так как индекс рефракции в нем выше.
3 А Н И М А Т Е П Ь Н А Я ОПТИКА

Атмосферная п космическая оптика
Рис. 54
Удвоение (а) и сплющивание
(б) солнечного диска вследст¬
вие атмосферной рефракции
Во втором варианте рассматривается более про¬
стая структура, состоящая из холодного приземно¬
го слоя и расположенного над ним слоя теплого
воздуха. Он реализуется, например, при возникно¬
вении верхнего миража.
Первый четырехслойный вариант может объяснить
удвоенное изображение Солнца при восходе или
заходе (рис. 54а). Каждый волновод дает свое изо¬
бражение. И наблюдатель видит над одним сол¬
нечным диском второй диск. Они могут несколько
перекрываться или соприкасаться друг с другом.
Вследствие рефракции изображение каждого
диска будет приплюснутым (рис. 546). Действи¬
тельно, ведь угловой диаметр Солнца составляет
32 минуты; угол рефракции для нижнего края сол¬
нечного диска больше, чем для верхнего. Расчеты
по приведенной выше формуле (32) в случае нор¬
мального состояния атмосферы дают соответст¬
венно значения 35 и 28 минут. Таким образом,
сплющивание составляет целых 7 минут.
Аналогичное явление наблюдается при восходе и
заходе Луны. Рефракционная деформация изобра¬
жения Солнца и Луны, появление "слепого слоя"
между удвоенным изображением Солнца — наибо¬
лее простые следствия искривления световых лучей
в неоднородной атмосфере Земли. С подробным
обсуждением их читатель может ознакомиться по
книге Л.В. и А.Н. Тарасовых "Беседы о преломлении
света", в которой выполнены расчеты угловой ши¬
рины "слепого слоя" и показано, что последний мо¬
жет появляться как над, так и под горизонтом.
Кроме упомянутого выше удвоения изображения
Солнца, возможны более сложные проявления ре¬
фракции. Например, М. Миннарт приводит случай
регистрации двух- и трехкратного изображения
серповидной Луны, а во французском журнале
"Метеорология" в 1953 году была опубликована
статья Ричарда, в которой сообщалось о наблю¬
дении 8-ми изображений Солнца, расположенных в
виде вертикального столбика круглых дисков. Под¬
линное Солнце имело обычную оранжевую окраску,
а 7 изображений оказались синеватыми. Отсутст¬
вие деформации изображений Солнца явилось для
М. Миннарта основанием для отрицания рефракци¬
онной природы умножения солнечных изображе¬
ний. "Объяснения искали в аномальном искривле-
94
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ ІІТИКА

Оптические
атмосфере,
света
нии световых лучей,— пишет М.Миннарт. -Мне та¬
кое объяснение кажется неверным, невозможно
представить себе, как форма изображений оста¬
ется неискаженной?". И все же другой причины,
как бы мы этого ни хотели, найти невозможно.
Появление ложных солнц можно объяснить следу¬
ющим образом. При наличии слоистого распреде¬
ления температуры и давления возникают гради¬
енты показателей преломления воздуха по высоте.
На рис. 55 качественно это изменение описывает¬
ся волнистой вертикальной линией. Стрелками по¬
казано изменение температуры и давления с высо¬
той. В представленном на рис. 55 случае, начиная
от поверхности Земли, температура сначала пада¬
ет (плотность воздуха увеличивается), затем воз¬
растает (плотность воздуха уменьшается), а даль¬
ше такие изменения температуры и давления по¬
вторяются.
Солнечные лучи искривляются к областям более вы¬
сокого давления, где больше показатель преломле¬
ния. Глаз видит изображение источника, посылаю¬
щего свои лучи, на продолжении касательной к лучу.
К Ричарду можно предъявить иную претензию.
Упомянутые 7 изображений Солнца не могут быть
синеватыми. Наоборот, из-за того, что они появля¬
ются вследствие волноводного эффекта, при кото¬
ром световые лучи проходят более длинные пути,
чем создающие основное изображение, эти 7 изо¬
бражений должны быть более красноватыми, так
как вероятность рассеяния синих лучей при удли¬
нении их пути увеличивается. Может бытъ, синяя
окраска вызвана наличием дыма или мелких вулка¬
нических частиц, тогда Ричард прав.
Оптические явления в атмосфере можно объяснять,
только привлекая для этого саму атмосферу, в ко¬
торой они разыгрываются. Почему бы не допустить
возникновения нескольких волноводных образо¬
ваний не в виде плоскопараллельных слоев, как
это сделано в предыдущем разделе, а виде длин¬
ных цилиндрических потоков уплотненного холод¬
ного воздуха? Конечно, ответить на вопрос, откуда
и по какой причине сформировались такие потоки,
не просто. Но ведь сам Миннарт замечает, что
"Природа всегда богаче в своих возможностях, чем
мы думаем". А если к этому добавитъ еще послед¬
ствия человеческой деятельности, то число таких
возможностей может значительно увеличиться.
95
3 А Н И М A I E 1 Ь Н А Я 0 1 Т И К А

Атмосферная и космическая оптика
Зеленый луч
Довольно редкое явление рефракционной приро¬
ды. Его наблюдают, как правило, при заходе Солн¬
ца, поскольку трудно наперед предсказать, где
точно у линии горизонта оно появится утром.
Лучшие условия для поимки зеленого луча - это
далекая линия горизонта, спокойная атмосфера и
яркое заходящее Солнце. В хорошую погоду при
штилевом море М. Миннарт видел зеленый луч бо¬
лее десяти раз, путешествуя от острова Явы до
Голландии.
Желающий поохотиться за этим лучом может
обойтись и более простыми условиями. Жителям
гор вместо горизонта послужит горный хребет и
даже край скалы, а край плотной тучи выполнит ту
же роль в любой местности. Важно, чтобы препят¬
ствия, за которые прячется Солнце, не возвыша¬
лись над горизонтом более, чем на 3°. Иначе раз¬
ница в углах рефракции лучей видимого спектра
будет недостаточной для необходимого разделе¬
ния в вертикальной плоскости всех цветов радуги.
Проще всего объясняется рассматриваемое явле¬
ние представлением участка атмосферы Земли,
заключенного между наблюдателем и линией гори¬
зонта, в виде призмы с криволинейными гранями
(рис. 56). Наименьшее преломление испытывает
красный луч, наибольшее - фиолетовый. Глаз же
всегда видит источник излучения на продолжении
луча, испытавшего последнее преломление, точнее
в направлении касательной к лучу в точке вхожде¬
ния в зрачок глаза. В итоге самый верхний луч бу¬
дет фиолетовым, самый нижний - красным. Ис¬
чезать из поля зрения наблюдателя они будут в
обратной последовательности: сначала красный,
потом оранжевый, желтый и, наконец, зеленый.
Как всегда бывает в жизни, все интересное и при¬
носящее удовольствие, как правило, непродолжи¬
тельно. Это относится и к наблюдению зеленого
луча. В обычных условиях его можно видеть в те¬
чение всего нескольких секунд. Легко представить
себе разочарование человека, которому впервые
удалось поймать зеленый луч и тут же потерять
его. Но желание еще и еще раз увидеть побуждает
его искать новые возможности, позволяющие уве¬
личить продолжительность приятного созерцания.
М. Миннарт решил эту проблему следующим про¬
стым способом. Во время захода Солнца он взбе¬
гал по склону плотины высотой 6 м. В зависимости
от скорости бега наблюдалось изменение окраски
последнего луча (он становился то голубее, то бе¬
лее), а зеленый луч можно было видеть на протя¬
жении 20 секунд.
Наиболее благоприятные условия наблюдения воз¬
никают на больших географических широтах при
смене полярного дня и ночи, когда Солнце движет¬
ся вдоль линии горизонта. Кажется, вот-вот зайдет,
а не заходит, или вот-вот выйдет, а его все нет. И в
Рис. 56
Наблюдение
зеленого луча
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ ОПТИКА

Оптические явления в атмосфере, вызванные рефракцией света
том и в другом случае положение солнечного диска
продолжительное время отвечает наиболее опти¬
мальным условиям наблюдений. Именно в такое
время года была предпринята экспедиция Бэрда на
Южный полюс и ее участникам посчастливилось
любоваться зеленым лучом в течение 35 минут!
В научной литературе описаны более редкие
случаи наблюдения зеленого луча от Луны, Ве¬
неры и Юпитера. В 1951 году Саврухин сообщал
в Астрономическом циркуляре, что в определен¬
ный период он почти ежедневно наблюдал этот
луч от заходящей за горный хребет Венеры. Этот
хребет находился от него на расстоянии 50 км в
Рефракция и линия гпризпніиа
Четкая линия горизонта лучше всего видна в ши¬
рокой степи и в открытом море, особенно если
оно спокойно. Только на морских просторах легко
убедиться, что земной шар - это действительно
шар, а не плоскость, покоящихся на трех слонах.
В старых популярных книжках можно было
встретить серию картинок, иллюстрирующих ис¬
4-х градусах над горизонтом.
Ограниченные возможности наблюдения оптичес¬
ких явлений в атмосфере Земли связаны с движе¬
нием небесных тел. Остановить их мы не в состоя¬
нии. Однако в состоянии заменить Солнце, напри¬
мер, мощной электролампой, установив ее в под¬
ходящем для эксперимента месте. А еще лучше
воспользоваться маяком у морского порта. Ко¬
нечно, лампа маяка излучает многократно слабее
световой поток по сравнению с солнечным, зато
она неподвижна. Именно такой способ продолжи¬
тельного наблюдения зеленого луча использовали
некоторые любители путешествий •
кривление земной поверхности. На первой из
них были изображены верхушки мачт парусника,
появившихся на линии горизонта. На следующей
- из-за горизонта вылезли верхние паруса, на
третьей картинке к ним добавились средние, по¬
том самые нижние и, наконец, показался весь
парусник.
На рис. 57 показано, как воспринимается линия
горизонта при обычных условиях, когда у поверх-

Атмосферная о космическая оптика
ности земли воздух наиболее плотный. Тогда
вследствие рефракции световые луни будут ис¬
кривляться в направлении к земной поверхности, и
находящийся в точке В наблюдатель может видеть
предмет в точке N. Если бы плотность атмосферы
не менялась с высотой и рефракция отсутствовала,
наиболее удаленной точкой, наблюдаемой из точки
В, была бы точка L, как и все прочие точки, распо¬
ложенные по окружности сечения KL, которую на¬
зывают геодезическим или геометрическим гори¬
зонтом.
Горизонт ММназывают видимым. Он расположен
дальше геодезического. Чем быстрее уменьшается
атмосферное давление с высотой, тем больше уд¬
линяется отрезок LN, тем дальше отодвигается ли¬
ния горизонта.
Можно представить себе и прямо противополож¬
ный случай, когда вследствие рефракции линия
горизонта не удаляется, а приближается к наблю¬
дателю. Для этого необходимо, чтобы плотность
воздуха у поверхности Земли была меньше, чем в
достаточно толстом слое на некотором расстоя¬
нии от нее.
Такое может случиться, когда температура возду¬
ха у земной поверхности гораздо выше, чем на
расстоянии нескольких десятков или сотен мет¬
ров от нее. Иначе нарушить распределение атмо¬
сферного давления с высотой, соответствующее
барометрической формуле, не представляется
возможным.
Может возникнуть вопрос о расстоянии до линии
горизонта для человека среднего роста при обыч¬
ном изменении концентрации молекул атмосфер¬
ных газов с высотой, когда с увеличением по¬
следней их концентрация уменьшается по экспо¬
ненциальному закону. Оказывается, это расстоя¬
ние не так уж велико, всего лишь 5 км. Тот же че¬
ловек на Луне увидит горизонт на расстоянии 3,3
км. Чем больше радиус планеты, тем меньше ис¬
кривление ее поверхности, тем дальше линия го¬
ризонта. Так, на Сатурне, средний радиус которо¬
го 58000 км, линия горизонта отодвигается на
расстояние 14,4 км.
Эти цифры отражают реальную действительность
только при идеальной сферической поверхности
планеты, чего на самом деле нет.
Рассмотренные выше примеры рефракции сол¬
нечных лучей в атмосфере Земли, а также по¬
следующие примеры верхних и нижних мира¬
жей, наблюдается ли явление над поверхнос¬
тью Земли или над акваторией моря, объясня¬
ются исключительно постепенным искривлени¬
ем лучей в слоях воздуха различной плотности.
Возможны три случая распределения плотности
атмосферы, а значит, и показателя прелом¬
ления, с высотой над земной поверхностью: он
уменьшается, возрастает или остается посто¬
янным при удалении от поверхности Земли.
Третий случай требует такого градиента темпе¬
ратуры с высотой, который бы приводил к уве¬
личению плотности атмосферы, полностью
компенсирующему ее падение, вытекающее из
барометрической формулы. Тогда никакого ис¬
кривления световые лучи не испытывают, на¬
блюдаемый и геодезический горизонт будут
совпадать. В двух первых случаях неизбежно
проявится влияние рефракции. В первом она
приведет к расширению, а во втором — к суже¬
нию горизонта.
При хорошей прозрачности атмосферы, когда
отсутствуют туман и дымка, реализуется первый
случай изменения плотности атмосферы с высо¬
той, видимый горизонт может удалиться более,
чем в десять раз. Например, Миннарт описывает
случай, когда через пролив Ла-Манш было четко
видно все французское побережье напротив анг¬
лийского города Гастингса (расстояние более 75 км),
хотя в обычные дни его невозможно наблюдать
даже с помощью хорошего бинокля. С.В. Зве¬
рева приводит пример, когда с канадского бере¬
га через пролив Смита в подходящих метеороло¬
гических условиях хорошо виден берег Грен¬
ландии, находящийся на расстоянии около 70
км, в то время как геодезическая дальность го¬
ризонта даже с учетом высоты зданий не превы¬
шает 20 км.
ЗАІИМАТЕЯЬІДЯ ОПТИКА

Оптические явления в атмосфере, вызванные рефракцией света
Нижние миражи
Начнем наш рассказ о воздушных призраках инте¬
ресными примерами из книги В. Мезенцева.
"Древнегреческий историк Диодор Сицилийский,
живший около 2000 лет до нашего времени, в
одном из своих сочинений рассказывает о таком
чудесном явлении, которое часто наблюдается в
Африке".
"В некоторое время года, особенно при полном от¬
сутствии ветра, в воздухе показываются изображе¬
ния различных зверей, неподвижных и движущих¬
ся. Эти звери то как будто бегут от зрителя, то са¬
ми его преследуют. Когда они настигают человека,
то окружают его тело как бы холодным туманом.
Путешественники пугаются этого явления, а мест¬
ные жители не обращают на него внимания."
И еще из воспоминаний писателя, известного пев¬
ца природы М. Пришвина.
"Солнце согрело эту старую, зябкую по ночам зем¬
лю и теперь повсюду полетели миражи. Телеграф¬
ные столбы почтового тракта ушли от нас, колыха¬
ясь, как караван верблюдов... Наша кочевая доро¬
га вьется двумя колеями, поросшими зеленой при¬
дорожной травой, вперед и назад одинаково, слов¬
но это две змеи вьются по сухому желтому морю.
Озеро - одно из тех обманчивых озер пустыни, -
блестит, как настоящее озеро. С воды поднимает¬
ся птица и летит нам навстречу, размахивая двумя
большими крыльями. И вдруг, будто сдунуло. Ни
озера, ни птицы, ни верблюда - все будто рукой
сняло".
Кто побывал в Алжире, мог посетить ущелье ви¬
дений и увидеть свое собственное миражное
изображение. Знакомство с ним происходит по
следующему сценарию. "Однажды я остановился
у входа в ущелье, - рассказывает человек, побы¬
вавший там, - и сел на камень отдохнуть. Вдруг
внизу, метров за 50 от меня, я увидел человека,
тоже сидящего на камне. Когда я поднялся, чело¬
век поднялся также. Когда я пошел к нему — и он
пошел ко мне. Когда он подошел ближе, то я, к
своему несказанному удивлению, узнал в нем са¬
мого себя. Это сходство так испугало меня, что я
протянул руку. Мой двойник сделал то же самое.
Но когда я решил подойти еще ближе, привиде¬
ние исчезло."
ЗАНИМАТЕАЬІАІ
I I I И I А

Атмосферная п космическая оптика
Мираж - слово французского происхождения. Оно
означает отражение, хоть на самом деле никакого
отражения световых лучей не происходит, а проис¬
ходит многократное преломление на предпола¬
гаемых границах раздела соседних слоев атмосфе¬
ры со слабо отличающимися концентрациями мо¬
лекул воздуха, т.е. с очень близкими значениями
показателей преломления.
Миражи бывают нижними и верхними. Первые
возникают в жаркие дни в пустынях или широ¬
кой степи, когда над поверхностью земли обра¬
зуется тонкий слой горячего воздуха. В таких
условиях эквивалентная призма, изображенная
на рис. 52, будет опрокинутой, и световые лучи,
отклоняясь к основанию, должны подниматься
вверх.
Более детально процесс формирования нижнего
миража можно представить себе следующим обра¬
зом. Приземной достаточно толстый воздушный
столб разбивается на ряд примерно равной тол¬
щины слоев, параллельных поверхности Земли.
При спокойной атмосфере можно предположитъ,
что показатель преломления в каждом слое имеет
постоянное значение как по толщине, так и по
всей длине от точки предмета до точки наблюде¬
ния. Пусть предметом служит дерево (рис 58). Тог¬
да некоторый луч, идущий от вершины дерева
вправо вниз, переходя из более плотного слоя в
менее плотный, будет отклоняться от перпендику¬
ляра к границе раздела двух соседних слоев, пока
не окажется параллельным поверхности Земли.
Затем в самом нижнем слое он отклонится уже в
сторону перпендикуляра и, проходя все последую¬
щие границы, попадет, наконец, в глаз наблюдате¬
ля. Конечно, далеко не все лучи, покидающие вер¬
шину дерева в направлении вниз и вправо, достиг¬
нут глаза. Атмосфера не стоит на месте. Она все
время "дышит", ее параметры непрерывно меня¬
ются, поэтому представленный на рис. 58 путь лу¬
ча не является единственно возможным из попада¬
ющих в глаз наблюдателя лучей. В каждое новое
мгновение в глаз приходит новый луч, касательная
к направлению которого в области зрачка указыва¬
ет направление изображения вершины дерева.
Такое построение остается в силе для любой точки
дерева. Наблюдатель увидит его перевернутое
изображение, основание которого совпадает с ос¬
нованием подлинного дерева.
Картина нижнего миража по своей сути ничем не
отличается от перевернутого изображения деревьев
или строений на берегу озера. Отражательная по¬
верхность воды выполняет роль зеркала. Поэтому
некоторые метеорологи возникновение нижнего ми¬
ража объясняют отражением лучей от самого ниж¬
него нагретого слоя воздуха, хотя на самом деле
здесь происходит преломление (а еще лучше — ис¬
кривление) лучей вследствие явления рефракции.
Даже в спокойные дни, из-за неоднородности ат¬
мосферы по вертикали, наличия температурного
градиента происходит непрерывное перемешива¬
ние теплых и холодных слоев воздуха. Оно приво¬
дит к размазыванию миражного изображения, его
дрожанию и даже полному исчезновению.
Читателю, вероятно, приходилось встречаться с
описанием миражей в трудах путешественников
или художественных произведениях различных ав¬
торов. Ну кто из нас не знает, как тяжел путь поко¬
рителя пустыни, какой ценой приходится платить
за воду, с какой нечеловеческой терпимостью ка¬
раван из последних сил преодолевает сыпучие
раскаленные пески, стремясь к ближайшему ис¬
точнику. И вдруг на горизонте появляется оазис.
Роскошные пальмы окружают небольшое озеро,
над которым кружится стая птиц. И люди, и гру¬
женные верблюды ускоряют шаг. Они уже чувству¬
ют прохладу оазиса. Но, увы, все это также вне¬
запно исчезло, как и появилось. Никакого оазиса
нет. Всего-навсего мираж. Каравану приходится
пережить очередную горькую шутку природы.
Сколько костей валялось в старину в песках пус¬
тынь на караванных путях. Там не нужны были до¬
рожные указатели. Держись разбросанных скеле¬
тов, и, может быть, достигнешь своей цели.
Современному человеку не нужны пустыня Сахара
или украинская степь, чтобы познакомиться с мира¬
жем. Ну не таким красивым и обширным, как обеща¬
ет показать степь или пустыня, но все же с миражем.
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ ОПТИКА

Оптические
атмосфере,
света
В жаркий летний день, отправляясь на дачу, сидя
за рулем, вы можете наблюдать на разогретом ас¬
фальте появление подобия небольших "луж". Если
впереди в том же направлении движется другая
машина, а "лужа" находится сзади нее, вы можете
наблюдать перевернутое изображение этой маши-
Верхміе миражи
Нижние миражи возникают преимущественно над
нагретой поверхностью земли, но могут появлять¬
ся и над снежным покрытием. В частности, их на¬
блюдают даже а Антарктиде, когда температура
снежного покрова оказывается несколько выше ни¬
жайшего воздушного слоя и показатель преломле¬
ния воздуха увеличивается с высотой. Происходит
это летом в солнечные дни около полудня, когда
формируются наиболее подходящие условия на¬
блюдений.
Верхние миражи наблюдаются преимущественно
над морями и океанами, где плотность воздуха, а
значит, и показатель преломления, чаще всего бы¬
стро убывают с удалением от поверхности воды.
Название "верхний мираж" означает, что изобра¬
жение располагается над предметом. Оно может
быть прямым или перевернутым, а также состоять
из нескольких изображений, находящихся на раз¬
личных высотах в поле зрения.
На рис. 59 приведен пример верхнего миража, а
на рис. 60 - схема лучей и касательных к ним, оп¬
ределяющих положение трех верхних миражей, -
двух прямых и одного перевернутого (условно они
изображены стрелками различных цветов). Для их
построения от основания и вершины предмета
(стрелка ab) выходят по три луча различной кри¬
визны. Два самых нижних луча искривлены мень¬
ше всего. Касательные к ним дают направление на
основание (точка а') и вершину (точка Ь') первого
прямого изображения а'Ь'. Следующая пара лучей
большей кривизны от основания и вершины
стрелки ab пересекаются на пути от предмета к
глазу наблюдателя. Поэтому касательные к ним
расположены в обратном порядке и дают направ-
ны в "луже"-зеркале. Это подлинный пример ниж¬
него миража, а зеркальная "лужа" — ничто иное,
как рефракционное изображение полоски неба, не¬
посредственно примыкающей к линии горизонта.
Нижние миражи наблюдаются в любых географи¬
ческих широтах и в любое время года •
ление на перевернутое изображение Ь"а". Третья
пара имеет наибольшую кривизну. Изображение,
соответствующее ей, как и первое, получается
прямым.
Во всех рассмотренных случаях, поворот луча
вниз или вверх, после того как он поднимался или
опускался, отвечает условию, когда в формуле
(33) sinp = 1.
Миражные изображения могут иметь размеры, от¬
личающиеся от размеров подлинных объектов.
Именно такой случай показан на рис. 59.
Реализацию графического построения на рис. 60
для случая двух миражей можно представить в виде
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ Н П Т И К А

Атмосферная п космическая оптика
Рис. 60
Три верхних миража,
из которых один
перевернутый
одного прямого и одного перевернутого изображе¬
ния парусника (рис. 61). Кому-то наверняка удава¬
лось ведетъ нечто подобное. Ну, пустъ не парусник,
а современное судно или один из многочисленных
айсбергов в южных широтах. Правда, мальчик, сто¬
ящий на морском берегу, не может видеть пред¬
ставленной на рис. 61 картины. Уж больно близко
он находится к миражным изображениям.
Рисунки 58 и 59 отражают случаи, когда наблюда¬
тель видит как сам предмет, так и его изображе¬
ния. Они хоть и интересны, но не вызывают таких
неописуемых эмоций, когда предмет где-то пря¬
чется далеко за горизонтом, а видно только изоб¬
ражение.
Как правило, подобная ситуация возникает внезап¬
но, поражая человека появившейся невесть откуда
сказочной картиной. Одному из авторов настоящей
книги впервые посчастливилось наблюдать верх¬
ний мираж в августе 1964 года у побережья Чер¬
ного моря недалеко от украинско-модцавской гра¬
ницы. За селом широко раскинулось колхозное по¬
ле, на котором недавно убрали пшеницу. Далеко у
горизонта просматривалась деревня. Как-то утром,
выйдя на очередную зарядку, ваш покорный слуга
был поражен удивительной сменой декораций.
Там, где каждый день появлялась привычная мир¬
ная картина, лежала широкая асфальтовая дорога
с вереницей едущих в обе стороны машин и боль¬
шими незнакомыми деревьями на обочине. Оказа¬
лось, что для местных жителей частые миражи де¬
ло привычное.
С.В. Зверева приводит очень интересные примеры
миражей, которые стали достоянием ряда художе¬
ственных произведений, воспоминаний очевидцев
и рождения красочных легенд.
Многие, по-видимому, читали фантастический ро¬
ман известного ученого-геолога и географа В.А. Об¬
ручева "Земля Санникова". Сценарием для написа¬
ния его послужили многочисленные рассказы
членов различных экспедиций, пытавшихся обнару¬
жить неведомую дотоле землю. Первым же было
сообщение полярного охотника за пушным зверем
Якова Санникова, отправившегося в 1811 году на
собачьей упряжке к группе Новосибирских остро¬
вов. Находясь на северной окраине острова Ко¬
тельного, Санников уведел неизвестный ранее ост¬
ров. Широкие полыньи помешали ему достичь ост¬
рова, но о своем открытии он сообщил царскому
правительству. Неизвестно, предпринимало ли оно
какие-нибудь шаги по обнаружению острова или
нет, во всяком случае, лишь через 75 лет полярный
исследователь Э.В.Толь, предприняв экспедицию
на Новосибирские острова, также "обнаружил" ост¬
ров Санникова и даже нанес его на карту.
ЗАВММДТЕЯЬІДЯ ОПТИКА

Оптические явления в атмосфере, вызванные рефракцией света
Э.Толь загорелся идеей достичь еще никем не об¬
следованного острова и с этой целью предпринял
три экспедиции в район предполагаемой земли.
Последняя на шхуне "Заря" состоялась в 1900—
1902 гг. и закончилась гибелью судна и всего эки¬
пажа. Отдав 16 лет активной жизни и саму жизнь,
Э.Толь так и не открыл легендарной земли. После
него больше ее никто не видел. По-видимому, это
был мираж, возникающий в исключительных усло¬
виях, причем в определенное время года. Не ис¬
ключено также появление огромного айсберга, яв¬
ление достаточно редкое для арктического пояса.
Кроме Земли Санникова, были и другие ложные
земли. Например, "увиденная" в 1707 году Земля
Джиллеса или Земля Андреева, которую он "обна¬
ружил" в 1764 году.
После сообщения о подобного рода открытиях, как
правило, предпринимались поисковые экспедиции,
но все они заканчивались безрезультатно, хотя ве¬
ра в существование названных земель не оставля¬
ла людей более 100 лет.
И все же можно привести еще один случай, когда
наблюдение миража способствовало обнаруже¬
нию нового континента. Речь идет о наблюдении
выдающимся полярным исследователем Робер¬
том Скоттом горного массива в Антарктиде. Со¬
общение об этом мираже послужило отправной
точкой для открытия Р. Амундсеном горной цепи
именно в том направлении, которое указал в
1902 г. Р. Скотт.
Среди красивых морских легенд, появившихся в
эпоху великих географических открытий, пожалуй,
наиболее известной была легенда о "Летучем гол¬
ландце" - морском паруснике, внезапно появляв¬
шемся в различных уголках необъятных морских
просторов Земли. Через два столетия, а именно -
в XVII веке, она была перенесена на конкретных
лиц - капитанов различных кораблей, ставших до¬
бычей морской пучины. Естественно, прежде все¬
го это были голландцы Ван Стратен и Ван дер Де-
кен. Если в XV веке "Летучий голландец" должен
был скитаться по морям и океанам из-за брошен¬
ного морским бурям вызова и беспримерной хра¬
брости капитана, то через 200 лет народная молва
изменила мнение. Оказывается он, подобно Фаус¬
ту Гете, был наказан за безбожие.
Человечество не оставило "Летучего голландца”
без внимания даже через 400 лет после первых
рассказов о призрачном паруснике и его капита¬
не. В XIX веке он появился в сочинениях таких из¬
вестных писателей, как В. Скотт, Г. Гейне, В. Гау¬
эр, а в 1841 году Р. Вагнер создал одноименную
оперу, которую с упоением слушают и наши совре¬
менники.
Рассказывают, что в первой половине XX века в са¬
мом деле произошла встреча с "Летучим голланд¬
цем". Современный пароход, заполненный пасса¬
жирами из Старого и Нового Света, совершал
очередной рейс из Европы в Америку. Ддруг, отку¬
да ни возьмись, навстречу пароходу с распущен¬
ными парусами стремительно летел неизвестный
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ ОПТИКА

Атмосферная о космическая оптика
парусник. Во избежание столкновения капитан па¬
рохода отдал команду изменить курс. Едва не за¬
дев бортом судно, парусник проскользнул мимо.
Пассажиры первого успели заметить на палубе па¬
русника мечущихся людей в костюмах XVII века.
Они размахивали руками и что-то кричали. Види¬
мо, это была не единственная встреча в открытом
океане современных судов с памятником далекого
прошлого. Правда, для того, чтобы подобный слу¬
чай стал достоянием вездесущих журналистов, до¬
статочно и одной встречи.
В ярчайших красках с различного рода домысла¬
ми она была описана во многих английских и
американских газетах. Безусловно, речь шла о
"привидении". Разгадка "привидения" открылась
через пару дней.
Фата Моргана
Разнообразие погодных условий способствует воз¬
никновению очень сложных миражей, напоминаю¬
щих сказочные города с удивительными дворцами
и храмами, подчас многократно увеличенными
деревьями и жилыми зданиями, не остающимися
неподвижными, а непрерывно дрожащими, меняю¬
щими свое положение и форму, то появляющими¬
ся, то исчезающими.
Эти интересные видения возникают обычно при
наличии условий, способствующих появлению в
одно и то же время верхних и нижних миражей.
Например, над теплой водой на определенной
высоте формируется холодный слой воздуха, а
выше него снова теплый слой, причем границы
раздела между слоями более плотного и менее
плотного воздуха достаточно резкие и в то же
время непрерывно подвергаются внезапным из¬
менениям. Неустойчивость состояния атмосфе¬
ры как раз и является причиной быстрой смены
декораций, вплоть до внезапного исчезновения
сложного миража, получившего название «Фата
Моргана».
Оказалось, что описанная встреча на самом деле
состоялась. Парусник был подлинным и предназ¬
начался для фильма о «Л.Г». Его построила одна
из кинофирм для съемок. Вышло так, что во время
съемок в океане разыгралась буря и актеры, пре¬
вратившиеся на некоторое время в матросов, ока¬
зались не в состоянии обуздать трудноуправляе¬
мое судно. Настоящих матросов было всего не¬
сколько, да и то весьма солидного возраста. Посу-
ществу, они могли выступать лишь в роли консуль¬
тантов, а не манипулировать с парусами. В итоге
"Летучий голландец" XX века несколько дней под¬
вергался испытаниям морской стихии, пока с его
борта не были сняты артисты и постановщики
фильма, а парусник отбуксирован в ближайший
порт*
Первая часть этого названия обозначает фею, имя
которой Моргана. Ее образ возник в средние века
и является достоянием кельтской мифологии. В XII
в. Гольфрид Монмутский изобразил Моргану в
произведении "Жизнь Мерлина" в качестве глав¬
ной из девяти сестер, управляющих принадлежа¬
щим им "Яблоневым островом". У Гольфрида Мон¬
мутского фея Моргана рождена морем, т.е. имя ее
связано с культом воды. В легендах, бытовавших в
Бретани, этим именем называли чудесных морских
дев. Отсюда повествования о них распространились
до Сицилии, а миражи, наблюдавшиеся в XIX в.
в Мессинском проливе, получили название Фата
Моргана.
Понятие Фата Моргана, как и легенда о "Летучем
голландце", не оставило без внимания деятелей
литературы и искусства. Известный украинский
писатель Михайло Коцюбинский под таким назва¬
нием написал в начале XX века роман, в котором
отразил события 1905 года в селе, а художник
Архип Куинджи создал в прошлом веке картину
"Фата Моргана близ Орезинда перед шведским
берегом", хранящуюся в Русском музее г. Санкт-
Петербурга
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ О П Т И К А

Оптические явления в атмосфере, вызванные рефракцией света
Солнце и Луна у горизонта
Еще древние хорошо знали, что у горизонта диски
Солнца и Луны кажутся больших размеров, чем в
зените или в наиболее высоком их положении для
данной поры года и географической широты. Тем
удивительнее мнение древнегреческого философа
Эпикура и его римского последователя Лукреция
Кара вообще относительно действительных разме¬
ров Солнца и Луны. Так, Лукреций Кар пишет: «Что
касается величины Солнца и других светил, то с
точки зрения познания нашего она такова, как ка¬
жется». Где же доказательства справедливости та¬
кого утверждения? А вот они: «Круг Солнца не бо¬
лее и жар его не менее того, как представляется
нашим чувствам. Ибо огни из какого угодно рас¬
стояния привлекают зрение и посылают теплое
дыхание нашим членам, причем исходящее не ут¬
рачивается на продолжительном пространстве и
видимость огня не сокращается».
Трудно объяснить такое отступление от истины вы¬
дающихся ученых древности, считавших, что зри¬
тельное впечатление производит отделившаяся от
поверхности Солнца тонкая пленка, которая имеет
ту же величину, что и Солнце, и на пути к земному
наблюдателю не претерпевает никаких изменений.
Но ведь каждому человеку известно из повседнев¬
ного опыта, что наблюдаемые предметы кажутся
меньше с увеличением расстояния до них.
Нам представляется, что упомянутые ученые не
могли не замечать кажущееся увеличение солнеч¬
ного диска при заходе или восходе. Но, придержи¬
ваясь мнения о неизменных размерах отделившей¬
ся от светила пленки на протяжении всего пути к
земной поверхности, этот вопрос они обошли мол¬
чанием.
Рассматриваемый эффект является чисто психоло¬
гическим. Находясь в открытой местности, где ли¬
ния горизонта отодвинута так далеко, что отдельные
деревья или строения становятся неразличимыми,
мы констатируем приплюснутость небесного свода.
Голубая «крыша» над головой кажется нам ближе,
чем ее «ободок» на горизонте. Эффект усиливается,
если небо покрыто облаками: над головой до них
рукой подать, мы хорошо видим их очертания, а у
линии горизонта они сливаются в сплошную серую
массу, детали которой неразличимы.
Земля обращается вокруг Солнца по эллиптичес¬
кой орбите, которая мало отличается от круговой.
Поэтому в течение дня, - от восхода до захода
Солнца, - его расстояние до Земли можно считать
неизменным, а истинное положение на небесном
своде представить так, как показано на рис. 62
верхней кривой. Где бы Солнце не находилось, на
горизонте или в зените, его угловые размеры оди¬
наковы. Более того, раньше мы видели, что из-за
явления рефракции у горизонта оно может ока¬
заться даже сплюснутым.
Иная ситуация возникает при оценке диаметра
солнечного диска в проекции на видимый небес¬
ный свод, (нижняя кривая), опираясь на истинный

Атмосферная о космическая оптика
Рис. 63
Угол а1, под которым виден диск Луны в зените, больше угла ос,, под которым он виден,
находясь у линии горизонта
угол, под которым мы видим светило в течение
всего дня. Диаметр диска оказывается минималь¬
ным, когда Солнце в зените, и максимальным, ког¬
да оно касается линии горизонта. Такой результат
дает психологический фактор. А как должно быть
на самом деле? А на самом деле, оказывается,
должно быть как раз наоборот. Выясним это, рас¬
сматривая систему Земля — Луна (рис. 63). В одно
и то же время суток земной наблюдатель А видит
ее под углом ос2, а наблюдатель В - под углом аг
Для первого из них Луна на горизонте, для второго
в зените. Поскольку расстояние А01 больше В01
примерно на величину земного радиуса, угол а1
больше угла а2 Значит, размеры светила, находя¬
щегося в зените, должны казаться большими его
размеров у линии горизонта, но, увы, этого не
происходит •
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ 8 I Т И И А

Гало
Если радуга возникает благодаря присутствию в
атмосфере капель воды, то для возникновения
гало необходимо наличие кристалликов льда.
Это не означает, что гало можно наблюдать только
зимой. Оно возникает в любое время года, т.к. в
верхних слоях атмосферы и в летнее время темпе¬
ратура бывает настолько низкой, что пары и капли
воды кристаллизуются в виде снежинок или моно¬
кристалликов пластинчатой и игольчатой форм.
Вообще говоря, для возникновения гало необходимо
наличие перистых или перисто-слоистых облаков.
Именно они состоят из многочисленных кристалли¬
ков. Собственно говоря, каждая снежинка - это со¬
вокупность срощенных мелких монокристаллов.
По некоторым данным, наблюдено свыше 10 тысяч
различных по форме снежинок. Некоторые из них
представлены на рис. 64.
Существует несколько модификаций кристалличес¬
кого льда, однако при обычных условиях, в частно¬
сти при атмосферном давлении, кристаллизация
осуществляется исключительно в гексагональной
$ $ 4? sgs ф ф
ІА! 1&1
Ф ф Ф ф ф
Ф $ ^ Ф ^
А :$с ф )|е ф ф
А-Х-£ШАД
Рис. 64
Некоторые формы снежинок
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ ОПТИКА

Атмосферная о космическая оптика
сингонии, каждый микрокристалл которой пред¬
ставляет собой шестигранную призму. Углы между
соседними гранями такой призмы равны 60°
(рис. 65).
Искусственным путем, увеличив давление до
2000 атмосфер и выше, можно получить еще
5 различных модификаций, а при давлении,
превышающем 40000 атмосфер, 7-ю модифи¬
кацию льда.
Діаднатидвдхграддшш гаи
Начнем наш рассказ о различных типах тало,
встречающихся наиболее часто. К ним относится,
прежде всего, двадцатидвухградусное гало. Это
окрашенный круг (слово "гало" греческого проис¬
хождения и соответствует русскому "круг") вокруг
Солнца, Луны или искусственного источника бело¬
го света. Угловой радиус "гало” 22°.
Солнечное гало с таким радиусом в Санкт-Петер¬
бурге появляется в среднем один раз в три дня, а
в штате Висконсин США - чаще, чем через день.
Все зависит от того, как часто возникают условия
образования перисто-слоистых облаков, напичкан¬
ных микрокристалликами льда.
Как же образуется гало?
При строгом описании явления необходимо учесть
три фактора: отражение солнечных лучей от граней
ледяных микрокристаллов; преломление их на гра¬
нях и дифракцию. Рассматривая радугу, мы огра¬
ничились учетом лишь двух первых. Этого оказа¬
лось достаточно для выяснения всех главных осо¬
бенностей радуги. Поступим аналогичным образом
и в данном случае.
Перед тем, как рассматривать ход лучей в плас¬
тинчатых и игольчатых кристалликах, напомним чи¬
тателю об одном аэродинамическом эффекте.
Каждый человек неоднократно наблюдал, как пада¬
ют на землю листья деревьев или брошенный кем-
то клочок бумаги. Даже если вы преднамеренно
выпустите из руки лист бумаги так, что его плос¬
кость будет параллельна вертикали, он тут же по-
Наиболее простая кристаллическая структура твер¬
дого тела — кубическая. В ней все грани монокри¬
сталла взаимно перпендикулярны. В кубической
решетке вода кристаллизуется при температуре,
близкой к -80°С.
К счастью, метеорологов и специалистов по атмо¬
сферной оптике трактовка оптических явлений в ат¬
мосфере Земли существенно упрощается, благодаря
отсутствию смеси различных модификаций льда •
вернется в положение, параллельное поверхности
земли и, переваливаясь с боку на бок, будет мед¬
ленно падать без всякого ускорения с так называе¬
мой установившейся скоростью. Так обычно при¬
земляются парашютисты.
Здесь вовсе нет нарушения закона всемирного тя¬
готения: вносит свои коррективы атмосфера. Ис¬
пытывая аэродинамическое торможение, любое
падающее тело ориентируется в воздушном потоке
так, чтобы сопротивление воздуха было макси¬
мальным.
Но не следует забывать, что мы имеем дело с
мелкими и очень мелкими частицами. На их ори¬
ентации существенно сказывается броуновское
движение. Напомним о нем тем, кто забыл что это
такое. Молекулы атмосферы, даже в полный
штиль, находятся в непрерывном движении. Их
удары испытывает любая аэрозольная частица, в
том числе и микрокристаллы льда. Можно пред¬
ставить себе такой случай, когда давление молекул
атмосферных газов в одном направлении в данный
момент времени значительно превосходит таковое
в противоположном. При очень малой массе час¬
тицы она приобретает импульс в направлении си¬
лы большего давления. И так в каждый новый мо¬
мент времени. Таким образом, очень легкие части¬
цы приобретают хаотическую ориентацию в прост¬
ранстве, в то время как более крупные в большей
степени подвержены аэродинамическому эффекту
и их развитые грани ориентируются в основном
горизонтально.
А теперь рассмотрим судьбу солнечного луча, по¬
павшего на одну из граней ледяного кристалла.
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ ВНТІІА

Рис. 66
Ход луча в шестигранной
призме при выполнении
условия минимального
отклонения от первона¬
чального направления
Для получения необходимой формулы, по которой
можно будет определить основной параметр гало,
т.е. его угловой радиус, сделаем необходимые по¬
строения и вспомним всего навсего одну теорему
планиметрии (рис. 66). Из треугольника KLM име¬
ем: А = а + р, поскольку угол А является внешним
углом данного треугольника, причем не смежным
углам аир. Угол 5 отклонения луча от первона¬
чального направления после выхода из кристалла
является внешним для треугольника KNL. Следова¬
тельно, по той же теореме 5 =со + ср. Но со = у - р;
ср = 5-а, значит
D = y + 5-a-p.	©
sinS . (D + А\
	= sin
sina \	2 )
. А
л sin—,
2
©
где п — показатель преломления льда.
Угол минимального отклонения Dmjn и будет угло¬
вым радиусом рассматриваемого гало. Из рис. 66
водно, что преломляющий угол А = 60°, показатель
преломления льда для фиолетовых лучей 1,317,
для красных -1,037. Зная эти значения, с помо¬
щью соотношения (37) легко определить 0min. Для
фиолетовых лучей этот угол равен 22°22', для
красных - 2Г34'. Различие их объясняет радуж¬
ную окраску гало: ее внешний край имеет фиоле¬
товый опенок, а внутренний - красный.
Минимальное отклонение луча от первоначального
направления будет в том случае, когда угол 5 ока¬
жется таким, что внутри кристалла преломленный
луч идет параллельно грани. На рис. 66 реализо¬
ван именно такой случай. Если это условие выпол¬
нено, справедливы равенства углов: a = Р;
8 = У ,ю = ф Тогда равенство (36) можно перепи¬
сать в виде: D = 28 - 2а. Поскольку из предыду-
A D + А
щего А = а + В = 2а, угол а = — и 8 =	, закон
п	1	2	2
преломления Декарта -Снеллиуса запишется
в виде
Не каждый луч, попадающий на боковую грань, да¬
ет вклад в радужное кольцо гало, а только выходя¬
щие не через соседнюю, а через следующую за
ней грань.
Двигаясь хаотически в снежном облаке, кристалли¬
ки могут занимать самые различные положения.
Именно это позволяет выполнить условие (37) для
некоторых кристалликов, когда прошедшие через
них лучи образуют углы в 22° относительно на¬
правления на Солнце.
3 А Н И М А Т Е П I. Н А Я ОПТИКА

Атмосферная и космическая оптика
Ничего таинственного в последней цифре нет. Она
полностью определяется значением показателя
преломления леда. Солнечный луч, попавший на
одну из граней кристаллика, в результате прелом¬
ления на границе раздела воздухлед, отклоняется
от первоначального направления на угол 11 °. Такое
же отклонение он испытывает на второй границе
раздела при выходе из кристалла. Следовательно,
суммарное отклонение составляет 22°.
При вращении кристаллика вокруг оси, перпен¬
дикулярной к плоскости страницы, угол падения
будет меняться, а вместе с ним и угол отклоне¬
ния 5. Но в интервале нескольких градусов из¬
менения 5 луч, вышедший через боковую грань,
еще может попасть в глаз наблюдателя. Таким
образом, каждый кристаллик, удовлетворяющий
описанным выше условиям, участвует в игре
гало некоторое конечное, хоть и очень малое
время.
На рис. 66 представлен случай, когда ось кристал¬
лика горизонтальна. Это не единственное положе¬
ние, приводящее к возникновению ложных источ¬
ников света, в частности, изображения Солнца.
Упомянутая ось может занимать множество других
ориентации, как и грань, на которую падает луч.
Значительная их часть удовлетворяет необходи¬
мым условиям для получения изображения в дру¬
гом месте на угловом расстоянии 22° от источника
излучения. В итоге получается целый набор изоб¬
ражений, частично перекрывающихся друг с дру¬
гом и образующих светлый круг вокруг светила с
видимым диаметром 44° (рис. 67).
Мы уже говорили об окраске внешнего и внутрен¬
него края гало. Она противоположна распределе¬
нию цветов у радуги 1-го поредка, хотя капля во¬
ды, как и кристаллик, играет роль призмы, только
с криволинейными, а не плоскими гранями. Дело в
том, что солнечный луч, попадая на кристаллик,
испытывает два преломления на его гранях, в то
время как в капле, кроме двух преломлений, луч
претерпевает одно полное внутреннее отражение.
Оно-то и "переворачивает" картину, возникающую
при прохождении луча через каплю.
Свет двадцатедвухградусного гало поляризован, но
не так заметно, как у радуги •
46-градусное гало
Объяснение двадцатидвухградусного гало дал Ма¬
рион. Объяснение большого 46-градусного гало
дал Кавендиш. Оно мало чем отличается от приве¬
денного выше для гало малого диаметра. В дан¬
ном случае лучи падают на одну из шести боковых
граней кристаллика и выходят через основание
или наоборот. Здесь преломляющий угол уже не
60°, а 90°. Расчеты углов наименьшего отклонения
для красных лучей дают значение 45°44', а для фи¬
олетовых 48°08'.

Гало
Для хаотического распределения осей кристаллов
получается круг вокруг источника излучения со
средним угловым радиусом 46°. Чередование цветов
большого гало такое же, как и для малого. Яркость
его существенно ниже, поэтому оно наблюдается
сравнительно редко. Нетрудно сообразитъ, что один
и тот же тип кристалликов дают оба веда гало.
Снижение яркости большого объясняется большим
отношением линейных размеров длины столбиков
к таковым основания. Поэтому гораздо чаще реа¬
лизуется действие шестедесятиградусной призмы
по сравнению с 90-градусной, когда луч должен
попасть на основание кристаллика и выйти через
боковую грань, или наоборот.
Возникает вопрос, почему радуга радует наш глаз
полным набором основных цветов ведимого спект¬
ра, а гало нет? Объясняется это значительными уг¬
ловыми размерами солнечного диска (32'), вслед¬
ствие чего каждой его точке отвечает “свое" гало.
Перекрываясь взаимно, они приобретают смешан¬
ную окраску, т.е. белый цвет, за исключением
наиболее крайних элементов круга, внешних и вну¬
тренних, лучи от которых избежали смешивания.
Им попросту не с чем смешиваться.
Ложные Солнца
Представьте себе, что все ледяные шестигранные
микростолбики расположены строго горизонталь¬
но и Солнце находится у линии горизонта. Тогда
каждый кристаллик будет работать как обычная
трехгранная призма с преломляющим углом 60°,
разворачивая вышедший из нее луч в спектр. Из
сказанного раньше видно, что наибольшее откло¬
нение получит фиолетовый луч (22°22') и наи¬
меньшее -красный (21 °34'). Все остальные лучи
видимого спектра займут промежуточное положе¬
ние. Чередование цветов для глаза наблюдателя
в изображении ложного Солнца будет обратным.
Если оно выше истинного, его нижний край будет
красным, а верхний - фиолетовым, если ниже,
получим обратное расположение цветов. По при¬
Конечные угловые размеры Солнца приводят и к
смешиванию цветов радуги, но далеко не такому
сильному, как в случае гало. Следовательно, этот
фактор не играет решающей роли. Главной причи¬
ной практически полного отсутствия окраски гало
является неедеальность граней и оснований мик¬
рокристаллов льда. На них возможно образование
незначительных наростов или бороздок, нарушаю¬
щих наиболее подходящие условия для возникно¬
вения цветных гало, подобно радуге. Капли воды
не обладают такими недостатками формы, как кри-
сталики льда.
Познакомив читателя с большим и малым гало,
заметим, что эти явления, как и описанные ниже,
наблюдаются только в перисто-слоистых облаках
не очень большой, но и не малой плотности. Они
наиболее часто возникают весной и летом. Поста¬
райтесь в это время быть более внимательными,
предпринимайте к тому же определенные шаги в
этом направлении и вы обязательно познакоми¬
тесь с большим и малым кольцами вокруг Солнца
и Луны, когда они находятся невысоко над го¬
ризонтом, по крайней мере, не выше 30°. Вокруг
Луны гало наблюдаются даже чаще, чем вокруг
Солнца
чине конечности угловых размеров Солнца и на¬
личия дефектов на гранях кристалликов, внутрен¬
няя часть каждого ложного Солнца окажется не ок¬
рашенной. Схематически образование ложных
солнц, симметрично относительно подлинного,
показано на рис. 68.
В образовании ложных солнц принимают участие
также лучи, не полностью удовлетворяющие Dmin.
Небольшое нарушение его не страшно, тем более,
что поток солнечных лучей, падающих на кристал¬
лик, не является строго параллельным.
Пусть теперь шестигранные иголочки льда распо¬
ложены вертикально. Солнце, как и в предыду¬
щем случае, находится на горизонте. Из всех
возможных положений шестигранных монокрис¬
таллов льда вертикальное наименее вероятно,
3 А Н И М А Т Е П b Н А Я ОПТИКА

Атмосферная о космическая оптика
Рис. 68
Образование ложных
солнц по вертикали
хотя, кувыркаясь в облаке, они могут на мгнове¬
ние занять и такое положение. Можно предполо¬
жить также наличие в перистослоистом облаке
необычных по форме образований, например,
зонтикоподобных (рис. 65). Такие кристаллы сво¬
бодно парят в воздухе, почти не меняя верти¬
кальной ориентации.
Разумеется, в образовании боковых ложных солнц
определенную роль играют частицы льда, ось ко¬
торых не строго вертикальна. Полезный для данно¬
го явления луч, войдя через одну из боковых гра¬
ней, попадает на основание кристаллика, отража¬
ется от него и выходит через другую боковую
грань. Понятно, что его путь внутри кристаллика не
Солнечные столбы.
Неокрашенное гало
В рассмотренных выше случаях для объяснения га¬
ло и ложных солнц привлекались лишь лучи, пре¬
терпевавшие два преломления. Благодаря явле¬
нию дисперсии появлялась окраска их внутренних
перпендикулярен к оси, поэтому не будет удовле¬
творятъ углу минимального отклонения. Такие лучи
вместе с падающими на боковые грани строго
вертикально ориентированных, но не удовлетворя¬
ющих условию Dmin, испытывают большие откло¬
нения и образуют хвосты ложных солнц, направ¬
ленные в стороны от реального Солнца. Выпол¬
ненное раньше графическое построение следует
повернуть вокруг горизонтальной оси вправо или
влево на 90°, и мы получим два ложных солнца -
слева и справа от настоящего.
При хаотической ориентации осей кристалликов
возникнут ложные солнца по всем возможным на¬
правлениям, образуя малое гало
и внешних краев. Однако некоторые виды гало
возникают без преломления лучей в кристалликах
льда, следовательно, без влияния дисперсии.
Тогда возникают неокрашенные изображения лож¬
ных солнц и гало.
Допустим в облаке находятся плоские кристаллики
небольшой толщины. Их развитые поверхности ко-
3 А Н И М А Т Е Л Ь I А Я ОПТИКА

Рис. 69
Образование ложных
солнц и солнечных
столбов благодаря
внешнему и внутреннему
отражению солнечных
лучей в кристалликах
льда пластинчатой
формы
леблются относительно горизонтальной плоскости.
Отражаясь от них (рис. 69), лучи дают изображе¬
ния солнечных столбов, расположенных как ниже,
так и выше Солнца.
Аналогичным образом возникают солнечные или
лунные дорожки на водной глади. Из-за того, что
отдельные элементы водной поверхности в одно и
то же мгновение составляют различные углы с го¬
ризонтальной плоскостью, причем эти углы непре¬
рывно меняются.
Миннарт не согласен с таким объяснением возник¬
новения солнечных столбов. Наиболее вероятным
механизмом, на его взгляд, является проникнове¬
ние лучей в ледяные пластинки через боковые гра¬
ни с последующим внутренним отражением и вы¬
ходом через противоположную боковую грань.
Рис. 70
Образование
горизонтального
солнечного столба
и ложных солнц
в результате отражения
солнечных лучей
от оснований
игольчатых
кристалликов
льда
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ Н П Т И К А
113

Атмосферная и космическая оптика
Нельзя отрицать и такую возможность, на рис. 69
она также учтена.
Кристаллики льда свободно парят на воздушной
подушке, колеблясь относительно плоскости гори¬
зонта. В такой ситуации совершенно безразлично,
отразился солнечный луч от верхней или нижней
плоскости кристаллика или проник через боковую
грань внутрь, где претерпел одно отражение и за¬
тем вышел через противоположную грань. Вероят¬
ности обоих процессов почти одинаковы из-за то¬
го, что проекция более развитой поверхности ле¬
дяной пластинки на перпендикулярную к лучу пло¬
скость и проекция боковой грани на ту же плос¬
кость примерно одинаковы. В самом деле, пло¬
щадь боковой грани значительно меньше площади
Комплекс гало,
ложных солнц о дуг
Большинство жителей планеты, безусловно, могли
видеть малое гало, ложные солнца, и другие об¬
разования в атмосфере Земли благодаря отраже¬
нию и преломлению солнечных лучей в микрокри¬
сталликах льда. Но видеть одновременно столько
разнообразных элементов, сколько в 1661 году
наблюдал датский астроном Гевелий, большая
удача. Не иначе, что он специально охотился за
атмосферными диковинками. Зарисовка виденно¬
го Гевелием представлена на рис. 71. С некоторы¬
ми изменениями она вошла в «Атмосферную опти¬
ку» П.И. Броунова.
Кроме большого, малого гало и шести ложных
солнц на рис. 71 изображено еще четыре дуги. Ча¬
ще всего возникают верхняя и нижняя касательные
к двадцатидвухградусному гало. Их появление -
результат вибрации шестигранных ледяных пало¬
чек в горизонтальной плоскости, которые приводят
к размытию ложных солнц в дуги.
Боковые дуги наблюдаются значительно реже, так
как пластинчатые кристаллы и снежинки, образую¬
щие их, изобилуют пустотами и иными дефектами
строения.
основания, но зато она почти перпендикулярна к
падающему лучу.
Пусть теперь солнечные лучи отражают основания
горизонтально расположенных игольчатых крис¬
талликов. На рис. 70 представлено шесть симмет¬
рично расположенных относительно наблюдателя
и Солнца кристалликов одинаковой ориентации.
Отраженные от их оснований лучи дают шесть
ложных изображений Солнца. Наличие огромного
числа таких кристалликов в облаке и широкий на¬
бор углов падения (от 0° до 90°) приведут к обра¬
зованию неокрашенного белого горизонтального
круга, который часто наблюдается в виде отдель¬
ных кусков. Пересекаясь с большим и малым гало,
горизонтальный круг образует кресты •
Очень сложные комплексы оптических явлений
возникают в атмосфере Антарктиды на станциях
"Восток" (3488 м), Амудсен - Скоп (2880 м) и др.
Даже в летнее время температура на них от -25°
до -35°. Большая высота станций над уровнем мо¬
ря способствует возникновению облаков из снеж¬
ной пыли непосредственно у поверхности ледника,
покрывающего горы Антарктиды. Плотность обла¬
ков обычно не бывает высокой, поэтому очень час¬
то появляются цветные и белые гало, ложные
солнца, солнечные столбы, кресты и дуги. На рис.
72 показана заимствованная из книги С. В. Звере¬
вой совокупность гало с ложными солнцами, дуга¬
ми и крестами, наблюдавшимися Н.П. Русиным в
зимний период на станции Пионерская. На самом
верхнем, когда Солнце опустилось к линии гори¬
зонта, кроме отсутствующей нижней части гало, не
оказалось также верхней. Это потому, что снежные
облака Антарктиды часто бывают настолько тонки¬
ми, что для образования верхней части нет доста¬
точно плотной взвеси ледяных кристалликов.
На том же рисунке дважды встречается эллиптиче¬
ское гало, трижды солнечные кресты и 15 раз лож¬
ные Солнца.
Редкий комплекс гало, существенно отличающийся
от наблюдавшегося Гевелием и Н.П. Русиным, был
114
ЗДННМДТЕІЬІДа ОПТИКА

Гало
сфотографирован А. Хоганом на станции Амудсен
- Скотт (рис. 73). Несмотря на изобилие элемен¬
тов, квазиэллиптические гало на нем отсутствуют.
Длинная полярная ночь в Антарктиде позволяет ча¬
сто наблюдать окололунные гало. В отличие от
солнечных, они белые.
Не очень просто разгадать, как и почему возника¬
ют разнообразные формы гало и родственных им
образований. Недаром в различное время даются
различные объяснения явлений атмосферной оп¬
тики. Одни из них выжили, другие не выдержива¬
ют времени.
В восьмидесятых годах текущего столетия появи¬
лись машинные эксперименты, позволившие су¬
щественно продвинуться в направлении интерпре¬
тации наблюдавшихся сложных образований и
предсказания новых явлений.
В 1984 году Ф. Петлюх и Е. Тренкель просчитали
множество различных путей и сотни тысяч свето¬
вых лучей в гексагональных кристаллах льда.
Учитывались только всевозможные отражения,
преломления и различная высота Солнца над го¬
ризонтом. На основании такого машинного экс¬
перимента было показано, что некоторые дуги
возникают благодаря двум и большему числу от¬
ражений внутри кристалликов, главная ось кото¬
рых направлена горизонтально или близко к та¬
кой ориентации.
Для наблюдения гало, ложного солнца или любого
иного явления из рассматриваемого комплекса
необходимо, чтобы оно было достаточно ярким.
Низкий показатель преломления льда (-1,3) обус¬
ловливает и низкий коэффициент отражения. Так,
при нормальном падении светового луча он мень¬
ше 2%, а после второго отражения интенсивность
луча составляет меньше от интенсивности падаю¬
щего на кристалл. Поэтому внутри его углы паде¬
ния должны быть близкими или даже превышать
угол полного отражения. Для льда он равен 52°.
Отсюда наиболее подходящий интервал углов па¬
дения заключен между 48° и 98°. Он довольно ши-
3 А Н И М ATT II Ь Я Л Я ОПТИКА
110

Атмосферная и космическая оптика
Рис. 72
Совокупность гало с
ложными солнцами,
дугами и крестами,
наблюдавшимися
Н.П. Русиным зимой в
Антарктиде на станции
Пионерская.
E
E
B C
-І- Z
G
B
C
Рис. 73
Совокупность гало,
дуг и ложных солнц,
сфотографирована
А. Хоганом в Антарктиде
на станции Амудсен — Скотт:
Z-зенит, S — Солнце,
F — антисолярная точка,
E, H, L — ложные Солнца;
A, B, C, G, I, I', II — дуги
116
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ ОПТИКА

рок и поэтому потери при двух-трех внутренних
отражениях невелики.
Кроме феноменов Гевелия и Хагана, в литерату¬
ре описан наблюдавшийся в 1894 году Петер¬
бургский феномен (рис. 74). Он значительно
отличается от двух предыдущих. Видимо, в
природе возможны сочетания и другого типа.
Только машинный эксперимент в состоянии
смоделировать новые сюрпризы атмосферной
оптики. Кстати говоря, в 1980 г. Р.Г. Гринглер с
сотрудниками смоделировали Петербургский
феномен. Никаких расхождений с зарисовкой
очевидца не произошло. Машинный экспери¬
мент, стало быть, не только предсказывает, но
и проверяет наблюдавшиеся ранее сложные
комплексы гало. Нечего греха таить, ведь каж¬
дый человек не лишен фантазии и может что-то
от себя прибавить, а может и запамятовать от¬
дельные детали.
Огромное разнообразие гало и других оптических
явлений рассмотрено со всеми подробностями в
блестящей книге Р.Г. Гринлера
другие случаи набіидения гало
Попытки обнаружить гало в атмосфере других пла¬
нет солнечной системы предпринимались давно.
Первая осуществлена в 1966 г. Китт-Пикской об¬
серваторией США. Наблюдения Венеры привели к
обнаружению слабых максимумов под углами 153°
и 156°, не позволивших сделать определенных вы¬
водов относительно их природы.
Образование гало и сопровождающих его оптичес¬
ких явлений возможно не только благодаря присут¬
ствию льда. Его появление может быть вызвано
взвешенными в атмосфере планеты или спутника
кристалликами иного химического состава, напри¬
мер, углекислого газа, метана, двуокиси серы и др.
В атмосфере Венеры больше всего углекислого газа
(96,5%). Но и вода там есть. Ее объемное содержа¬
ние составляет 0,2%. Это в два раза больше, чем в
земной атмосфере. Наблюдения за атмосферой Ве¬
неры позволили обнаружитъ гало с радиусом 28°.
Предполагается, что оно вызвано прохождением
солнечных лучей через кристаллики льда кубической
сингонии. Как уже упоминалось, кристаллизация во¬
ды в виде кубической решетки возможна в атмо¬
сферных условиях Земли при температуре -80°С.
Наблюдены гало и в атмосфере спутника Юпите¬
ра Ио. Бурные вулканические процессы, проис¬
ходящие на нем, создают в атмосфере высокую
концентрацию двуокиси серы, кристаллизация
которой дает необходимые центры для возник¬
новения гало.
Гало могут возникать и вокруг искусственных ис¬
точников света, например, уличных фонарей, но
они не так красивы, как солнечные или лунные.
Это объясняется близким расстоянием между ис¬
точником излучения и наблюдателем и связанной с
этим большой расходимостью лучей. В результате
кольцо гало оказывается сильно размытым •

Атмосферная п космическая оптика
Кресты и мечи
В зависимости от погодных условий в перистосло¬
истых облаках одновременно могут возникать ле¬
дяные пластинки и шестигранные столбики. Пер¬
вые образуют световые столбы под и над Солнцем
(рис. 69), вторые - горизонтальную дорожку (рис.
70). Совместное действие пластинок и столбиков
приводит к образованию креста с солнечным
диском в центре (рис. 72, 75).
Вероятно, ни одно из замечательных оптических
явлений в атмосфере не вызвало на протяжении
тысячелетий у людей столько страха и предсказа¬
ний неизбежного кровопролития или других бедст¬
вий (например, многолюдного мора от холеры, чу¬
мы или голода) сколько появление околосолнечно¬
го креста.
Образования, близко напоминающие кресты, воз¬
никают также при пересечении колец с дугами. В
этом случае их части оказываются криволинейны¬
ми (рис. 71,73, 74).
Когда Солнце село на линию горизонта, нижняя
частъ креста становится неводимой, а горизон¬
тальная вместе с верхней вертикальной создают
подобие меча. При таком положении светила до
наблюдателя доходят только красные лучи и меч
кажется окровавленным. Такая картина не меньше
нагоняла страха на людей, чем крест.
Подобные кресту и мечу явления наблюдаются и
от искусственных источников света. Так, В. Гаври¬
лов, автор книги "Световые явления в атмосфере",
дважды (в 1947 и 1950 годах) наблюдал в Санкт-
Петербурге целый род мечеобразных фигур от фо¬
нарей Литейного проспекта. Раскачиваемые вет¬
ром фонари создавали в воздухе два ряда волноо¬
бразно движущихся мечей. Как отмечает автор,
"это на редкость красивое зрелище продолжалось
свыше двух часов".
Тот же автор приводит вццержки из книги астро¬
нома XIX столетия, использовавшего архивные ма¬
териалы и старинные книги, в которых фигурирует
некоторый параллелизм между появляющимися
Рис. 75
Околосолнечный
крест
118
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ Н П Т И К А

небесными явлениями и социальными или эколо¬
гическими бедствиями. Мы думаем, нас не осудит
читатель, если эти забавные предания воспроизве¬
дем в нашей книге.
"В 1156 году по всей Англии наблюдались три
солнца и яркий белый крест. Вскоре после этого
среди кардиналов возникла распря по поводу из¬
брания первосвященника.
В 1469 году в Польше в продолжении двух часов
наблюдалось изображение распятого Христа с ме¬
чом, направленным от запада к югу. Вскоре эту
страну постигли великие бедствия. В 1469 году по
всей Польше видели окровавленные мечи и другое
оружие. Эти страшные предзнаменования сопро¬
вождались проливными дождями, засухой, голо¬
дом и моровой язвой.
В 1551 году над осажденным Магдебургом появи¬
лись три Солнца и три радуги одновременно. Это об¬
стоятельство побудило войска короля Карла V пре¬
кратить осаду этого города, продолжавшуюся пят¬
надцать месяцев. Забавно то, что осажденные жите¬
ли Магдебурга расценили это световое явление как
"божественное" указание на предстоящее им пора¬
жение, гибель и разорение, а осаждающие войска,
наоборот, - как божественное благоволение к осаж¬
денному городу, почему и прекратили осаду".
Суеверная оценка небесных явлений в наши дни
также не является редкостью. Пока человек верит
в существование бога, до тех пор он будет верить
в божественный промысел и увязывать различные
небесные явления с происходящими на Земле
коллизиями. Говоря о боге, мы не отвергаем Ии¬
суса Христа, реально существовавшего человека,
фундатора, видимо, наилучшей из существовав¬
ших и существующих религий, родившегося не
1998 лет назад, а не менее 2000 лет, так как царь
Ирод умер за четыре года до начала существую¬
щего летоисчисления. Как известно из церковной
литературы, он охотился за новорожденным мес¬
сией, уничтожив при этом сотни, если не тысячи,
младенцев •
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ I П Т И К А
119

Атмосферная о космическая оптика
Молния
Наука о молнии" Сенеки
Испокон веков человек боится молнии, хотя да¬
леко не каждая их них оставляет после себя
нежелательный след. Наоборот, для первобыт¬
ного человека это была единственная возможность
создать обогревающий очаг и средство приготов¬
ления пищи. Прошли века, прежде чем он научил¬
ся добывать огонь трением.
Первые повествования о молнии и попытки объяс¬
нить ее природу относятся к тем далеким временам,
когда человек сознательно занялся астрономически¬
ми наблюдениями и увязкой небесных явлений с
многочисленными богами, в которых он верил. Так,
римский философ, политический деятель и драма¬
тург Луций Анней Сенека (родился между шестым и
третьим годами до н.э., погиб в 65 г. н.э.) написал
даже специальное сочинение, посвященное молнии.
Его название - "Наука о молнии". В нем он поведал,
что "этруски*" были знатоками по части молнии. Ку¬
рьезно их разделение молний, посылаемых Юпите¬
ром, на несколько разредов. Когда громовержец по¬
сылает молнии по единоличному решению своему,
* Этруски - древние племена, проживавшие в северозападной
части Аппенинского полуострова (регион Тосканы нынешней
Италии) в первом тысячелетии до новой эры
Линейная молния
Линейная молния возникает между двумя облака¬
ми, заряженными разноименными электрическими
зарядами; между облаком и землей, или внутри
облака. Чем больше заряд, тем длиннее молния.
Протяженность ее может составлять десятки кило¬
метров.
Если в каком-то месте облака окажется заряд, рав¬
ный пробивному, начинается развитие слабо излу¬
чающего разряда, получившего название лидера.
В поисках наиболее легкого пробивного пути в на¬
правлении к земле или другому облаку, лидер дви¬
жется скачками со средней длиной примерно 50 м.
молнии эти вообще благоприятны. Это молнии уве¬
щевания и мира.
Другой род молний посылается Юпитером по со¬
вещанию с двенадцатью главными богами. Этот
род молний приносит пользу, но не безнаказанно.
Наконец, молнии, бросаемые Юпитером после со¬
вета с сонмом богов, опустошают, разрушают все
встречаемое. Это огонь, ничего не оставляющий
так, как было.
Далее Сенека задает вопрос: "Почему милостивы
молнии, посылаемые одним Юпитером, и разру¬
шительны, посылаемые по решению других богов ?"
И тут же дает ответ: "Потому, что Юпитеру, т.е.
царю, добро творить надлежит от самого себя, а
поражать лишь по совету и решению многих. Разу¬
мейте, сильные мира, что и молнии не посылаются
без совета. Совещайтесь, взвешивайте разные
мнения, смягчайте решения и не забывайте, что
сам Юпитер, когда надлежит поразить, не доволь¬
ствуется собственным своим мнением".
Этот совет полезно знать и нынешним государст¬
венным деятелям. Сенека высказал его, по-види¬
мому, ради собственной защиты. Ведь некоторое
время он был воспитателем римского императора
Нерона, впоследствии приговорившего его за уча¬
стие в заговоре к смертной казни. Сенека избежал
ее, покончив жизнь самоубийством »
Каждый скачок завершается остановкой на
несколько десятков микросекунд, прежде чем нач¬
нет формироваться следующий этап.
Ступенчатость линейной молнии видна по ее изло¬
манной разветвленной структуре (рис.76). Любая
отдельная ветвь определяет наиболее легкий путь
электрического разряда, распространяющегося со
средней скоростью около 100 км/с.
Направляясь к земле, ступенчатый лидер стимули¬
рует индуктивным способом возрастание электри¬
ческого поля у земной поверхности или выступаю¬
щим над ней местом, вследствие чего навстречу
ему также развивается электрический разряд, со¬
единяющийся с лидером. Образуется проводящий
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ 0 П Т Н К А

Рис. 76
Линейная молния
электрический ток канал, по которому от земли к
облаку направляется возвратный удар. В итоге
возникает яркая электрическая искра.
Возвратный удар распространяется почти в 100
раз быстрее ступенчатого лидера. Соответствую¬
щий электрический ток составляет несколько ты¬
сяч ампер и продолжается несколько микросе¬
кунд. Огромная плотность тока обусловливает
сильное разогревание канала, а вместе с ним и
значительное увеличение давления. Поскольку
такой процесс происходит в мизерные проме¬
жутки времени, разрядный канал расширяется
со сверхзвуковой скоростью, что приводит к об¬
разованию ударной волны, воспринимаемой на¬
ми как гром.
В электрическом поле искрового разряда происхо¬
дит интенсивная ионизация всех компонент возду¬
ха. Возникающие при этом свободные электроны,
положительные и отрицательные ионы могут затем
рекомбинировать, излучая кванты света широкого
интервала энергий. Излучение возникает также
благодаря возбуждению атомов и молекул газов,
находящихся в атмосфере. Кроме воспринимаемо¬
го глазом водимого, в спектре молнии присутству¬
ют также ультрафиолетовое, инфракрасное и ра¬
диоизлучение. Недаром во время грозы "трещат"
радиоприемники. Молнии приносят огромный
ущерб человеку. И не только тем, что превращают
в обгоревшие обрубки большие лесные массивы, а
вместе с тем лишают жизни многочисленных оби¬
тателей леса, выводят из строя линии электропе¬
редач, создают радиопомехи, превращают в руины
жилища людей, промышленные здания, уничтожа¬
ют созревшие посевы злаковых. Этот перечень
можно продолжать и дальше. Но, приведенных
примеров вполне достаточно, чтобы каждый чело¬
век проникся заботой о необходимости проведе¬
ния систематических мероприятий по предотвра¬
щению этого стихийного бедствия.
Только по статистическим данным CUJA, за 70-е
годы из 2000 пострадавших человек погибло 500.
Особенно большой процент погибших жителей в
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ ІІТИ1А

Атмосферная и космическая оптика
сельской местности, где отсутствуют громоотводы
и характерные для города металлические конст¬
рукции, одновременно выполняющие роль громо¬
отводов. Все мы хорошо знаем эти нежелательные
сюрпризы природы. Один из авторов этих строк
припоминает случай, когда неудачный выбор укры¬
тия от проливного дождя привел его школьного то¬
варища к гибели. Тот спрятался под кузовом гру¬
зового автомобиля, прислонившись спиной к пе¬
реднему колесу. Обмытая дождем резина - хоро¬
ший изолятор для электрического тока. Поэтому
без человека, замкнувшего цепь - оббитый ме¬
таллическими шинами кузов-человек-земля,
молния вряд ли "выбрала бы" в качестве мишени
автомобиль, а нашла какой-нибудь поблизости
куст или дерево. Но проводимость человеческого
тела велика и он поплатился за нее собственной
жизнью. Как следствие, в теле погибшего образо¬
вался обугленный широкий канал от плеча до по¬
дошвы ноги.
Однако можно привести примеры, где молния вы¬
глядит как полезный феномен природы. О таких
примерах далеко не все знают, а некоторые даже
не подозревают об их существовании.
По статистическим данным, ежегодно над землей
происходит примерно 16 миллионов грозовых раз¬
рядов, а одновременно в пределах земного шара
зарегистрировано более 1800 гроз. Если же вести
расчет на одну молнию, то в каждую секунду их
возникает не менее 100.
Приведенные выше цифры позволяют провести
некоторые расчеты. Оказывается, что в течение го¬
да молнии образуют в атмосфере Земли примерно
100 миллионов тонн соединений азота. Вместе с
Шаровая молния
В отличие от обычной молнии, шаровая — явление
довольно редкое. Не удивительно, что даже в та¬
ком известном журнале, как английский журнал
"Nature", в 1971 году была опубликована статья, в
которой шаровая молния представлялась как опти¬
дождем они попадают в грунт и способствуют по¬
лучению высоких урожаев.
В последние годы в периодических изданиях - га¬
зетах и журналах - слишком много отводится мес¬
та критическим статьям о нитратах, загрязняющих
овощи и фрукты в недопустимых концентрациях.
По-видимому, это действительно имеет место, т.к.
не каждое хозяйство задумывается над вопросом,
сколько и каких удобрений одному гектару посев¬
ной площади требуется в данной местности под
вполне определенную культуру. Плохо, когда в од¬
них продуктах оказывается избыток нитратов, а в
других их не хватает.
Потребность в связанном азоте в мире очень вели¬
ка и не обеспечена в полной мере. На промышлен¬
ных предприятиях по их добыче также пользуются
молниями. Эти искусственные молнии протяжен¬
ностью в несколько метров дают в сотни и тысячи
раз меньший выход готового продукта. И не удиви¬
тельно, ведь длина естественной молнии может
достигать даже 30 - 50 км, а разрядный ток на по¬
рядок величины выше.
По сведениям американских ученых, в США каж¬
дый квадратный километр в течение года поража¬
ется, по крайней мере, четырьмя молниями, про¬
изводя около 20 тонн соединений азота, которые,
попадая вместе с дождевой водой в грунт, усваи¬
ваются растениями.
Другим примером полезности молний является
озонирование воздуха. В мощном электрическом
разреде происходит диссоциация молекул кисло¬
рода на атомы, которые охотно объединяются с
родственными молекулами, образуя молекулы озо¬
на, о роли которого мы уже говорили раньше •
ческая иллюзия, возникающая вследствие слепя¬
щего действия мощного разряда обычной молнии.
Дескатъ, происходит полное выцветание светочув¬
ствительного вещества на сетчатке глаза и в тече¬
ние нескольких секунд сохраняется в виде темного
пятна. Как и следовало ожидать, эта гипотеза не
нашла поддержи у специалистов.
122
3 А Н И М А Т Е И Ь Н А Я ОПТИКА

Первые примеры наблюдений шаровой молнии и
описание ее некоторых свойств находим в книге
"Гром и молния" известного французского физика
прошлого века Ф. Араго. Он описал около 30-ти
случаев непосредственных встреч человека с ша¬
ровой молнией. В XX веке собран огромный мате¬
риал, предоставленный широкому читателю не
только случайными лицами, но также специалиста¬
ми, предпринявшими шаги запланированной охоты
за шаровой молнией. В сборе сведений о феноме¬
не большая заслуга И.П. Стаханова, организовав¬
шего в 1975 году через журнал "Наука и жизнь"
опрос населения Советского Союза с просьбой
прислать в редакцию журнала ответы на анкетные
Энергия шаровой молнии
Возьмем, например, такой вопрос, как взрыв шаро¬
вой молнии, последствия которого бывают весьма
ощутимыми. Почему он возникает? Где тот запал,
который вызывает его? Что служит взрывчатым ве¬
ществом? Отличается ли излучение взрыва от излу¬
чения спокойно парящего в воздухе светящегося
шара? Четкого ответа на каждый из поставленных
вопросов, к сожалению, пока дать невозможно/
Приведем некоторые примеры из монографии
И.П.Стаханова. "Неожиданная встреча с шаровой
молнией в воздухе могла стать трагической, если
бы не мужество военного летчика старшего лейте¬
нанта Михаила Анисимова. Истребитель шел на по¬
садку, успешно выполнив учебную задачу. До аэро¬
порта всего 30 км, высота 1200 метров. Неожидан¬
но налетели ослепительно белые облака. Михаил
внимательно вглядывался в приборы: все в поряд¬
ке. Нажал рычажок выпуска шасси. И вдруг сильный
толчок, и тут же - яркая вспышка, ослепившая пи¬
лота. Когда мгновенное помутнение прошло, пилот
выправил крен и взглянул на приборы. Все стрелки
замерли на нуле. А до полосы еще более трех минут
лета. Без приборов, без наведения с земли.
Самолет вынырнул из облаков. Сжав рукоятку уп¬
равления, летчик весь напрягается, старается на¬
правитъ истребитель в створ взлетно-посадочной
вопросы лиц, встречавшихся с шаровой молнией.
В течение пяти лет было получено свыше 2000 пи¬
сем. Не все они представляли интерес для статис¬
тической обработки результатов наблюдений, но в
большинстве своем послужили хорошей основой
для организации следующего этапа сбора сведе¬
ний уже по новой, более емкой анкете.
Несмотря на многочисленные публикации научных
статей в серьезных периодических изданиях, появ¬
ление специальных монографий, положительные
результаты моделирования шаровой молнии в ла¬
бораторных условиях, загадка ее по-прежнему ос¬
тается неразгаданной •
полосы. Хлопнул тормозной парашют и боевая ма¬
шина, пробелов по полосе, остановилась.
Когда Михаил спустился на бетонку, он увидел по¬
разившую его картину: носовой части самолета не
было. Почти у самого среза кабины торчали лишь
оплавленные края металла."
Итак, самолет получил значительные повреждения.
Но что можно извлечь из приведенного примера
для характеристики виновника повреждений. Ниче¬
го, кроме констатации факта о приличной энергии
взрыва.
Второй пример В.Черепанова также указывает на то,
что редкая гостья может причинить заметный ущерб
имуществу квартиры, в которую она проникла.
"К вечеру разразилась гроза. Ослепительно сверк¬
нула молния, ударил гром — и в дом рабочего
Машстройзавода вкатился ... огненный шар.
Пройдя по квартире, шаровая молния причинила
массу неприятностей: перебила всю посуду в сер¬
ванте, сожгла электропроводку, а русскую печь
тряхнула так, что та вся потрескалась. "Побуше¬
вав" в доме, молния вышибла раму на веранде и
ударила в огород, оставив хозяевам на память о
себе воронку диаметром около полуметра. А тех по
счастливой случайности в квартире не оказалось,
поэтому никто не пострадал."
ЗАІИМАТЕІЬІДЯ ОПТИКА

Атмосферная о космическая оптика
Рихмана от взрыва шаровой молнии
Из этого примера можно сделать тот же вывод -
энергия шаровой молнии достаточно велика. Есте¬
ственно, его нельзя распространять на все наблю¬
денные и описанные случаи.
Визит шарпипй молнии
и Ноиосибирский академгородок
Один из последних известных нам визитов шаро¬
вой молнии произошел в Новосибирском Академ¬
городке. Его описал сотрудник Института автома¬
тики и электрометрии Сибирского отделения Рос¬
сийской Академии Наук А. К. Пудовкин. Из сообще¬
ния автора статьи видно, что движение шаровой
молнии вплоть до полного исчезновения наблюда¬
ло несколько человек, поэтому описанный случай
следует отнести к наиболее точной информации о
поведении феномена.
По статистическим данным И.П. Стаханова, в зави¬
симости от размера, запас энергии в шаровой
молнии составляет от нескольких до десятков ки¬
лоджоулей, а при аномально больших размерах —
даже до 100 кдж.
Между тем, последствия взрыва могут опре¬
деляться не только внутренней энергией ша¬
ровой молнии, но также энергией, накоплен¬
ной во время грозы металлическими предме¬
тами, электропроводкой, электронной аппа¬
ратурой, с которыми она имела контакт, а на
заключительном этапе сыграла роль детона¬
тора или триггерного устройства, т.е. спус¬
кающего механизма. При таких условиях не¬
прошеная гостья может произвести значи¬
тельные разрушения и даже гибель человека
(рис. 77).
Вот пример молнии с небольшой внутренней
энергией и в то же время не получившей
энергетического вливания от среды, в кото¬
рую она окунулась. "Во время грозы в откры¬
тую дверь с улицы влетела шаровая молния
диаметром 5—8 см оранжевого цвета. Она ле¬
тела наклонно вниз под углом 45° и, пролетев
3-4 м за 1-3 секунды, упала в ведро, более
чем на половину заполненное водой. От силь¬
ного всплеска часть воды вылилась через
край ведра. Теплее, по утверждению очевид¬
цев, она не стала" •
По оценке автора, шаровая молния просущество¬
вала 8-9 секуцд, преодолев за это время путь в 74
м. Таким образом, двигалась она со скоростью
примерно 9 м/с.
Молнию заметили как бы прилепившейся к стволу
сосны на высоте 12 м от земли. Спускаясь вдоль
ствола дерева, она оставила след в виде канавки
снятой коры, но без каких-либо следов горения. На¬
чиная от места соприкосновения с сосной и закан¬
чивая прикорневой частью ствола, ширина канавки
увеличилась от 5 до 50 мм. Создается впечатление,
что образовалась она, как считает автор, "за счет
волновых процессов на поверхности шаровой мол¬
124
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ ѴІТИІА

нии или микроимпульса нитевидного выделения
электродинамической энергии в виде "ерша" или
подобно мелкозубной фрезе". "Импульсный распад
шаровой молнии,- пишет автор,— произошел около
земли при изменении ее траектории на 90°, что со¬
провождалось мощным взрывом с очень яркой
кратковременной световой вспышкой. Яркость была
настолько высокая, что за световым фронтом исчез¬
ли деревья, облака и даже рамы окна." (Видимо,
автор наблюдал "похождения" шаровой молнии из
помещения при закрытом окне). "Первое, что поду¬
малось, - это взрыв мощной бомбы".
Самое удивительное, что этот взрыв не стал гибе¬
лью шаровой молнии. "Изменение траектории
привело к частичному разрушению шаровой мол¬
нии. В результате ее объем уменьшился примерно
в два раза - с первоначального диаметра 20 см до
10 см. Далее происходило перемещение остав¬
шейся части ... вдоль земной поверхности: 12 м
травянистой поверхности, 10 м пешеходной зем¬
ляной тропы и порядка 40 м бетонированной доро¬
ги. При движении вдоль дороги шаровая молния
имела вид вытянутого закругленного цилиндра с
заостренным выступом впереди. Исчезновение ее
произошло в небольшом углублении с водой и со¬
провождалось слабым хлопком. При этом количе¬
ство воды было не более 3-4 литров".
Температура шаровой молнии
Сведения, полученные от различных наблюдате¬
лей, говорят о том, что максимальная температура
шаровой молнии не превышает 300°С, даже если
излучает она яркий белый свет. Ее видимое излу¬
чение не имеет ничего общего с излучением абсо¬
лютно черного тела, то есть не является темпера¬
турным. Специальные опыты по фотометрирова-
нию пятна почернения, полученные на фотоплас¬
тинке от сфокусированного на нее изображения
шаровой молнии, показали, что наибольшая яр¬
кость отвечает центру светящегося шара и наи¬
меньшая — его краям (рис. 78). Если бы почерне¬
ние фотопластинки было вызвано температурным
излучением, подобно излучению добела раскален-
Образование канавки и сохранение вертикаль¬
ного перемещения вдоль ствола свидетельству¬
ет, по мнению автора, о быстром вращении ша¬
ровой молнии или, по крайней мере, ее оболоч¬
ки, а может, только ядра. Такое вращение под¬
тверждается якобы "соответствующей конфигу¬
рацией пробы".
Автор допускает очень высокую скорость враща¬
тельного движения — несколько тысяч оборотов в
секунду, что заставляет задуматься: где же причи¬
на такого движения, откуда было возникнутъ паре
сил, закрутивших с такой скоростью рыхлое обра¬
зование природы?
Несколько слов о метеорологических условиях в
канун появления шаровой молнии. Событие проис¬
ходило 28 июня в 18 часов дня. До этого на протя¬
жении двух суток было пасмурно и несколько раз
прошел слабый дождь. За 2 часа до появления ша¬
ровой молнии также прошел моросящий дождь, а
при появлении ее "в южном направлении на боль¬
шом расстоянии, судя по раскатам грома, была
гроза. Молний не было видно."
Это очень важное замечание. Выходит, для обра¬
зования шаровой молнии не обязательно возник¬
новение линейной. Важно лишь наличие предгро¬
зовой ситуации •
ного волоска электрической лампочки, кривая фо-
тометрирования напоминала бы пунктирную кри¬
вую приведенного рисунка: по всему сечению ша¬
ра почернение было бы одинаковым. С другой сто¬
роны, это означает, что шаровая молния прозрачна
для водимого света.
Слабое тепловое излучение шаровой молнии под¬
тверждается многочисленными наблюдениями
очеводцев. Приведем еще примеры из книги
И.П. Стаханова.
"Была гроза и шел дождь. Из желоба двухскатной
железной крыши лилась вода, которую разбрызги¬
вал ветер. Автор письма стоял на расстоянии 1 м
от желоба. Внезапно он услышал треск, и огненная
полоска скользнула по струе воды вниз к луже на
ЗАІИМАТЕІЬІДЯ ОПТИКА

Атмосферная и космическая аптика
DannoTyfea То баіоба
Рис. 78
Яркость шаровой молнии: красная
кривая дает распределение яркости по
сечению шаровой молнии. Наибольшее
значение ее в центре шара
земле. В следующее мгновенье из нее образовался
огненный шар диаметром 10 -15 см, который на¬
чал скользить по поверхности ручья, текущего
вдоль пешеходной тропы. Шар был белого цвета с
розовым опенком. Пройдя 30 м приблизительно за
30 секунд, шаровая молния спокойно исчезла".
Как видим, находясь очень близко к поверхности
воды, молния не вызывала обильного парообразо¬
вания, характерного для раскаленного добела
твердого тела.
Еще один пример. "...Шаровая молния начала
медленно опускаться. Наблюдатель нагнулся и по
мере ее приближения был вынужден лечь на пол.
Шар диаметром около 20 см повис над ним на
высоте около полуметра. От него исходило очень
слабое тепло. Провисев таким образом некото¬
рое время, шаровая молния начала медленно
подниматься, как бы движимая струей воздуха, к
окну. Отойдя на 1 -2 м от наблюдателя, она натк¬
нулась на стойку с лекарствами на высоте 1,5 м
от пола и взорвалась со звуком пистолетного вы¬
стрела".
Таким образом, очевидец ощущал лишь слабое
тепло. Представьте себя сидящим у небольшой
печки с открытой дверкой на расстоянии 50 см от
пламени. Поток тепла очень быстро заставит вас
отодвинуться подальше, а излучение раскаленного
шара диаметром 20 см должно произвести гораздо
больший эффект.
В одном из приведенных Стахановым случаев че¬
ловек оказался в такой ситуации, когда его ноги
буквально "купались" в шаровой молнии, и тем не
менее он не ощущал заметного нагревания •
Строение и вещество шаровой
молнии
Кроме обычных компонентов атмосферы, основны¬
ми из которых являются молекулы азота, кислоро¬
да, углекислого газа, озона и окислы азота, в его
состав входят аэрозоли, т.е. частички пыли раз¬
личного химического состава. Концентрация и хи¬
мический состав аэрозолей очень сильно зависят
от места образования шаровой молнии. Вблизи
заводских корпусов аэрозоли представляют собой
продукты сгорания твердого топлива, угольную и
производственную пыль, в то время как в сельской
местности они включают пыль почвенного и расти¬
тельного происхождения.
Аэрозоли подвержены воздействию воздушных по¬
токов, могут нести на себе электрический заряд и,
благодаря этим факторам, объединяться в ните¬
видные системы. Такой процесс особенно эффек¬
тивен при наличии электрических полей, всегда
имеющих место в земной атмосфере, особенно в
предгрозовой период и во время грозы.
Аэрозоли возникают также при электрическом раз¬
ряде вблизи поверхности твердых тел, особенно
металлов. Подобные явления существенно обога-
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ ІІТНІЯ

щают химический состав аэрозольных нитей, а
значит, и состав шаровых молний.
На рис. 79 представлена совокупность нитеведных
образований, возникших в результате коеденсации
паров железа. Размер отдельных частиц, объеди¬
нившихся в нити, не превышает 8 нм. Подобные
структуры принято называть фрактальными класте¬
рами. (В переводе с английского кластер означает
пучок, а фрактал — дробный, состоящий из частей.)
Характерной особенностью фрактального кластера
является его внутренняя симметрия. Если радиусом,
значительно превышающим размеры частиц, объе¬
динившихся в нитевидный кластер, описать вокруг
различных случайно выбранных точек сферы, то
массы выделенных ими элементов будут одинаковы.
Фрактально-кластерная, или нитевидная, структура
активного вещества шаровой молнии образуется в
течение нескольких секунд. Она напоминает обыкно¬
венное перекатиполе. В ней могут протекать хи¬
мические реакции, повышающие температуру актив¬
ного вещества, что вызовет нагревание воздуха, за¬
полняющего каркас, и появление подъемной силы.
Нитевидная структура обладает значительной по¬
верхностной энергией и поверхностным натяжени¬
ем, подобно таковому любой жедкости. Именно
такой структурой можно объяснитъ самое удиви¬
тельное и коварное свойство шаровой молнии —
способностью проникать в закрытое помещение
через щели, размеры которых значительно меньше
ее диаметра. В этом отношении она напоминает
осьминога. Какой бы большой не была его голова,
независимо от толщины щупалец, он в течение не¬
скольких секунд способен, образно выражаясь,
протолкнутъ свое тело сквозь игольчатое ухо.
Наличие поверхностного натяжения способствует
сохранению сферической формы шаровой молнии,
т.е. обеспечивает ее устойчивость.
Остановимся несколько подробнее на химическом
составе шаровой молнии. То, что было сказано вы¬
ше, в некоторой степени является предсказанием
Ф. Араго. Он по праву считается родоначальником
химической гипотезы шаровой молнии. По его мне-
железа. Средний радиус мелких
фрагментов порядка 35 А
нию в ее состав входят окислы азота, озон и некая
"молниевая материя". В развитие взглядов Араго в
последующие годы внесли вклад такие ученые, как
НА Гедехус, В. Торнтон, Я.И. Френкель, Дж. Бар¬
ри, Б.М. Смирнов. Так, Б.М. Смирнов считает, что
носителем энергии шаровой молнии является озон.
Он появляется благодаря высокой концентрации
атомарного кислорода в канале линейной молнии.
По гипотезе Хилла шаровая молния заполнена поло¬
жительными или отрицательными ионами одного
знака. Если же в ее состав входят ионы обоих знаков,
то они должны бытъ пространственно разделены.
Образуются ионы из сложных органических молекул
и частичек пыли. Свечение возникает благодаря эле¬
ктрическому разряду между ионами противополож¬
ных знаков, а также коронирования пылевых частиц.
По рассказам некоторых очевидцев, шаровая мол¬
ния имеет даже запах, что можно объяснитъ только
протеканием в ней химических реакций •
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ ѴІТИІА
127

Атмосферная п космическая оптика
Спектр свечения шаровой
молнии
Свечение шаровой молнии характеризуется широ¬
кой гаммой набора цветов. Оно может быть бе¬
лым, красным, оранжевым, зеленым, голубым, си¬
ним, в зависимости от места образования и хими¬
ческого состава аэрозолей. При солидных разме¬
рах светящегося шара цвет может изменяться да¬
же по его сечению, поэтому ядро и поверхность
молнии иногда производят лучи различного цвета.
Самые распространенные цвета - красный, оран¬
жевый, желтый, белый и голубой.
Мы уже отмечали интересную особенность шаро¬
вой молнии беспрепятственно пропускать сквозь
себя видимое излучение постороннего источника
света. Да это и не удивительно, ведь только весь¬
ма рыхлое образование способно так свободно па¬
рить в воздухе, то подымаясь вверх, то опускаясь к
земле или двигаясь на определенном расстоянии
от ее поверхности (как это показано на рис. 80).
Безразличное равновесие шаровой молнии гово¬
рит о том, что ее удельный вес мало отличается от
удельного веса воздуха, т.е. может быть больше
или меньше последнего, в зависимости от массы
аэрозольной компоненты и собственной темпера¬
туры, которая всегда выше температуры окружаю¬
щего пространства.
Видимый свет, излучаемый шаровой молнией,
возникает благодаря возбуждению атомов, моле¬
кул, ионов и твердых частиц, например кластерных
образований, в результате протекания химических
реакций в веществе молнии. Кроме того, необхо¬
димая для возбуждения энергия может поставлять¬
ся электрическим полем, всегда достигающим
больших значений в предгрозовой период и во
время грозы. Ведь для возникновения в воздухе
электрического разреда напряженность электриче¬
ского поля должна достигать ЗОкВ/см.
Молния испускает не только видимые лучи. В ее
спектре обязательно присутствуют неводимые ин¬
фракрасные лучи. Не исключено появление также
невидимых ультрафиолетовых лучей.
Сравнительно большое время жизни шаровой мол¬
нии, на протяжении которого она непрерывно из-
Рис. 80
След
шаровой
молнии
3 А Н И М А Т Е П b Н А Я ОПТИКА

лучает, наводит на мысль о переводе ионов, ато¬
мов и молекул за счет энергии химической реак¬
ции или электрического разряда из нормальных в
возбужденные метастабильные состояния. Эти со¬
стояния отличаются от прочих возбужденных со¬
стояний большим временем жизни. Они-то и явля¬
ются тем хранителем запасенной энергии, которая
затем может излучаться даже на протяжении од¬
ной-двух минут, хотя обычно такой процесс про¬
должается в течение нескольких десятков секунд.
Если видимое и ультрафиолетовое излучения обя¬
заны своим происхождением переходом электронов
из более высоких орбит, соответствующих возбуж¬
денным состояниям атома, иона, молекулы, то
инфракрасные лучи возникают благодаря возбужде-
Характер движения и размеры
шаровой милнии
Распределение шаровых молний по величине ди¬
аметра показано на рис. 81. Точки различной
формы относятся к трем различным статистичес¬
ким каналам обработки результатов наблюдений.
Все они хорошо согласуются друг с другом. Мак-
нию внутримолекулярных колебаний атомов относи¬
тельно положений равновесия. Они характерны для
молекул и конденсированных систем, -жидкостей
и твердых тел, - и регистрируются спектральными
приборами в виде более-менее широких полос, ча¬
сто перекрывающихся друг с другом.
Но, кроме такого полосатого инфракрасного из¬
лучения, нагретые до 200° - 300°С твердые
фрактально-кластерные элементы вещества
молнии излучают непрерывный спектр, подоб¬
ный спектру абсолютно черного тела. При тем¬
пературе 300°С его максимум отвечает длине
волны 5 мкм. Именно это слабое тепловое излу¬
чение чувствуют очевидцы, оказавшиеся рядом
с шаровой молнией •
симум кривой приходится на значение, равное
примерно 15 см. Но одна точка попадает даже на
диаметр, превышающий 1 м. Конечно, полностью
доверять сообщениям встречавшихся с молнией
нельзя, так как эмоциональный стресс очевидцев
такого рода события неизбежен.
Описание характера движения шаровой молнии раз¬
личными наблюдателями фактически одинаково: ее
Рис. 81
Распределение
шаровых молний
по величине
диаметра
О	50	100
Аёаіабб, ni
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ О П Т Н К А

Атмосферная о космическая оптика
траектория непредсказуема. Она может передви¬
гаться вдоль стены или прыгать по полу, подымать¬
ся вверх или медленно снижаться к земле, оста¬
навливаться или резко менять направление движения.
По рассказам очевидцев, длина пути шаровой
молнии колеблется в очень широких пределах.
Примерно половина из них проходит за время
наблюдений свыше 50-ти метров, но бывают
случаи, когда ее путь превышает даже 100 м
(рис. 80).
Чаще всего шаровая молния перемещается гори¬
зонтально и после возникновения более склонна
падать медленно вниз, чем подниматься вверх.
Это говорит о том, что ее плотность несколько
превышает плотность воздуха, хотя остается все
Скорость движения шаровой
молнии
Как и другие параметры, среднюю скорость дви¬
жения шаровой молнии устанавливают путем ана¬
лиза многочисленных сообщений очевидцев. Каж¬
дый из них допускает ошибки при определении
времени существования молнии и при оценке
пройденного за это время пути. Кроме того, этот
путь во всех случаях не является прямолинейным,
поэтому трудно учесть все те отклонения от пря¬
мой, которые имеют место за промежуток времени
от зарождения до гибели молнии.
Описанные в литературе примеры изобилуют ин¬
дивидуальными домыслами очевидцев, вызываю¬
щими часто вопрос о степени достоверности со¬
бытия вообще. Вот примеры из книги И.М. Имяни-
того и Д.Я. Тихого.
"...B 17 часов 8 июня 1951 г. началась гроза
средней силы. В 18 часов автор сообщения на
расстоянии 30 метров увидел шаровую молнию;
она двигалась со скоростью 50 - 100 м/с в го¬
ризонтальной плоскости над землей и светила,
как светит автомобильная фара". Вот вам при¬
мер, когда минимальное и максимальное значе¬
ния допустимых скоростей отличаются в два ра¬
же очень низкой. Из-за этого она не только про¬
зрачна для водимого излучения, но слабо реагиру¬
ет даже на поток пронизывающих ее крупных час¬
тиц. Вот пример, подтверждающий это. "В.А. Боб¬
рин, доцент из Хабаровска, встретил шаровую
молнию вечером перед грозой, когда шел на охо¬
ту. Она была около 20 — 25 см в диаметре, белая,
двигалась горизонтально, повторяя рельеф мест¬
ности. Когда она проходила на расстоянии 15 м,
он выстрелил в нее из дробовика. Никакого эф¬
фекта не последовало, шар только слегка качнул¬
ся. Примерно через 40 секунд молния ушла из по¬
ля зрения, проодя около 40 м. Таким образом,
дробинки свободно прошли через вещество мол¬
нии, не передав ему сколько-нибудь заметного ко¬
личества движения"
за, причем весьма значительно абсолютное раз¬
личие, целых 50 м/с.
Следующий пример дает значение скорости того
же порядка, что и предьщущий. "Директор амери¬
канской обсерватории в Блю-Хилл водел, как во
время грозы в 1903 году с вершины Эйфелевой
башни упал огромный шар. Он возник одновре¬
менно с разрядом линейной молнии и был чуть
бледнее ее. Шар достигал почти одного метра в
диаметре. Падая внутри башни, он пролетел 100 м
за две секуоды". Итак, в этом сообщении скорость
перемещения шаровой молнии равна минимально¬
му значению предыдущего примера.
В книге И.М. Имянитого и Д.Я. Тихого среди мно¬
гочисленных примеров наблюдения шаровой мол¬
нии в различное время в различных регионах зем¬
ного шара есть также пример, в котором наблюда¬
телем был М. Дмитриев, специалист в области хи¬
мии и физики плазмы. Действие происходило на
реке Онеге 23 августа 1965 года, где М. Дмитриев
брал пробы воздуха во время предгрозовых и гро¬
зовых состояний атмосферы. Выглянув из палатки,
М. Дмитриев "...уводел на расстоянии примерно
60 м нечто вроде мощной газоразрядной лампы,
как бы висевшей в воздухе в 1 —1,5 м от воды...
Через 35-40 секуод светящийся предмет уже был
ЗАИИМАТЕІЬІДЯ ОПТИКА

непосредственно над наблюдателем... Молния до¬
вольно медленно прошла на расстоянии около 1,5 м
над палаткой, несколько минут совершенно непо¬
движно находилась над выступом берега, затем
покачнулась и направилась в лес. То с одной, то
с другой стороны с треском сыпались искры, а вся
картина напоминала электросварку. Так повторя¬
лось несколько раз (5 —7), причем молния отска¬
кивала в сторону, противоположную искрению.
Внезапно молния ослабла, цвет ее из белого стал
ярко-красным, и она погасла.
Наблюдение длилось 60 — 65 секунд, а всего мол¬
ния существовала, видимо, 75 — 80 секунд. В это
время были взяты пробы воздуха... Анализ показал
заметное повышение концентрации озона и дву¬
окиси азота; концентрация же других газов оста¬
лась неизменной. Светимость шара была наиболь¬
шей в центре. Эта часть молнии напоминала
электроразрядный факел в воздухе, получаемый в
плазмотронах с температурой плазмы 13000 —
16000° С. Ядро шара окружала оболочка толщиной
до 2 см с густо-фиолетовым свечением и еще од¬
на такой же толщины светло-голубая. Размер ее по
вертикали составлял 14-16 см и по горизонтали
11 - 12 см. Молния двигалась строго вдоль бона,
на 150 м уходившего к середине реки. Пройдя
бон, шар стал двигаться неправильными зигзага¬
ми. Скорость движения молнии составляла над ре¬
кой 1,5 -1,7 м/с и около 0,4 м/с - над сушей".
Как видим, последний пример в отношении ско¬
рости перемещения шаровой молнии совершенно
не похож на два предыдущих: скорость оказалась
более чем в 30 раз меньше прежних значений.
Чечеточная молния
Существует под различными названиями: чечеточ¬
ная, жемчужная, цепная, ожерельчатая, капельная.
Все эти названия вполне отражают ее внешний
вид.
Возникает она между двумя облаками, несущими
различные по знаку электрические зарады, или же
между облаком и поверхностью земли. Представля¬
Такой же результат отмечается в английском жур¬
нале "Nature". "После яркой вспышки молнии с
громким раскатом грома в кабину пилота самоле¬
та, следовавшего из Нью-Йорка в Вашингтон,
проник яркий голубоватый шар диаметром 20 см,
который перемещался на неизменной высоте око¬
ло 75 см над полом кабины со скоростью 1,5 м/с.
По внешнему виду он был плотным, хотя и про¬
зрачным. Тепла он не излучал. Своим появлением
в самолете и выходом через его хвостовую часть
шаровая молния продемонстрировала необычную
способность проходить через сплошные перего¬
родки".
Выше приведены в некоторой степени крайние
значения возможных скоростей шаровой молнии.
Ученые, занимавшиеся статистикой наблюдений,
приводят достаточно близкие значения средних
скоростей. У Стаханова это 2,8 м/с, У Рейли 5,1 м/с,
т.е. среднее значение составляет 4 м/с. Это вовсе
не означает, что все шаровые молнии перемеща¬
ются с такой средней скоростью. Реально она
должна колебаться в довольно широких пределах,
т.к. зависит от таких факторов, как наличие воз¬
душных течений, концентрация капель воды в ат¬
мосфере, величина электрического поля в месте
образования молнии, аэрозольный состав атмо¬
сферы и концентрация аэрозолей, специфика ок¬
ружающих предметов.
Завершая наш рассказ о шаровой молнии, отме¬
тим, что она наблюдается и в ясную погоду, но
значительно реже. Это означает, что шаровая мол¬
ния связана с грозовой активностью атмосферы, а
не только с самой грозой •
ется в виде ожерелья светящихся областей неболь¬
шого размера, видимых некоторое время после ис¬
чезновения обычной линейной молнии. Близкие к
сферической форме светящиеся области по разме¬
рам почти не отличаются от поперечного сечения
линейной молнии. Темные промежутки между ними
иногда составляют несколько диаметров светящих¬
ся участков. Таким образом, для чечеточной молнии
характерна пунктирность, только пунктир состоит не
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ О П Т И К А

Атмосферная и космическая оптика
Рис. 82
Чечеточная молния
Рис. 83
Распад линейной молнии
в чечеточную и затухание
элементов последней
из коротких отрезков прямой линии, а из маленьких
кружков или овалов (рис. 82).
Одна из гипотез образования чечеточной молнии
была высказана в 1917 году Теплером. Он считал,
что если в канале обычной линейной молнии воз¬
никают продольные колебания, вызванные внеш¬
ними возмущениями, например, электрическими
полями или турбулентным движением воздуха, то
обычная молния затухает и превращается в серию
равномерно расположенных в пространстве облас¬
тей с устойчивым свечением.
Иллюстрация распада участка линейной молнии
на элементы чечеточной представлена на рис.
83. В верхней части рисунка изображен участок
линейной молнии, остальные картинки показыва¬
ют, как она превращается в ожерелье чечеточ¬
ной. Последний кадр (пунктирная кривая) пред¬
ставляет полностью сформировавшуюся чечеточ¬
ную молнию. Хотя каждый элемент ее подобен
шаровой молнии, живет он значительно меньше
и своим поведением существенно отличается от
последней.
Исключительно редкое появление чечеточной мол¬
нии не позволило собрать необходимых сведений
для анализа ее состава и четкого установления ус¬
ловий образования •
132
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ ОПТИКА

Огни Святого Эльма
Огни Святого Эльма, как и все остальные оп¬
тические явления в атмосфере Земли, извест¬
ны человеку с незапамятных времен. Более
2000 лет бытует в народе рассказ, как во вре¬
мя непогоды на копьях римских воинов, нахо¬
дящихся в походе, появились кистеобразные
огоньки. Солдаты и их предводители тут же
восприняли это знамение как предвестник гря¬
дущей победы.
В средние века такое свечение часто наблюда¬
ли итальянцы на башнях собора Святого Эль¬
ма. С тех пор оно приобрело название "огни
Святого Эльма".
Его можно видеть в ненастную погоду на кон¬
цах заостренных предметов: верхушках кора¬
бельных мачт (рис. 84), горных скалах, на вет¬
ках деревьев, громоотводах, крестах церквей.
Специалисты считают, что огни Святого Эльма
- ни что иное, как коронный разряд, возни¬
кающий при давлении газа порядка одной ат¬
мосферы в сильно неоднородном электричес¬
ком поле вблизи электрода с малым радиусом
кривизны.
Поле высокой напряженности вызывает ионизацию
и возбуждение молекул газа в небольшом объеме
пространства, непосредственно у поверхности
предмета, несущего электрический заряд. После¬
дующая рекомбинация положительно и отрица¬
тельно заряженных частиц и переход возбужден¬
ных молекул в нормальное состояние сопровожда¬
ются излучением.
В научной литературе обсуждается и другая
версия относительно природы огней Святого
Эльма. Так, Б. В. и Б. Б. Войцеховские считают,
что они являются результатом обтекания пред¬
метов потоком заряженных капель воды. Цити¬
руемые авторы создали специальный генератор
плотной струи заряженных капель воды и проде¬
лали серию экспериментов в лабораторных ус¬
ловиях. После вылета из генератора струя быст¬
ро замедляется из-за трения и перемешивается
с окружающим воздухом, капли воды приобре-
оснастке
тают электрический заряд, создающий сильное
электрическое поле.
Введенные в поток различные предметы начи¬
нают светиться. Интенсивность свечения возра¬
стает с удалением от границы струи и достига¬
ет максимального значения на расстоянии
2 —5 см. С дальнейшим увеличением его све¬
чение затухает.
Если в поток ввести руку, светятся кончики паль¬
цев, если карандаш, светятся оба его конца. Све¬
чение видно на расстоянии трех метров.
Последняя цифра свидетельствует о том, что
свечение в потоке водяных капель родственное
ЗйаЖМАТЕІЬІДЯ ОПТИКА

Атмосферная и космическая оптика
огням Святого Эльма, но не тождественное ему.
Ведь в естественных условиях никакой мощной
струи водяных капель нет, тем не менее свече¬
ние возникает и его хорошо видно на расстоянии
сотен метров.
Огни Святого Эльма - пример тихого электри¬
ческого разряда. Находясь в непосредственной
близости к нему, можно услышать шипящие зву¬
ки, наподобие возникающих в чайнике перед
закипанием вода.
Многочисленные примеры наблюдений свечения
Святого Эльма говорят о том, что его можно ви¬
деть не только во время летних, весенних или
осенних гроз, но также во время снежных бурь,
когда водяных капель нет в атмосфере, но есть об¬
лака снежной пыли, которые также способны нести
на себе электрический заряд •
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ I П Т И К А

Ночное свечение атмосферы
Ночное свечение
атмосферы
Свечение натрия и euceopoga
Существует несколько причин свечения атмо¬
сферы, визуально наблюдаемого в ночное вре¬
мя. Это -хемилюминисценция, т.е. свечение,
возникающее в результате химических реакций
электрически нейтральных частиц. Свечение, воз¬
никающее благодаря образованию молекул в воз¬
бужденном состоянии и переходом их в невозбуж¬
денное состояние с излучением кванта света. Это
- обычная флюоресценция атомов и молекул, воз¬
буждаемых солнечными лучами за пределами
земной тени; излучение атомов и молекул под
действием заряженных частиц, выбрасываемых
Солнцем. И, наконец, обычное рассеяние на
космической пыли и флуктуациях плотности атмо¬
сферы. Ночью за пределами земной тени проявля¬
ются все возможные типы свечения, характерные
для дневного неба. Поэтому необходимо выбирать
подходящие условия, чтобы выделить конкретный
тип свечения. К сожалению, далеко не всегда это
удается сделать.
Некоторое время после захода Солнца небо еще ос¬
тается голубым. Затем, при дальнейшем погруже¬
нии Солнца за горизонт и уменьшении интенсивно¬
сти рассеянного света, заметным становится свече¬
ние атомов натрия (желтый дублет с длинами волн
5890А и 5896А), возбуждаемых солнечными лучами
в более высоких слоях атмосферы, где концентра¬
ция этих атомов еще достаточна для создания за¬
метного свечения. Оно непродолжительно, поэтому
получило название натриевой вспышки. Первым об¬
наружил его еще в 1929 году английский астроном
В.М.Слайфер, автор открытия десятью годами
раньше зеленой линии кислорода, которую долго не
удавалось приписать определенному атому.
Концентрация атомов натрия в земной атмосфере
невелика, однако время жизни их в возбужденном
состоянии настолько мало, что в течение секунды
каждый атом многократно перевозбуждается и из¬
лучает. Ежесекундно число таких актов достигает
108. Поэтому мы и видим натриевую вспышку.
Интересной особенностью ночного свечения на¬
трия являются его сезонные вариации: максимум
излучательной способности относится к зимнему
периоду. В летний период свечение натрия наблю¬
дать трудно из-за низкой интенсивности.
В поздние сумерки возникает кратковременная
вспышка кислородных атомов. Они излучают в
красной области спектра, чувствительность челове¬
ческого глаза к которому невелика. Поэтому кисло¬
родное излучение не может наблюдаться при силь¬
ном фоне рассеянного света в средние и тем более
ранние сумерки. Продолжительность сумерек в
разное время года различна. Наиболее длинные
они в дни летнего (22 июня) и зимнего (22 декаб¬
ря) солнцестояния, когда центр Солнца пересекает
самую северную точку эклиптики, либо самую юж¬
ную. В это время полуденная высота Солнца в те¬
чение нескольких дней остается почти постоянной,
откуда и произошел термин "солнцестояние".
Самые короткие сумерки - в дни весеннего и осен¬
него равноденствий, когда продолжительность дня
почти равна продолжительности ночи на всех конти¬
нентах Земли, за исключением полярных областей.
Продолжительность сумерек очень сильно меня¬
ется с географической широтой, увеличиваясь в
направлении экватор - полюс. На экваторе не
успеет Солнце скрыться за горизонтом, как на¬
ступает ночь, а на севере вечерние сумерки не¬
прерывно могут переходить в утренние, т.е. на¬
ступают "белые ночи". В такие дни Солнце не
очень глубоко прячется за горизонтом, а для ши¬
рот, превышающих 66°33', оно вообще не захо¬
дит - наступает неприятный для гостей-южан
или командированных южан длинный "полярный
день". Не более приятной является и длинная по¬
лярная ночь как для приезжих, так и для постоян¬
ных жителей Заполярья.
По изменению яркости сумерек после захода
Солнца можно оценить высоту атмосферы Земли.
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ О П Т И К А

Атмосферная о космическая оптика
Рис. 85
Свечение атмосферы
в сумерки и ночью
по наблюдениям
с космического
корабля "Союз-9"
в июне 1970 г.
По-видимому, впервые такая оценка сделана араб¬
ским ученым XI века Альхазеном. Приведенное им
в своем сочинении значение составляло 52000 ша¬
гов, т.е. примерно отвечает нижней границе стра¬
тосферы (10 км), выше которой остается не более
0,1% атмосферной массы.
Очень красивую картину (рис. 85) сумеречного
ореола Земли можно видеть в ночное время, нахо¬
дясь на борту космического корабля. При высоте
его орбиты 230—240 км непосредственно у линии
горизонта наблюдается оранжево-красная полоса,
переходящая в оранжево-желтую, затем желтую,
светло-голубую, голубую, синюю. Наконец, глаз
воспринимает черно-фиолетовый цвет космическо¬
го пространства. По краям такой совокупности по¬
лос наблюдаются светящиеся усы.
Наблюдатель, находящийся на околоземной орби¬
те космического корабля, при переходе из поляр¬
ных широт к экваториальным, замечает значитель¬
ное уменьшение яркости свечения. Все это спра¬
ведливо для такого приемника, как глаз. Приемник
излучения с высокой чувствительностью в красной
области видимого света зарегистрирует высокую
яркость свечения, так как именно у экватора излу¬
чение кислорода в красной линии (X = 6300 А)
в пять раз сильнее, чем в зеленой (X = 5577 А),
долгое время остававшейся необъяснимой.
Французский ученый Даниэль Барбье, проводив¬
ший исследования на станции Таманрассет в Саха¬
ре, а также с борта самолета вдоль меридиана на
африканском континенте, установил значительные
временные и широтные вариации интенсивности
свечения кислорода в упомянутой выше красной
линии. Они связаны с изменением концентрации
ионизированных атомов и молекул кислорода. Ре¬
зультаты Барбье нашли свое подтверждение в из¬
мерениях орбитальной геофизической обсервато¬
рии. Было установлено, что в направлении к гео¬
магнитному экватору излучение линии X = 6300 А
усиливается.
Характерно, что возникшие в результате диссоциа¬
ции атомы кислорода находятся не в обычном
ЗАИИМАТЕІЪІАЯ ОПТИКА

Ночное свечение атмосферы
(нормальном) состоянии, а в возбужденном. К то¬
му же это возбужденное состояние является мета-
стабильным, т.е. долгоживущим. Среднее время
жизни атома кислорода в этом состоянии состав¬
ляет всего 0,74 с. Переходя с этого энергетическо¬
го уровня на более низкий, также метастабильный
уровень со временем жизни ПО с, атом кислорода
излучает "зеленый" квант света. Переход с послед¬
него уровня в еще более низкие энергетические
состояния сопровождается излучением трех "крас¬
ных" квантов с длинами волн X = 6300, 6364 и
6392 А.
Пребывание атома в метастабильном состоянии
может быть значительно сокращено в результате
соударений с другими частицами. Была установле¬
на, например, большая роль тройных соударений в
свечении ночного неба. Два атома кислорода без
участия так называемого "третьего тела”, т.е. еще
одной частицы, никак не хотят образовывать
кислородную молекулу, а ведь непрерывность про¬
цесса свечения ночного неба в зеленой и красной
частях спектра требует присутствия в верхних сло¬
ях атмосферы как атомарного, так и молекулярно¬
го кислорода.
Тот факт, что свечение возникает на больших вы¬
сотах, объясняется действием двух факторов: не¬
обходимой для этого концентрацией кислорода и
достаточно высокой интенсивностью ультрафиоле¬
тового излучения, которое расщепляет молекулы
кислорода на атомы. Последняя быстро уменьша¬
ется по направлению к земной поверхности, в то
время как концентрация кислорода быстро убыва¬
ет в противоположном направлении. В интервале
высот 80-100 км возникают наиболее благоприят¬
ные условия для процессов, вызывающих свечение
кислорода в зеленой и красной областях спектра.
В полночь максимум концентрации атомарного
кислорода приходится на высоту 92 км, а на высо¬
те 100 км, в соответствии с существующей моде¬
лью, концентрации атомарного и молекулярного
кислорода примерно равны.
Итак, в результате кропотливых наблюдений, изу¬
чения спектрального состава излучения ночного
неба, постановки лабораторных опытов, в которых
приняли участие много специалистов - физиков,
метеорологов, астрономов, - тайна зеленой ли¬
нии, наконец, перестала быть тайной. Но, кроме
нее, обнаружено много других спектральных ли¬
ний, вносящих свою лепту в свечение ночного
неба.
Днем компоненты земной атмосферы накапливают
энергию солнечного излучения, прежде всего из
участка его коротковолнового спектра, а ночью от¬
дают ее. Естественно, это не означает, что в днев¬
ное время возбужденные атомы и молекулы атмо¬
сферы не излучают. Процесс этот непрерывный,
но яркость рассеянного днем солнечного излуче¬
ния настолько высока, что выделить ту компонен¬
ту, за которой достаточно долго охотились ученые,
чтобы поймать добавку к светимости, создаваемой
в ночное время звездами, не представляется воз¬
можным.
Изучались также широтные и временные вариации
излучения зеленой линии кислорода. Оказалось,
что в тропических широтах высота атмосферного
слоя, в котором происходит ее излучение, достига¬
ет 200 км, в других широтах она примерно в два
раза ниже. Характерно, что излучение группирует¬
ся в определенных участках, находящихся в движе¬
нии. На протяжении ночи поле зрения пересекает
несколько светящихся образований. Пока неясно, с
чем связаны их движения, с влиянием ветра или с
локальными изменениями концентрации кислоро¬
да, создающими впечатление горизонтального пе¬
ремещения свечения.
Неясно также, существует ли непрерывное по спе¬
ктру свечение верхних слоев атмосферы, или оно
совершенно отсутствует. Если существует, то вы¬
делить его из непрерывного зодиакального свече¬
ния в настоящее время практически невозможно.
Все надежды на будущие спектроскопические из¬
мерения в космических лабораториях. Но в кос¬
мических лабораториях работают люди, интересу¬
ющиеся свечением космических объектов: планет
солнечной системы и их спутников, преобразую¬
щих солнечный свет путем селективного отраже¬
ния и рассеяния атмосферой; свечением звезд и
звездных скоплений; туманностей, удаленных га-
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ ОПТИКА
13/

Атмосферная о космическая оптика
лактик, галактической пыли, квазаров и т.д. Свече¬
ние земной атмосферы — для них весьма нежела¬
тельный фактор, затрудняющий проводить наблю¬
дения и тем более измерения слабосветящихся
объектов. Хотя без атмосферы жизнь на Земле не¬
возможна, вероятно, нет такого астронома-экспе¬
риментатора, который бы не расточал проклятий в
адрес атмосферы. Казалось, все было хорошо под¬
готовлено, получена приятная метеорологическая
сводка и вдруг срыв: никем не запрогнозирован-
ное поведение атмосферы, то ли по ее собствен¬
ной вине, то ли по вине человека или геологичес¬
ких процессов, происходящих в земной коре.
Зодиакальный свет
и противосияние
К эклиптике — проекции земной орбиты на небес¬
ную сферу - примыкает диффузное пылевое обла¬
ко, рассеяние солнечного света на котором дает
так называемый зодиакальный свет - наиболее
яркое свечение ночного неба в средних широтах в
безлунную ночь. В высоких широтах зодиакально¬
му свечению мешают полярные сияния. Зо¬
диакальное свечение удобно наблюдать после ве¬
черних сумерек или перед рассветом. Для этого
необходимо улучить момент, чтобы не перепутать
его с сумеречным свечением, притом выбрать вре¬
мя, когда нет низких облаков у горизонта.
Самые подходящие условия для наблюдения зоди¬
акального свечения у тропиков, поскольку здесь
плоскость эклиптики почти вертикальна. Зодиа¬
кальный свет веден в веде конуса в плоскости эк¬
липтики, яркость и сечение которого уменьшаются
с высотой. По сообщениям Ф. Роч и Дж. Гордона
яркость зодиакального свечения может быть в три
раза выше яркости южной части Млечного пути, а
минимальная в 2 — 3 раза превышает общую
звездную составляющую свечения ночного неба.
С увеличением углового расстояния от Солнца яр¬
кость зодиакального излучения резко уменьшается
и при угле 120° она более чем в 100 раз меньше,
чем при угле 30°. С дальнейшим ростом углового
Специалисту же в области физики атмосферы и
метеорологии в высшей степени желательно, что¬
бы в ней не прекращались все характерные для
нее процессы, в том числе свечения различной
природы и на различных уровнях. Сведения о них
имеют первостепенную важность для обитателей
Земли как для поддержания нормального экологи¬
ческого уровня, так и для составления кратковре¬
менных и длительных прогнозов погоды, своевре¬
менного оповещения о предстоящих радиопомехах
и решения иных проблем, связанных с деятельнос¬
тью человека •
расстояния от Солнца свечение начинает медленно
нарастать за счет появления противосияния.
Зодиакальный свет частично плоско поляризован,
причем максимальное значение степени поляриза¬
ции достигает 23% при угловом расстоянии от
Солнца около 70°.
Наблюдениями из космоса удалось установить
дискретную структуру такого свечения. В веде вер¬
тикальных нитей она отчетливо фиксировалась на
фотоснимках, что отвечает выпаданию метеорных
частиц и их сгоранию в атмосфере.
Астрономам знаком еще один тип очень слабень¬
кого свечения. Оно исходит от хвоста, образован¬
ного атмосферными газами планеты, молекулы ко¬
торых под действием давления солнечных лучей
приобрели достаточно высокую скорость для того,
чтобы навсегда оставитъ орбиту Земли.
Газовый хвост Земли достигает более 600 тысяч
километров, что делает ее образование подобным
комете. Свечение, которое рождается в хвосте под
действием солнечного излучения, называют проти¬
восиянием, стремясь отделить его от полярного
сияния. Оно представляет собой светящуюся про¬
екцию газового хвоста Земли на звездную сферу.
Начинается противосияние на расстоянии пример¬
но 125 тыс. км от Земли, т.е. там, где заканчива¬
ется ее тень и молекулы хвоста подвержены пря¬
мому воздействию Солнца. Противосияние наблю¬
дается примерно до 650 тыс. км от нашей плане-
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ 1 П Т И К А

Ночное свечение атмосферы
ты. Далее плотность хвоста становится настолько
низкой, что зарегистрировать это слабое свечение
не представляется возможным.
После появления космических аппаратов, проведе¬
ния спектральных и фотометрических измерений
зодиакального света и противосияния из космоса
получено много количественных данных о распре-
Серебристые облака
«Реальность предоставляет нам
факты столь романтические, что
воображение бессильно добавить
что-либо к ним»
Жюль Берн
Начиная с древнейших времен, атмосферные обла¬
ка не являются загадочными образованиями. Они
орошают Землю потоками дождя, зимой покрыва¬
ют ее пушистой снежной шубой, а в летнее время
могут преподнести весьма нежелательный сюрприз
в виде града, способного уничтожить на корню уро¬
жай злаковых культур. Все эти явления подсказыва¬
ют нам, что облака состоят из капель воды или
снежинок. Однако, физика образования облаков и
происходящих в них процессов, даже в годы интен¬
сивных метеорологических и космических иссле¬
дований, содержит немало нерешенных проблем.
Приходится согласиться с У. Кингом, что «физика
облаков все еще остается молодой наукой».
Количество вопросов, требующих ответа, скачко¬
образно увеличивается, если от наблюдения обыч¬
ных облаков переключиться на редко наблюдае¬
мые серебристые. Они самые высокие, самые кра¬
сивые и самые загадочные.
Формируются серебристые облака на высотах 60
-80 км, хотя в отдельных случаях появляются да¬
же на высоте 100 км.
Феномен серебристых облаков относится к редким
явлениям природы. Космонавт В.С. Севастьянов
считает, что за весь не очень долгий период на¬
блюдений их видели не более 800 раз. Это связа¬
но с тем, что земному наблюдателю серебристые
облака водны только после захода Солнца, когда
делении пылевого облака в Солнечной системе.
Полностью отсутствуют пылевые образования в уз¬
ком сферическом слое вблизи Солнца, т.к. темпе¬
ратура здесь достаточна для термического рас¬
плавления твердых частиц и даже для диссоциа¬
ции молекул на атомы или ионы
оно опускается за линию горизонта на 6-12 граду¬
сов.
Оказывается и этого мало. Необходимо, чтобы на¬
блюдатель северного или южного полушария нахо¬
дился в интервале географических широт 45-65
градусов, притом «охотился» за ними в июле - ав¬
густе, так как на этот период приходится примерно
94 % удачных случаев.
Систематические исследования серебристых обла¬
ков проводятся с 1885 г., сразу после переоткры-
тия их московским астрономом В. Церасским. Мы
пользуемся словом «переоткрытие» по той причи¬
не, что еще в 1648 г. серебристые облака упоми¬
наются в работе французского ученого Меньона, а
в 1781 г. о них писал француз Розье.
За прошедший период космических исследований
получены некоторые сведения об игре цветов в этих
пока еще довольно загадочных объектах. Может
бытъ, в недалеком будущем одному из космонавтов,
пронизывающему на своем корабле такое облако,
удастся зачерпнуть частичку его содержимого и пре¬
доставитъ ее сотрудникам земной лаборатории для
анализа. Здесь встречу космонавта с серебристым
облаком мы уподобили встрече метеоролога с обыч¬
ным облаком, когда он, находясь на борту тихоход¬
ного самолета, высунув руку за борт, наполняет про¬
бирки составом облака, а затем в лаборатории уста¬
навливает содержание воды, аэрозоля и химический
состав последнего. Космонавт не может проделать
такую операцию. Однако можно продумать конст¬
рукцию зонда, открывание и закрывание которого
производится автоматически из кабины корабля.
Некоторое представление о серебристых облаках да¬
ет рис. 86, заимствованный из книги АФ. Пугача и
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ О П Т Н К А

Атмосферная о космическая оптика
К.И.Чурюмова «Небо без чудес». Они же дают корот¬
кое и в то же время весьма образное описание яв¬
ления, которое мы приводим здесь без изменений.
«Серебристые облака несколько похожи на высо¬
кие перистые облака. В них часто можно видеть
узкие длинные струйки, волокна и более широкие
полосы. Они часто переплетаются между собой, а
на концах иногда закручиваются в неполное коль¬
цо. Вся эта ажурная конструкция медленно изме¬
няется. В местах переплетения полос и гребней
волн облаков возникают видимые сгущения яркого
вещества. В других местах появляются кольцеоб¬
разные темные «дыры» либо «кратеры». Иногда
становится заметной многослойная структура се¬
ребристых облаков, особенно так называемый
флер, имеющий вид туманной клочкообразной пе¬
лены, местами прикрывающей волнистый слой се¬
ребристых облаков. Вместе с тем серебристые об¬
лака даже в самых плотных и ярких местах про¬
зрачны: сквозь них хорошо видна Луна и звезды.»
Огромные возможности для исследования сереб¬
ристых облаков предоставляет современная кос¬
мическая техника. Так, например, в конце 70-х го¬
дов космонавт В.И. Севастьянов писал, что вместе
с П.Климуком, находясь на космической станции
«Салют-4», они зарегистрировали серебристые об¬
лака более 20-ти раз и получили несколько тысяч
спектров этого объекта, а также верхних слоев ат¬
мосферы. На одном из них (рис. 87) показана ус¬
редненная кривая спектрального распределения
яркости серебристых облаков.
На приведенном спектре четко видны полосы по¬
глощения молекулярного кислорода, воды, а также
группы СИ. Самая высокая относительная яркость
характерна для коротковолнового участка видимой
области. Она-то и определяет игру цветовых от¬
тенков, в которой почти не принимают участия
оранжевые и красные лучи из-за поглощения кис¬
лородом и молекулами воды.
Наблюдение серебристых облаков из космоса поз¬
воляет любоваться ими в чистом веде, без искажа¬
ющего влияния земной атмосферы, ведеть пере¬
ливание цветов и колебание блеска в различных
участках облака.
ЗДІИМАТЕВЬВДЯ ОПТИКА

Ночное свечение атмосферы
Восторг, охвативший космонавтов В. Севастьянова
и П. Климука, хорошо передан ими в своих воспо¬
минаниях. «Серебристые облака, - пишет первый,
- завораживают. Структура либо очень тонкая и
яркая на границе с абсолютно черным небом, либо
ячеистая, похожая на крыло лебедя». Перламутро¬
вый опенок серебристого облака не представить
себе лучше, чем это сделал космонавт, сравнив
его с крылом лебедя.
А вот впечатления П. Климука: «Видим серебрис¬
тые облака. Тут очень интересно! Такой картины я
еще никогда не видел. Вы представляете себе, что
такое ночной горизонт. Очень интересная гамма
красок. И над цветовым ореолом ярче всех цветов
-серебристые облака!... Видим блестящий холод¬
ный цвет, почти перламутровый... Он переливается
так красиво... Облака тянутся сплошной линией от
Урала до Камчатки, до самого восхода Солнца... А
сейчас мы видим их как бы в профиль. Верхняя
граница очень четкая, а нижняя размытая, толщина
всюду разная»
Мы отмечали, что серебристые облака наблюдают¬
ся преимущественно на широтах 45 — 65 градусов.
Однако, космонавтам Ю. Романенко и Г. Гречко по¬
счастливилось ведетъ их даже над южным полюсом
во время первого полета космического аппарата
«Салют-6». Этот факт сведетельствует о том, что
образование серебристых облаков с различной ве¬
роятностью возможно на любых широтах, как,
впрочем, и обычных облаков: перистых, слоистых,
кучевых и любого иного типа. Для установления за¬
кона широтного изменения этой вероятности необ¬
ходимо составить и реализовать специальную про¬
грамму исследований, включающую в первую оче¬
редь вопрос о составе серебристых облаков.
В настоящее время обсуждается, по крайней мере,
две версии об их природе. В первой предполага¬
ется, что серебристые облака образуются из пыли¬
нок вулканического происхождения, частичек раз¬
рушающихся кометных ядер, метеорного вещества
иного происхождения, например, продуктов разру¬
шившихся астероидов. В этом случае серебристые
облака должны обладать более широким спектром
опенков, в зависимости от химического состава
образующих их пылинок. Поэтому, кроме обычного
аэрозольного рассеяния солнечного света, индика¬
триса которого определяется размерами частиц,
цветовая гамма зависит также от их спектра погло¬
щения. Вторая версия связана с образованием
кристалликов лада.
ЗДІИМАТЕЯЬНАЯ ОПТИКА
141

Атмосферная о космическая оптика
Аэрозольные частицы в нижних слоях атмосферы
выполняют роль центров конденсации паров во¬
ды. Тот же процесс может происходить и на вы¬
соте серебристых облаков. Тогда остается выяс¬
нить, откуда берутся на высоте 60-80 км молеку¬
лы воды.
Основными компонентами земной атмосферы яв¬
ляются азот (78%) и кислород (21%). Остальные
газы, включая пары воды, составляют около од¬
ного объемного процента. Но, в зависимости от
температуры воздуха, концентрация молекул во¬
ды меняется в очень широких пределах, от 0,04
до 4%. Молекулы воды легче молекул азота и
кислорода, поэтому, испаряясь из поверхности
континентов, морей и океанов, они могут заби¬
раться как угодно высоко, достигая в том числе
слоя образования серебристых облаков. При на¬
личии аэрозолей они покрывают их частицы тон¬
кой пленкой льда, которая разрастается со вре¬
менем в ледяные пластинки. Солнечные лучи, па¬
дающие на них, могут претерпевать отражение,
преломление, рассеяние, интерференцию и ди¬
фракцию, приводящие в совокупности к наблю¬
даемым явлениям игры блеска и цветовых от¬
тенков.
Почему все это происходит на упомянутых выше
высотах, объясняется просто. Именно здесь суще¬
ствует слой атмосферы, получивший наименова¬
ние мезопаузы, где температура около 80 —90
градусов ниже нуля. За пределами этого слоя, вы¬
ше и ниже его, температура повышается. Благода¬
ря этому и низкому давлению кристаллики льда не
образуются.
В слое атмосферы, именуемой мезопаузой,
кристаллики льда могут образоваться и без
участия аэрозолей. Для этого там существуют
вполне подходящие температурные условия.
Более того, некоторые специалисты считают,
что процесс образования серебристых облаков
вовсе не требует поступления в слой мезопау¬
зы молекул воды земного происхождения. Они
образуются из находящихся там молекул кис¬
лорода, распадающегося под действием сол¬
нечного излучения на отдельные атомы, и час¬
тиц солнечного ветра - протонов и электронов.
Кислород в атомарном состоянии обладает вы¬
сокой активностью, поэтому охотно захватыва¬
ет два водородных атома, образуя молекулу
воды. Предполагается, что концентрация воз¬
никших таким образом молекул вполне доста¬
точна для получения серебристых полупрозрач¬
ных облаков, сквозь которые хорошо видна Лу¬
на и звезды.
В этой версии все же имеется слабое место.
Дело в том, что выбрасываемые Солнцем элек¬
троны и ионы отклоняются магнитным полем
Земли к ее магнитным полюсам, концентриру¬
ясь вблизи кольцеобразных зон. Радиус этих
зон тем больше, чем больше скорость частиц, и
составляет в среднем 23° — 26°. Тем не менее,
все известные публикации, за исключением
единственного наблюдения космонавтами
Ю. Романенко и Г. Гречко серебристых облаков
над южным полюсом, содержат сведения, ис¬
ключающие широты, которые превышают 65°.
Следовательно, в географических широтах 45° -
65° не может быть паров воды, предполагаемо¬
го происхождения, хотя полностью исключить
их космическую природу также нельзя. Хотя бы
потому, что в хвостах комет предостаточно мо¬
лекул воды.
Невольно возникает вопрос, а не ошиблись ли
Ю. Романенко и Г. Гречко, приняв перисто-сло¬
истые облака за серебристые? Сколько ни ана¬
лизируй сложившуюся ситуацию, приходится
пока констатировать, что серебристые облака
продолжают оставаться загадкой, хотя присут¬
ствие в них кристалликов льда не вызывает со¬
мнений. И все же ученые не успокоятся до тех
пор, пока не получат возможности реализации
упомянутого выше опыта по извлечению содер¬
жимого серебристого облака для лабораторного
анализа, и вообще не займутся более глубоким
изучением их.
В завершение короткого рассказа о феномене се¬
ребристых облаков отметим, что подобные явле¬
ния в виде разреженных синих облаков наблюда¬
ются в атмосферах Марса и Венеры •
142
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ ІІТИІА

Ночное сееченое атмосферы
Полярные сияния и солнечная
активность
Полярные сияния являются наиболее интересным
ведом ночного свечения атмосферы. Появляются
они благодаря солнечной активности, играющей
огромную роль в процессах, происходящих на Зем¬
ле. Она проявляется в изменении климата, в скоро¬
сти роста деревьев и других растений, в концент¬
рации радиоактивного углерода 14С, в возникно¬
вении магнитных бурь, в самочувствии людей.
Главным признаком солнечной активности служат
солнечные пятна - темные образования на сол¬
нечном диске. Темными они кажутся потому, что
их температура на 1500° ниже температуры сосед¬
них участков. Отличаются разнообразием формы и
размеров, иногда превышающих 100 000 км. Не¬
удивительно, что визуальное обнаружение солнеч¬
ных пятен насчитывает более 2000 лет. Так, в
древнекитайских летописях упоминается о наблю¬
дении на поверхности Солнца яйцеобразных и пти¬
цеобразных образований.
Изучение солнечных пятен с помощью оптических
приборов начато лишь в 1611 г. В этой связи сле¬
дует отметить имена Г. Галилея, И .Фабриция и
X. Шайнера. Г. Галилей относил пятна к самому
Солнцу, X. Шайнер же считал, что они являются
следствием экранировки солнечного диска находя¬
щимися вблизи планетами.
Многочисленные наблюдения показали, что пятна
появляются периодически, захватывая все боль¬
шую и большую часть солнечного диска, и затем
исчезают. Такой процесс повторяется через каж¬
дые 11,2 лет.
Пятна не остаются на одном и том же месте, а пе¬
ремещаются в результате вращения Солнца вокруг
собственной оси. Это позволило Галилею впервые
в истории астрономических исследований опреде¬
лить по перемещению пятен период вращения
Солнца.
Отличительные особенности явления при много¬
кратных наблюдениях позволяют установить реаль¬
ные механизмы происходящего и оценить уровень
достигнутого. Например, при последнем наблюде¬
нии кометы Галлея в 1986 году астрономы пользо¬
вались описаниями ее прохождения вблизи Солнца
в прежние исторические эпохи. Сравнивая послед¬
ние результаты с более ранними, они могли су¬
дить об эволюции данного космического тела. Тем
же путем получена богатая информация о появле¬
нии, развитии и постепенном ослаблении солнеч¬
ных пятен.
Многолетними наблюдениями установлены широт¬
ные зоны появления пятен, простирающиеся по
обе стороны солнечного экватора в интервале уг¬
лов от 8 до 30 градусов, а также упомянутый выше
11 -летний цикл. Бывают длительные периоды, ког¬
да он слабо выражен. Так, исследованиями
Г. Шпеера, Э. Маундера и Дж. Эдди показано, что
с 1645 по 1715 гг., т.е. в течение 70 лет, пятна
фактически не появлялись. И действительно, опи¬
раясь на исторические сведения, можно констати¬
ровать, что в упомянутом 70-летнем промежутке
времени были достаточно длительные интервалы,
когда солнечные пятна вообще не появлялись.
Перечень возникающих и исчезающих пятен ведет¬
ся с древнейших времен в Японии, Китае и Корее:
начиная с 28-го года и заканчивая 1773 годом,
причем невооруженным глазом и с использовани¬
ем ослабляющих световой поток фильтров. В соот¬
ветствии с данными этих наблюдений в промежут¬
ке времени с 1584 года по 1770 год не заре¬
гистрировано ни одного пятна. Максимальное чис¬
ло пятен приходится на интервал 1080—1280 гг.,
именуемый "средневековым максимумом" солнеч¬
ной активности.
С солнечной активностью установлена прочная
связь полярных сияний. Поэтому можно было
ожедать, что в ее минимуме полярные сияния
вообще отсутствуют, или же имеют низкую ин¬
тенсивность. Наблюдения подтверждают этот вы¬
вод: в упомянутый выше 70-летний отрезок вре¬
мени в Европе не наблюдали ни одного полярно¬
го сияния.
По-видимому, читатель помнит из школьного курса
ботаники о годовых кольцах деревьев. Оказывает¬
ся, эти кольца, как и полярные сияния, дают цен-
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ ОПТИКА

Атмосферная п космическая оптика
ную информацию о периодичности солнечной ак¬
тивности. Это выражается не только в толщине ко¬
лец, но и в процентном содержании в них изотопа
углерода 14С.
Углерод является одним из основных химических
элементов, входящих в состав любого органичес¬
кого вещества, в том числе и в состав древесины.
Атомное ядро наиболее распространенного в при¬
роде изотопа углерода состоит из шести протонов
и шести нейтронов, поэтому обозначают его сим¬
волом 12С. Он не радиоактивен и составляет 98,9%
от общего количества естественного углерода. На
долю более тяжелого, также естественного углеро¬
да, ядро которого имеет на один нейтрон больше
(углерод 13С), приходится всего 1,1%.
Кроме таких углеродных атомов, существует еще
три радиоактивных, один из которых 14С образует¬
ся в высоких слоях атмосферы Земли в результате
бомбардировки молекул углекислого газа косми¬
ческими лучами, приходящими к нам из далеких
глубин Вселенной. В составе космических лучей
преобладают протоны. Поглотив два космических
протона, атом углерода молекулы углекислого га¬
за превращается в более тяжелый изотоп 14С. Та¬
кие молекулы усваиваются растениями также хо¬
рошо, как и обычные, содержащие в своем соста¬
ве наиболее распространенный нерадиоактивный
углерод 12С.
В период бурной солнечной деятельности, т.е. при
солнечных вспышках, сопровождающихся выбро¬
сом вещества в области солнечных пятен, образу¬
ется магнитное поле, достигающее земной поверх¬
ности и простирающееся далеко за ее пределы.
Это поле накладывается на магнитное поле Земли,
создавая вместе с ним барьер, предотвращающий
проникновение космического излучения в земные
пояса, расположенные далеко от магнитных полю¬
сов Земли, т.е. в области малых географических
широт. Следовательно, в период активной солнеч¬
ной деятельности в этих поясах годичное кольцо
любого дерева не должно содержать атомов угле¬
рода 14С, или же концентрация его будет ниже,
чем в соседних кольцах, образовавшихся в годы
слабой солнечной активности.
Есть такое изречение: "Наука требует жертв". Что¬
бы проверить справедливость вывода о соответст¬
вии минимальной концентрации атомов 14С в го¬
дичных кольцах деревьев, надо было спилитъ по
крайней мере одно четырехсотлетнее дерево, что¬
бы в 1958 году обнаружить возрастание концент¬
рации атомов 14С в период низкой солнечной ак¬
тивности. Дерево было спилено, возможно, даже
не одно, проведен необходимый анализ, который
показал, что в период с 1640 по 1720 гг. концент¬
рация атомов 14С была на 10% больше, чем в годы
интенсивного появления солнечных пятен. Этот
временной интервал перекрывает упомянутый на¬
ми ранее интервал 1645—1715 гг., когда солнеч¬
ные пятна не появлялись.
В статье "Армянские хроники XI—XII вв." А.Ж. Бар-
сегян пишет, что в 1965 г. и 1970 г. были опуб¬
ликованы подробные данные о содержании угле¬
рода 14С в годовых кольцах деревьев. На основа¬
нии этих данных Дж. Эдди установил несколько
максимумов и минимумов солнечной активности,
начиная с древнего Шумера и Египта и заканчи¬
вая XX столетием. Это очень интересное сообще¬
ние, поскольку для получения подобных данных
необходимо спилить дерево, возраст которого
5-6 тысяч лет. Такие деревья, вообще говоря,
описаны в литературе. Например, африканский
баобаб или азербайджанская чинара. Их диаметр
равен нескольким метрам, и чтобы спилить такое
дерево, надо изготовить соответствующей длины
пилу. Хочется верить автору, что все было имен¬
но так.
Пользуясь древними армянскими летописями,
А.Ж. Барсегян разыскал в них описания небесных
явлений, наблюдавшихся в Армении в установ¬
ленные Дж. Эдди периоды бурной солнечной ак¬
тивности. Процитируем одно из них, приведенное
Б.Е.Туманяном в его "Истории армянской астро¬
номии".
"В этом году было знамение страшное и удиви¬
тельное в северной части неба, так что никто ни¬
когда не видел великолепного знамения: в месяце
марери воспламенилось небо пламенем ярко-крас¬
ного цвета и стало будто холм и был круговорот в
144
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ О П Т И К А

Ночное свененое атмосферы
цветах, и, перетекая, показалось лицом к востоку
и, рассыпаясь по частям, покрыло большую часть
неба: было оно темно-красного цвета и порази¬
тельное, и достигло вершины небесного свода.
Мудрецы и гениальные люди, узнав об этом, гово¬
рили, что это есть знамения кровопролития: дей¬
ствительно, было столько бессердечных избиений
и бедствий, что мы вписали в эту книгу только не¬
многое."
Прежде всего, акцентируем внимание на цвета по¬
лярного сияния. Нам представляется, читатель по¬
нял, что речь идет именно о нем. То, что цвет
"знамения" был ярко-красным и даже темно-крас¬
ным, объясняется огромным расстоянием от Арме¬
нии до северного полюса. Столица Армении Ере¬
ван находится на широте 40° 10', так что преодо¬
левая тысячи километров в атмосфере Земли, ко¬
ротковолновое излучение видимого спектра рассе¬
ялось и до наблюдателя дошли лишь длинноволно¬
вые красные лучи. Обычный атмосферный эффект,
который мы наблюдаем при восходе и заходе
Солнца.
При сравнении даты цитированной Б.ЕТуманяном
летописи (конец XI века) и указанного в ней време¬
ни происхождения события легко было установить,
что оно отвечает периоду интенсивного возраста¬
ния солнечной активности на подходе к средневе¬
ковому максимуму Дж. Эдди.
Рис. 88
Типичные формы полярных сияний:
а — однородная дуга, б — лучистая дуга,
в — в виде драпри, г — сложного вида
являются в веде диффузного свечения неба. Хоро¬
шо наблюдаются в ночное время, днем они едва
заметны.
Приведенный пример показывает, насколько важно
и полезно обращаться к древним источникам для
доказательства научных теорий и гипотез.
Полярное сияние — это непрерывная смена при¬
чудливых декораций, разнообразие чередования
красот. Вы ведите роскошные театральные занаве¬
си, дрожащие пучки тонких разноцветных нитей.
Удовлетворяется наилучшим образом самая широ¬
кая фантазия художника.
Непредсказуемая подвижность полярных сияний
проявляется в непрерывном изменении формы
светящихся участков разряженной атмосферы, че¬
редовании и смене красок, погасании и всплесках
яркости свечения. Иногда они неподвижны и про-
Типичные формы полярных сияний показаны на
рис. 88, а фотографии некоторых из наблюденных,
как правило, сложного типа образований —
на рис. 89-93.
Полярные сияния имеют ту же природу, что и ноч¬
ное свечение атмосферы, так как светятся ее ком¬
поненты, только возникают оба веда свечений при
разных условиях. Ночное свечение вызвано реком¬
бинацией атомов с образованием молекул, кото¬
рые в высших слоях атмосферы в дневное время
под действием обильного ультрафиолета распада¬
лись на атомы. При этом ночное свечение в отли¬
чие от полярных сияний наблюдается на любых
широтах.
ЗА8ИМАТЕ11ІДЯ ОПТИКА
145

Атмосферная и космическая оптика
Рис. 89
Полярное сияние
в виде наложения
однородной и
лучистой дуги
Рис. 90
Полярное сияние
в виде драпри
и лучистой полосы
Рис. 91
Полярное сияние
неопределенного
вида
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ ОПТИКА

Рис. 92
Ночное свечение атмосферы
Полярное сияние
в виде радиальной
лучистой дуги
Рис. 93
Полярное сияние
в виде трех
лучистых дуг
Происхождение полярных сияний связано с сол¬
нечным ветром, образованным интенсивными по¬
токами электронов и протонов, выбрасываемых
расширяющейся солнечной короной. Поскольку
каждая несущая электрический зарад частица со¬
здает свое поле, суммарное поле электронов и
протонов, взаимодействуя с магнитным полем
Земли, в значительной степени деформирует его
как в пространстве, так и во времени. Пространст¬
венная деформация заключается в сгущении
магнитных силовых линий на дневной стороне и
вытягивании на миллионы километров с образова¬
нием шлейфа в виде кометного хвоста на ночной.
Высота полярных сияний весьма внушительна, т.к.
энергия электронов и протонов расходуется в зна¬
чительной мере в поясе разреженной атмосферы
на высоте 80 -100 км и даже до 400 км. Иногда
свечение такого типа наблюдают даже на высоте
свыше 1000 км.
Яркость свечения зависит не только от плотности
атомов и молекул в верхних слоях, но и от плотно¬
сти заряженных частиц. Число электронов, прони¬
зывающих ежесекундно площадку в 1 см, колеб¬
лется в пределах 109 -1011, плотность протонов
не превышает 3 • 108.
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ ОПТИКА
14/

Атмосферная о космическая оптика
Казалось бы колоссальные цифры, но если опре¬
делить массу покоя всех частиц солнечного ветра,
достигающих Земли, то она не превышает 2 кг. Ес¬
ли бы Солнце только отдавало вещество в виде из¬
лучения и солнечного ветра и ничего не получало
взамен, его хватило бы примерно на 28 миллионов
лет. Но наше светило немало захватывает из кос¬
моса различных осколков и пыли, попавших в его
гравитационное поле. К сожалению, неизвестны
относящиеся к этому факту оценки.
Интересно наблюдать полярное сияние из кабины
космического корабля. Космическому наблюдате¬
лю не страшны никакие облака, причем осматри¬
вает он сразу огромное пространство. Именно изу¬
чение полярных сияний средствами космической
техники позволило собрать богатую информацию о
наиболее вероятных местах появления, их форме,
протяженности в вертикальном и горизонтальном
направлениях и других особенностях. Наблюдения
из космоса интересны также тем, что исследова¬
тель может находиться в любом месте над землей,
с помощью специальной аппаратуры регистриро¬
вать спектральный состав узких участков, замерять
электрические потенциалы отдельных точек и оп¬
ределять другие характеристики явления.
Установив причину, можно было попытаться вы¬
звать полярные сияния искусственным путем.
Впервые эта попытка осуществлена совместным
советско-французским экспериментом "Араке".
Ореол вокруг космических
аппаратов
До появления космических станций астрономичес¬
кие наблюдения приходилось проводить на земных
обсерваториях, в лучшем случае находящихся в го¬
рах, где не так часто сказываются атмосферные
помехи. Поместив астронома вместе с телескопом
в космический аппарат, ученые надеялись изба¬
виться от капризов атмосферы. Но не тут-то было.
Нежданно-негаданно появился новый фактор, за¬
трудняющий работу космонавта-астронома. Им
оказалось свечение, возникающее вокруг спутни-
На одном и том же магнитном меридиане было
выбрано 2 пункта — один в Архангельской области,
другой на острове Кергелен в Индийском океане.
В этом пункте с помощью геофизической ракеты
на высоту более 20 000 км был поднят электрон¬
ный ускоритель, выбросивший по магнитной сило¬
вой линии Земли достаточно плотный пучок
электронов. Достигнув намеченного в Архангель¬
ской области пункта, они вызвали на определен¬
ной высоте полярное сияние, не менее красочное,
чем от частиц "солнечного ветра". Такие опыты
очень полезны для геофизиков, изучающих струк¬
туру магнитного поля Земли, взаимосвязь ее с яв¬
лениями, происходящими в ионосфере. Таким же
искусственным способом на любую высоту можно
инжектировать ионы или пучки атомов любых хи¬
мических элементов.
Из-за плохой проводимости воздуха вблизи зем¬
ной поверхности и большой емкости такого естест¬
венного конденсатора, как тропосфера - Земля
быстрые изменения в ионосфере не могут безы¬
нерционно дублироваться во всех деталях у зем¬
ной поверхности.
Низкая проводимость характерна не только для
тропосферы, но и для самой Земли. Во всяком
случае, по сравнению с проводимостью вод Аркти¬
ки и Антарктики. Поэтому нижний кант полярных
сияний должен повторять береговую линию, что и
подтверждается наблюдениями <
ков и космических кораблей при орбитальном по¬
лете в высоких слоях земной атмосферы.
Впервые это свечение обнаружено радиометрами,
регистрирующими излучение в ближней инфра¬
красной области при спуске космического аппара¬
та в интервале высот 120-170 км. Максимальная
яркость зарегистрирована на высоте 120-130 км.
В дальнейшем (1971 г.) космонавты В.А. Шаталов,
А.С. Елисеев и Н.Н. Рукавишников при посадке ко¬
рабля "Союз-10" на ночной стороне Земли впер¬
вые наблюдали такое свечение визуально. На вы¬
соте 120 км они увидели яркое свечение, цвет ко-
ЗАНИМАТЕПЬНАЯ ОПТИКА

Ночное свечение атмосферы
торого имел различные опенки - от голубого до
розового. В дальнейшем свечение у поверхности
космических аппаратов неоднократно наблюдали
советские и американские космонавты.
На базе проведенных исследований установлено,
что яркость ореола пропорциональна концентрации
атомарного кислорода, если высота полета превы¬
шает 160-180 км. Ниже 160 км она пропорциональ¬
на примерно квадрату концентрации молекулярного
кислорода. Из данных американского спутника АЕ-С
следовал вывод, что обнаруженное свечение зани¬
мает всю видимую область спектра с возрастанием
интенсивности в его красной части. Главный макси¬
мум, интенсивность которого примерно в тысячу
раз превышает интенсивность водимого свечения,
находится в ближней инфракрасной области.
Исследования, выполненные американскими кос¬
монавтами при полете "Дискавери", показали зна¬
чительное влияние на характер свечения материа¬
ла обшивки космического аппарата и его темпера¬
туры, изменяющейся в зависимости от солнечного
освещения от -150°С до + 120°С. Характерно, что
понижение температуры сопровождается не ослаб¬
лением, а увеличением яркости свечения. Таким
образом, тепловой эффект исключается. Тем бо¬
лее, что речь одет об излучении, воспринимаемом
глазом.
На протяжении истекшего времени от первых на¬
блюдений свечения было выдвинуто несколько ги¬
потез о его природе. Одна из них предполагает,
что излучение связано с возбуждением атомов и
молекул атмосферы при их столкновении с набега¬
ющим космическим аппаратом. Именно поэтому,
считают авторы этой гипотезы А.И. Лазарев и
Л.И. Гречихин, наибольшая яркость приходится на
переднюю стенку космического аппарата. Свече¬
ние у боковых и задней стенок объясняется конеч¬
ным временем жизни частиц в возбужденном со¬
стоянии. Получив определенную порцию энергии
при соударении, атом или молекула не сразу отда¬
ют ее в виде кванта света, а через некоторое вре¬
мя и поэтому испускают на некотором расстоянии
от передней стенки.
Более высокую яркость спереди аппарата можно
объяснить также более высокой плотностью час¬
тиц. Ведь, набегая на атмосферный газ, аппарат
уплотняет его.
Отмеченное выше влияние материала обшивки ко¬
смического аппарата наталкивает на мысль о его
каталитической роли, т.е. активизации протекания
некоторых химических реакций. Так, например,
главным источником оранжево-красного ореола
некоторые исследователи считают молекулы гид¬
роксила ОН, образующиеся в возбужденном состо¬
янии из атомов водорода и кислорода у поверхно¬
сти космического аппарата.
В спектре рассматриваемого свечения присутст¬
вуют линии азота, а также содержащих азот мо¬
лекулярных образований. Интенсивность соот¬
ветствующего им свечения пропорциональна
концентрации частиц. Из возможных механизмов
их возбуждения может быть диссоциация (т.е.
распад) молекул азота на отдельные атомы при
столкновении с обшивкой космического корабля.
Подсчитано, что кинетическая энергия налетаю¬
щих молекул превышает энергию диссоциации
на 0,2 эВ. После этого, благодаря каталитичес¬
кому действию материала обшивки, атомы азота
объединяются в молекулы, причем последние
оказываются в возбужденном состоянии, а по¬
этому излучают.
Все было бы хорошо, если бы прямые измерения
концентрации атомарного азота с борта спутников
"АЕ" не показали, что она не увязывается с интен¬
сивностью свечения, а заметно ниже необходимо¬
го уровня. Возможно, ближе к истине является ги¬
потеза об образовании молекул двуокиси азота
N02, причем сначала атомы азота и кислорода да¬
ют моноокись N0, затем к ней присоединяется
еще один атом кислорода. Естественно, молекула
N02 должна находиться в возбужденном состоя¬
нии, иначе никакого свечения не появится. На¬
сколько жизнеспособной окажется эта гипотеза по¬
кажет время, а пока она согласуется с данными о
концентрации окиси N0, полученными на спутни¬
ках "АЕ-С", "АЕ-Е" и "DE-B".
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ Н П Т И К А

Атмосферная и космическая оптика
Приведенные гипотезы опираются на каталитичес¬
кое участие поверхностей космических аппаратов.
Но не следует снимать со счета и ударное возбуж¬
дение атомов и молекул атмосферы. Его эффек¬
тивность определяется не только относительной
скоростью частицы и космического аппарата, но и
упругими характеристиками материала обшивки, в
частности его микротвердостью.
Подводя итоги, можно констатировать, что в мо¬
мент написания этой книги прибортовое свечение
космических кораблей еще не взято на вооружение
ученых как объект научных исследований, а явля¬
ется помехой в изучении собственного свечения
атмосферы на различных высотах и географичес¬
ких широтах.
С ним борются различными способами. Во-пер¬
вых, стараются проводить атмосферные исследо¬
вания на уже состарившихся в космосе аппаратах,
которые меньше загрязняют близлежащее прост¬
ранство собственным газовыделением. Во-вторых,
положительный результат дает выбор материала
обшивки. Американские специалисты лучшим ма¬
териалом считают обычный полиэтилен •
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ ОПТИКА

Наблюдение Земли из космоса
Наблюдение Земли
из космоса
Тепловое излучение Земли
юбое тело, температура которого превышает
температуру абсолютного нуля (-273,16°С),
должно излучать непрерывный спектр, распре¬
деление интенсивности в котором напоминает кри¬
вую Планка с максимумом, соответствующим его
температуре. На этой кривой могут быть отступле¬
ния от плавного планковского хода,- изменения из¬
лучательной способности в зависимости от длины
волны или частоты. Они вызваны неодинаковым по¬
глощением света в различных участках спектра. Ес¬
ли бы тело полностью поглощало все падающие на
него лучи, независимо от длины волны, оно было
бы абсолютно черным, подобно нашему Солнцу,
или изображенной на рис. 17 модели.
Различные участки земной поверхности в любой
момент времени в общем имеют различную тем¬
пературу, следовательно излучают неодинаково,
находятся ли они рядом, или на расстоянии тысяч
километров друг от друга.
Положите под солнечные лучи в жаркий летний
день деревянную доску и кусок жести и через не¬
сколько минут прикоснитесь ладонью сначала к
доске, а потом к металлу. Во втором случае вы бы¬
стро уберете руку. Благодаря очень большой по¬
глощательной способности, металл нагревается
быстрее и сильнее дерева. В приведенном приме¬
ре и дерево, и металл являются серыми телами.
Вообще все тела, большие и малые, независимо
от химического состава, физики относят к серым,
т.к. они поглощают и излучают свет не так, как
этого требует формула Планка, описывающая рас¬
пределение интенсивности излучения по длинам
волн при данной температуре абсолютно черного
тела. Поэтому, чтобы установить это распределе¬
ние, необходимо провести соответствующие изме¬
рения.
Вспаханный участок поля и редом расположенная
роща по-разному поглощают солнечные лучи, по-
разному рассеивают их и излучают невидимые ин¬
фракрасные лучи. Часто их называют тепловыми.
Рис. 94
Тепловое
излучение Земли
с (кривая а) и без
(кривая б) вклада
фонового излу¬
чения паров воды.
Пунктир — план-
ковская кривая
для температуры
17,3°С
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ О П Т И К А
151

Атмосферная п космическая оптика
Вследствие этого температурное излучение зем¬
ной поверхности в различных регионах планеты
уместно измерять на определенных расстояниях от
нее и довольствоваться некоторым усредненным
значением излучательной способности обширного
участка.
Тепловое излучение Земли, прежде чем достичь
расположенного над ней измерительного прибора,
проходит определенную толщу атмосферы, внося¬
щую свои коррективы. При одной и той же темпе¬
ратуре Земли измерения в ясный и облачный день
аппаратурой, поднятой на одну и ту же высоту, но
выше облачного покрова, дают очень непохожие
результаты. В облачный день часть светового по¬
тока поглощается облаком, состоящим, как извест¬
но, из капель воды и центров ее конденсации, а
частъ рассеивается. В безоблачный день поглоще¬
ние будет значительно слабее, т.к. концентрация
присутствующих в атмосфере молекул воды во
много раз меньше. На рис. 94 пунктиром (кривая с)
дано планковское распределение излучения абсо¬
лютно черного тела при температуре 17,3 °С в
предположении, что она в некотором приближении
может характеризовать излучательную способность
Земли. Кривые "а" и "б" — экспериментальные,
полученные 14 августа в районе швейцарского го-
Рис. 95
Влияние компонент земной атмосферы на пропускание теплового излучения Земли
в интервале длин волн А, = 7,5 +14 мкм: # - кривая пропускания озона; 3 - смеси С02,
N20, СН4; 0- паров воды;©- аэрозолей;©- полное пропускание атмосферы.
152
3 А Н И М А Т Е П Ь 0 А И ОПТИКА

Наблюдение Земли из космоса
8	12	16	20	24 X, мкм
Рис. 96
Спектр пропускания тридцатисантиметрового слоя газообразного озона. Верхняя кривая
получена при давлении 230 мм ртутного столбика, нижняя - при 160 мм рт. ст
рода Цюриха на высоте 547 м. Первая кривая учи¬
тывает вклад теплового излучения паров воды,
вторая - только поглощение последних. Площадь
между кривыми "а" и "б" дает вклад излучения па¬
ров воды в дополнение к излучению Земли. Он су¬
щественно меньше потерь на поглощение водой,
равной площади, заключенной между кривыми "с"
и "а".
Эти данные любезно предоставлены авторам про¬
фессором Лаборатории инфракрасной физики Ин¬
ститута квантовой электроники Швейцарии
Ф.К. Кнойбюлем. Профессор Ф.К. Кнойбюльсо
своими швейцарскими коллегами, использовав
модель атмосферы Макклатчея Р. А. и др., которая
получила название "Лето в средних широтах", оце¬
нили вклад атмосферных газов в полное пропуска¬
ние теплового излучения атмосферой Земли на
высоте 600 м от уровня моря в направлении,
составляющем угол 45° от направления на зенит.
Их результаты приведены на рис. 95. Полное про¬
пускание характеризует самая нижняя кривая. Наи¬
большее значение, несколько превышающее 60 %,
оно имеет при длинах волн X « 9 мкм и X « 11 мкм.
По краям исследованного спектрального интервала
его величина составляет всего несколько процен¬
тов из-за сильных потерь на поглощение метаном,
окисью азота, озоном, углекислым газом и парами
воды. Значительные потери имеют место в интер¬
вале X = 9-И0 мкм, где расположены частоты ос¬
новного колебания ѵ3 озона и разностная комби¬
нация основного тона ѵ3 молекулы С02 и первого
обертона колебания ѵ2. В рассматриваемом
спектральном интервале лишь потери на аэрозоль¬
ное рассеяние невелики (4—5%) и почти одинако¬
вы во всем спектральном интервале.
Те защитные функции, которые выполняет озон,
спасая Землю от жесткого ультрафиолетового из¬
лучения, побуждают нас более детально ознако-
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ ІІТИІА

Атмосферная и космическая оптика
Рис. 97
Спектральная
яркость:
1	— кучевые облака,
2	— пустыня под
полупрозрачной
облачностью,
3	— песчаная пустыня,
4	— каменистая
пустыня,
5	— морская
поверхность
0,4	0,5	0,6	0,7	X, мкм
миться с его инфракрасным спектром. Он пред¬
ставлен на рис. 96 и простирается до длины волны
X = 27 мкм. Наиболее интенсивные полосы погло¬
щения находятся при X = 4, 7, 9 и 14 мкм. На ос¬
тальных участках исследованного интервала заре¬
гистрировано еще несколько слабых полос.
В видимой области тепловое излучение Земли ни¬
чтожно мало. Об этом можно судить по планков-
ской кривой с рис. 94. Поэтому все излучение, ко¬
торое регистрируется в интервале длин волн
0,4^0,75 мкм, принадлежит отраженным солнеч¬
ным лучам. Опыты по установлению отражатель¬
ной способности кучевых облаков, пустыни, покры¬
той полупрозрачными облаками, песчаной и каме¬
нистой пустыни, а также морской поверхности
проведены космонавтом В.И. Севастьяновым и его
коллегами на борту космического аппарата "Са¬
лют-4". Их результаты представлены на рис. 97.
Спектральная яркость различных поверхностей за¬
регистрирована во всей видимой области от 0,4
мкм до 0,75 мкм.
Верхняя кривая относится к ярким кучевым обла¬
кам, следующая за ней - к пустыне, покрытой по¬
лупрозрачными облаками. Непокрытая песчаная
пустыня во всей видимой области отражает мень¬
ше. Еще ниже яркость поверхности каменистой
пустыни, а самая низкая у морской поверхности.
Такие сведения в чистом виде стало возможным
добыть только после появления пилотируемых ко¬
смических кораблей. Они представляют огромную
ценность для длительных метеорологических
прогнозов •
Наблюдения и фотографирование
земной поверхности и мирового
океана с космических станций
Находясь на борту космической станции, человек
располагает уникальными возможностями длитель¬
ного обозрения огромных участков поверхности
планеты. Если высота орбиты космического аппа¬
рата превышает 300 км, одним взглядом можно
охватить поверхность, площадью 10-12 млн. км2,
примерно половину территории бывшего Со¬
ветского Союза.
На рис. 98 схематически представлен космичес¬
кий комплекс "Салют-6" - "Союз", на котором
космонавты проводили визуальные наблюдения
154
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ ОПТИКА

Наблюдение Земли из космоса
Рис. 98
Положение космического комплекса "Салют-6"
земного шара
"Союз" относительно поверхности
и фотографирование земной поверхности. Как
следует из рисунка, высота полета обеспечива¬
ла угол обзора до 120°, что позволяло одним
взглядом охватить огромное пространство. Ком¬
плекс медленно вращался вокруг длинной оси,
обеспечивая выбор необходимых для работы
позиций.
Располагая набором объективов с различными фо¬
кусными расстояниями, космонавты могли зафик¬
сировать движение ледников, фотографируя одни
и те же участки с интервалом в несколько дней и
даже месяцев, зарождение циклонов над водной
поверхностью океанов, развитие и угасание вулка¬
нов. Накопление подобного рода сведений имеет
первостепенное значение для прогнозирования
широкомасштабных природных явлений как на су¬
ше, особенно в горной местности, так и в аквато¬
рии мирового океана.
Постоянные наблюдения из космоса за пульсирую¬
щими ледниками позволяют установить их состоя¬
ние в данный момент времени, а также предска¬
зать возможные деформации и перемещения по
склонам гор.
На рис. 99 приведена фотография участка Южного
ледяного поля Патагонии в горной цепи Корделье¬
ров, полученная Ф.С.Иванченковым, а на рис. 100 -
фотография зарождающегося циклона над водной
поверхностью.
В результате деятельности космонавтов в мини¬
мальные сроки и с минимальными затратами на¬
коплен важный материал о распространении пуль¬
сирующих ледников, послуживший основой для
составления Атласа снежно-ледовых ресурсов ми¬
ра, в которых сосредоточено более 90% пресной
воды на земной поверхности. Получены доказа¬
тельства, что оледенения Земли начались 2,5
млрд, лет назад и с тех пор происходили неодно¬
кратно.
Если оценивать по результатам деятельность одно¬
го-двух космонавтов в течение нескольких месяцев
на околоземной орбите, их вклад в океанологию,
гляцеологию, метеорологию, геофизику и биоло¬
гию, наверняка, соизмерим с деятельностью тысяч
специалистов названных областей, работающих в
течение того же периода в земных условиях. Более
того, добыча некоторых сведений в таких условиях
вообще становится невозможной.
Оповещение космонавтами наземных станций о
перемещении зарождающихся циклонов может
значительно сократить возможный материальный
ущерб от стихийных бедствий и предотвратить ги¬
бель людей.
3 А И И М А Т Е П Ь Н А Я ОПТИКА

Атмосферная и космическая оптика
Рис. 99
Фотография фрагмента
Южного ледяного поля
Патагонии в Кордильерах
Рис. 100
Фотография
зарождающегося циклона
над водной поверхностью
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ ОПТИКА

Наблюдение Земли из кисмиса
Одно решение глобальной метеорологической
проблемы, которое должно завершиться созда¬
нием относительно простой модели атмосферы и
выяснить процессы, определяющие погоду, тре¬
бует широкого использования оптических и спек¬
троскопических методов, охватывающих не толь¬
ко видимый, но также ультрафиолетовый и ин¬
фракрасный участки спектра. Космические аппа¬
раты, оснащенные соответствующей аппарату¬
рой, с каждым годом находят все большее при¬
менение. Правда, бывают случаи, когда отказы¬
вает самая совершенная аппаратура. Например,
оценка концентрации фитопланктона в морях и
океанах затруднена оптическими методами из-за
наложения на полезный сигнал помех, вызванных
наличием атмосферной дымки и низким цвето¬
вым контрастом. В таких случаях может выручить
глаз. Строго говоря, опираясь на визуальные на¬
блюдения, мы также используем оптику, но не
искусственно созданную, а созданную природой.
Человеческий глаз способен различать почти 200
чистых цветовых тонов и до 10 миллионов сме¬
шанных оттенков. Он очень хорошо фиксирует
зеленовато-бурые пятна, появляющиеся в местах
зарождения фитопланктона - основного корма
для рыб и других обитателей морей и океанов.
Туда, где фитопланктон отсутствует, нет смысла
направлять рыболовецкие суда. Вместе с лесами
фитопланктон - важный источник пополнения ат¬
мосферы Земли кислородом.
Свойства глаза в полной мере используются кос¬
монавтами для описания особенностей геологи¬
ческих структур и нанесения их на карту, спо¬
собствуя тем самым обнаружению полезных ис¬
копаемых •
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ ѴІТИІА
157

Атмосферная и космическая оптика
Свет Луны
Легенды л мифы о Луне
Единственный спутник нашей планеты Луна
мало чем уступает источнику жизни на Земле
Солнцу в мифах, легендах и народных преда¬
ниях всех пяти континентов на протяжении дли¬
тельного периода возникновения и развития че¬
ловеческого общества.
Очень часто они фигурируют вместе. По вавилон¬
ской мифологии Солнце и Луна родились одновре¬
менно, причем Луна осуществляла гарантию кос¬
мического порядка. Несмотря на огромные рассто¬
яния в пространстве и во времени давно исчезнув¬
шего Вавилона и ныне здравствующих на Севере
эскимосских поселений, у эскимосов Солнце и Лу¬
на также являются детьми одной и той же матери,
но мира между ними не было. Девочка долго тер¬
пела от своего братика и, не выдержав, решила
убежать от него на небо. Преодолев необходимое
число ступенек лестницы, девочка попала на небо
и стала Солнцем. Не желая терять предмет своего
внимания, брат бросился вдогонку за сестрой и
превратился в Луну. Как он ни стремился быть ря¬
дом с ней, до сих пор ему не удается это сделать.
Когда мальчик-Луна ослабевает от голода, он
бледнеет. Тогда сестра кормит его, освещая боль¬
шую или меньшую часть его тела. Ей не хочется,
чтобы он умер, и в то же время ее не покидает бо¬
язнь быть пойманной и опять подвергаться изде¬
вательствам брата. Такая периодическая подсветка
лунной поверхности от небольшого серповидного
участка до полного диска - своеобразное поясне¬
ние эскимосами фаз Луны.
Луна и Солнце являются братом и сестрой у ален-
кинов - племени канадских индейцев, а в южноа¬
мериканском племени индейцев лебокоби Солнце
-муж, а Луна - жена. Еще разнообразнее роль
Солнца и Луны у египтян: Осирис и Изида, глав¬
ные боги Египта, в одно и то же время были бра¬
том и сестрой, мужем и женой, Солнцем и Луной.
Обычно преклонение людей перед Солнцем выше,
чем перед Луной. Но бывает и наоборот. Индей¬
ские племена бассейна реки Амазонки больше че¬
ствуют Луну. По ней они ведут счет времени, рас¬
полагают праздники, создают свои предзнамено¬
вания. Но не без того, чтобы приписать Луне и не¬
гативное влияние на людей. Например, они счита¬
ют, что она причиняет им болезни, вызывает гром
и молнию, неурожайное лето и другие бедствия.
Аборигены острова Ванкувер особенно торжест¬
венно приветствуют полную Луну.
В Африке поклонение Луне распространено среди
многих негритянских племен, а поклонение Солнцу
вовсе неизвестно или известно незначительно.
«Проводники доктора Ливингстона (известный ис¬
следователь Африки), - пишет Э.Б.Тайлор, моли¬
лись Луне, приговаривая: да будет наше путешест¬
вие с белым человеком благополучно».
У некоторых племен особенно торжественно отме¬
чалось ново- и полнолуние. В это время готтентоты
целую ночь плясали и пели, выкрикивая дружелюб¬
ные призывы: «Приветствую тебя», «Пришли нам
побольше меда!», <Дай нашему скоту побольше
корма и молока», называли ее «великим полковод¬
цем». У гуронов Луна — творец Земли, всех людей
и вообще всего живого на Земле. У них Луна -
бабка Солнца, вместе с которым она управляет ми¬
ром. Кто является матерью Солнца - неизвестно.
Разные народы по-разному объясняют видимые
пятна на лунной поверхности. У гималайских каза¬
хов луна-месяц мужского рода. Он периодически
влюбляется в свою мачеху, которой надоела его не¬
последовательность и , не вьщержав таких испыта¬
ний, она бросает ему в лицо горсть пепла, который
навсегда остался на нем в виде темных пятен.
У племени намаква из Южной Африки происхожде¬
ние темных пятен имеет иную природу. Помня о
своем рождении (восход) и умирании (заход), ме¬
сяц послал к людям зайца и приказал передать им
следующее сообщение: «Подобно тому, как я уми¬
раю и оживаю, и вы будете также умирать и ожи¬
вать». Но заяц исказил смысл порученного ему со¬
общения, передав людям буквально следующее:
3 А Н И М Я Т E II Ь Н А Я ОПТИКА

«Подобно тому, как я умираю и не оживаю, и вы
будете также умирать и не оживать». Рассердился
месяц на зайца, запустил в него топором и рассек
губу, которая так и осталась двойной. Заяц не ос¬
тался в долгу, а вцепился своими когтями в лицо
месяца, оставив на нем видимые до сих пор
шрамы.
Некоторые народы в сочетании темных и светлых
пятен на лунной поверхности ищут отражение зем¬
ных событий. Например, украинцы видят в них за¬
вершение длительной вражды между сыновьями
Адама и Евы Каином и Авелем. Обладая невоздер¬
жанным характером, в последнем споре Каин схва¬
тил вилы и поднял на них родного брата. При со¬
лидной доле воображения такую картину, возмож¬
но, кое-кому и удается увидеть.
Подобная легенда имела хождение и у древних ев¬
реев. В соответствии с текстом книги чисел Биб¬
лии Иегова потребовал от Моисея предать смерти
человека, пойманного в субботу за собиранием
дров. Распространители этой легенды уверяли, что
форма лунных пятен в совокупности напоминает
человека с вязкой хвороста за плечами.
Затмение Луны по сравнению с ежедневными на¬
блюдениями ее поверхности является довольно
редким событием, тем не менее, на протяжении
тысячелетий оно немало родило легенд и мифов. У
племени чикито из Южной Африки затмение объ¬
ясняется преследованием Луны стаей огромных
гончих собак, которые хватают и терзают ее, пока
свет ее не становится багровым и тусклым от кро¬
ви, струящейся из ран. Протекание затмения ин¬
дейцы сопровождают страшным воем и рыданья¬
ми, стрельбой в небо и бросанием камней, чтобы
отогнать от Луны свирепых чудовищ.
Примерно таких же суждений и действий придер¬
живались караибы. Вместо стаи гигантских псов у
них действовал некий демон Мабойа, жестокий
противник всякого света, особенно солнечного и
лунного. Он многократно пытался сожрать Солнце
и Луну, но этого не случилось лишь только потому,
что каждый раз попытки Мабойа срывались пляс¬
ками и воем всего племени на протяжении всей
ночи. Особенно азартными они были в период
протекания затмения.
Географическая близость караибов и перуанцев не
могла не отразиться на общности их фольклора и
мифов. У перуанцев затмение Луны — это попытка
злого духа в образе чудовищного зверя уничтожить
Луну. Чтобы спасти ее, во время затмения перуан¬
цы поднимали страшный шум, стреляли из всех
ведов оружия, играли на музыкальных инструмен¬
тах, били собак, чтобы их воем усилить отпугиваю¬
щий злого духа шабаш. Выход Луны из земной те¬
ни перуанцы приветствовали радостными воплями,
плясками, будучи уверены, что именно их действия
предотвратили беду.
В период астрономического невежества примитив¬
ные суждения о солнечных и лунных затмениях не
исключали догадок о реальных причинах происхо¬
дящего. В частности, в некоторых африканских
племенах при затмении Солнца люди говорили:
«Луна поймала Солнце», но после проведенных
ими «мероприятий» по примеру караибов и перу¬
анцев считали, что благодаря их стараниям она от¬
пустила его.
Но что говорить о представлениях невежественных
племен, если даже Лукреций Кар полагал, что фа¬
зы Луны, заимствующей солнечный свет, объясня¬
ются ее движением: в различное время она обра¬
щает к нам различные свои части. Он не против
допустить даже наличие еще одного небесного те¬
ла, то загораживающего часть Луны, то откры¬
вающего ее. Его совсем не тревожит вопрос, поче¬
му это тело не отражает солнечные лучи. Ведь оно
освещается им, как и та часть Луны, которая явля¬
ется видимой.
Завершим мы небольшой обзор по мифологии
Луны лунной колесницей. Колесницы широко ис¬
пользовались древними в солнечной, звездной и
лунной символике. Правда, лунные боги не со¬
ревновались в скорости передвижения по небес¬
ному своду. Их колесницы запрягались тихоход¬
ными быками, рога которых отображали лунный
серп, а небольшая скорость — спокойный харак¬
тер светила •
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ ІІТИ1А

Атмосферная о космическая оптика
Вклад Луны
в освещенность Земли
"Ніч яка місячна, зоряна, ясная, видно, хоч голки
збирай". Эти слова известной украинской народ¬
ной песни лучше всего оценивают вклад Луны в
освещение Земли ночью. Хотя это не ее, а отра¬
женный солнечный свет, роль отражателя Луна вы¬
полняет безукоризненно. Не ее вина, когда небо
заволакивается непробиваемыми облаками или
песчаными бурями. После Солнца Луна самый ин¬
тенсивный источник природного излучения в ноч¬
ное время.
Освещенность, создаваемая полной Луной на пер¬
пендикулярной к ее лучам площадке, расположен¬
ной на внешней границе атмосферы Земли, назы¬
вается лунной постоянной. У различных авторов
она различна, т.к. зависит не только от состояния
(диаметр 120 км). Фото Г. Борисова
атмосферы, географических координат, поры года,
когда проводились измерения, но и от субъектив¬
ных факторов. Максимальная освещенность зем¬
ной поверхности Луной, находящейся в зените, со¬
ставляет примерно 0,25 люкса, а в обычных усло¬
виях не превышает 0,1 лк. В первой и последней
четвертях она достигает лишь 0,03 - 0,04 лк.
Не обладая атмосферой, Луна на каждый квадрат¬
ный метр получает значительно больше солнечной
энергии, чем Земля, но лишь небольшая часть от¬
ражается ею по направлению к Земле. За предела¬
ми земной орбиты, где атмосферное рассеяние
света отсутствует, освещенность, создаваемая Лу¬
ной, не превышает 0,3 люкса.
Полная Луна светит в 450 тысяч раз слабее Солн¬
ца. Благодаря оптическим свойствам лунных по¬
род, ее свет заметно краснее солнечного. Инте¬
ресной особенностью чередования светлых и тем¬
ных участков на поверхности Луны являются яркие
светлые лучи, расходящиеся от некоторых крате¬
ров. Один из лучей кратера «Тихо» имеет протя¬
женность свыше 2000 км.
Яркость каждого участка Луны зависит также от
сложности рельефа: далеко не одинаково освеща¬
ются Солнцем западные и восточные, северные и
южные склоны многочисленных горных хребтов.
Некоторые из них при том или ином взаимном
расположении Луны и Солнца могут вообще ока¬
заться не освещенными. При полнолунии это от¬
четливо фиксируется любым наблюдателем. На
рис. 101 приведена фотография участка лунной
поверхности вблизи кратера Коперника. Хорошо
видно, как один из двух противоположных его
склонов ярко освещен, а другой находится в тени.
Та же картина характерна и для глубоких кратеров
меньшего размера.
Как-то английский астроном Дж. Гершель, сын вы¬
дающегося астронома Вильяма Гершеля, находясь
в Кейптауне, наблюдал, как полная Луна поднима¬
лась над Столовой горой, освещенной лучами за¬
ходящего Солнца. Его поразило, что скалы горы
светились значительно сильнее Луны. Из этих на¬
блюдений он сделал вывод, что лунная по-
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ I П Т И К А

вѳрхность образована преимущественно темными
породами, сильнее поглощающими падающие на
них луни, чем Столовая гора. Побывавшие на Луне
американские астронавты и доставленные ими
пробы, а также полученные советским лунником
подтверждают вывод Дж. Гершеля.
Нет слов, лунная поверхность действительно мо¬
жет состоять из более темных пород, чем породы
Столовой горы. Но последнюю Дж. Гершель на¬
блюдал с близкого расстояния, в то время как Лу¬
на удалена от Земли на расстояние почти 400 ты¬
сяч километров. Угол, под которым она видна
земному наблюдателю, составляет примерно 0,5
градуса. Угол наблюдения Столовой горы был
значительно больше. Даже имея более темные
Лунные обсерватории
и космодромы
Нет объекта, более важного для человечества, чем
Солнце. Но второе место прочно занимает Луна. И
не только потому, что выполняет роль светила в
ночное время, занимает видное место в творчест¬
ве поэтов и прозаиков, является единственным
свидетелем при встрече влюбленных, фигурирует
в многочисленных легендах, мифах и народных
преданиях. Луна является второй прочной ступень¬
кой в длинной лестнице завоевания космического
пространства.
Мечта человека расширить границы своих владе¬
ний и знаний преследует его со времени первых
полетов на воздушном шаре. А может бытъ, даже
раньше, ведь еще Леонардо да Винчи проектиро¬
вал летательный аппарат, напоминающий совре¬
менный вертолет.
После экскурсии американских космонавтов по Лу¬
не возникла настоятельная необходимость исполь¬
зования ее в виде стартовой площадки для пред¬
стоящих космических путешествий, и в первую
очередь для полетов на Марс. Между тем, даже
орбитальное движение Луны вокруг Земли, а вмес¬
те с ней вокруг Солнца, представляет для ученых
горные породы по сравнению с лунными, она
должна казаться ярче.
Какова бы ни была в смысле рельефа лунная по¬
верхность, из каких пород бы она не состояла, хвала
Богу, что Луна существует, облегчает нам ориента¬
цию в ночное время, создает интимную атмосферу
для влюбленных, вдохновляет поэтов и писателей.
Благодаря Луне, человечество сделало крупный шаг
в освоении Солнечной системы и космического про¬
странства вообще. В этом направлении Луна внесла
лишь свой первый, но уже существенный вклад в
развитие фундаментальной науки. Впереди - созда¬
ние на Луне стационарных космических станций и
взлетных площадок для полетов на другие планеты и
более глубокого освоения Вселенной
большой интерес. Знает ли читатель, что для опи¬
сания орбитального движения Луны получена фор¬
мула, состоящая из 650 слагаемых? И при этом
нельзя утверждать, что в ней учтены все факторы,
оказывающие влияние на ее движение. Не удиви¬
тельно, что даже в наше время больших успехов
астрономии и космической физики появляются со¬
общения, в которых предсказывается неизбеж¬
ность столкновения Луны с Землей. Поводом к
этому послужило непрерывное изменение средне¬
го расстояния от Земли до Луны. В 1995 г. оно
оказалось меньше из известных ранее наименьших
значений, что является, по мнению некоторых
предсказателей, серьезным предостережением о
возможной катастрофе. Даже был назван 1998 год,
когда это произойдет. Но вот 1998 год уже прошел
и ничего подобного не произошло. Заметим, что в
настоящее время Луна не приближается, а посте¬
пенно удаляется от Земли. Об этом свидетельству¬
ют данные обсерватории Мак Дональда в США,
систематические наземные астрономические на¬
блюдения Крымской астрофизической обсервато¬
рии, Главной астрономической обсерватории На¬
циональной Академии Наук Украины, Астрономиче¬
ской обсерватории Киевского университета
им. Т.Г. Шевченка и ряд других астрономических
центров мира. Мы не сомневаемся, что уже в пер-
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ П П Т И К А
161

Атмосферная и космическая оптика
вой половине XXI столетия на нашем естественном
спутнике Луне будут созданы межнациональные
лаборатории и стартовые площадки для космичес¬
ких исследований и полетов. Основанием для по¬
добных прогнозов являются результаты исследова¬
ний доставленных на Землю лунных пород. Среди
них немало кислородосодержащих, которые в бу¬
дущем послужат источником добычи кислорода,
необходимого для ученых - исследователей Луны.
Что же касается воды, то некоторую надежду все¬
ляют результаты исследований, проведенных в 90-
х годах сотрудниками NASA. Предполагается, что в
районе южного полюса имеются залежи водного
льда. Этот вывод получен из анализа интенсивнос¬
ти и поляризации радиолокационных сигналов, от¬
раженных южным полюсом Луны. По этим параме¬
трам он существенно отличается от радиосигна¬
лов, отраженных обычными лунными породами, и
очень похож на отраженные льдом воды.
Ничего подобного не обнаружено на северном по¬
люсе, непрерывно освещаемом солнечными луча¬
ми. Откуда же мог появиться на Луне лед? Ведь
благодаря слабому гравитационному воздействию
на молекулы газа, Луна давно потеряла свою атмо¬
сферу, в том числе и хорошо сублимирующие изо
льда молекулы воды. Астрономы полагают, что лед
южного полюса образовался из воды кометного
происхождения. Попавшая на поверхность Луны
комета, ядро которой, подобно Тунгусскому метео
риту, состоит практически полностью из льда,
взрываясь, превращается в облако смеси паров
воды, космической пыли и некоторых газов. Туже
работу могут выполнить и солнечные лучи. Моле¬
кулы воды частично переносятся на холодный юж¬
ный полюс и конденсируются там в виде льда. Но
для того, чтобы лед не иссякал на южном полюсе,
необходимы частые встречи Луны с кометами. По¬
скольку даже для Земли подобные события мало¬
вероятны, «кометный путь» снабжения Луны водой
вряд ли можно считать надежным.
Если на Луне воды нет, ее придется доставлять с
Земли или синтезировать на Луне.
Наиболее подходящими для строительства науч¬
ных станций являются полярные регионы. Здесь
есть участки, всегда освещаемые Солнцем, поэто¬
му не будет проблем с электроэнергией. Затенен¬
ные склоны полярных кратеров — непрерывно дей
ствующие холодильники, а с освещенных всегда
видно Землю. Изучать ее и происходящие в ее ат¬
мосфере процессы, когда она видна вся, а не от¬
дельные области, — давнишняя мечта ученых •
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ Н П Т И К А

Свет от планет
Свет от планет
Освещенность планет Солнцем
Наблюдаемая яркость планет Солнечной си¬
стемы зависит как от состояния земной ат¬
мосферы, так и от освещенности их по¬
верхности Солнцем, поскольку, подобно Зем¬
ле, они не имеют собственного видимого излу¬
чения, если не считать слабого красного све¬
чения вулканической лавы. В настоящее время
вулканическая деятельность наблюдается толь¬
ко на Земле, спутнике Юпитера Ио и спутнике
Нептуна Тритоне. В этом отношении Ио даже
активнее Земли, что объясняется мощными
приливными действиями гравитационного поля
Юпитера и электрическими токами, возникаю¬
щими в теле спутника вследствие его движе¬
ния в магнитном поле планеты. На рис. 102
представлен парад всех девяти планет Солнеч¬
ной системы. Самая маленькая Меркурий бли¬
же всего к Солнцу. Затем идут: Венера, Земля,
Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, Плутон.
Наиболее яркой бывает Венера, испокон веков
именуемая как утренняя и вечерняя звезда.
Освещенность ее поверхности почти в два ра¬
за превышает земную. Хотя этот показатель
для Меркурия значительно выше, малый ради¬
ус орбиты не позволяет так легко наблюдать
его в ярких солнечных лучах, как мы наблюда¬
ем Венеру.
Освещенность Марса на границе собственной ат¬
мосферы лишь в 2,3 раза меньше земной, поэтому
в безоблачное ночное время его диск мы видим
как крупную звезду, слегка окрашенную в красный
цвет. Эта окраска вызвана цветом пород, преобла¬
дающих на поверхности Марса.
Юпитеру достается от Солнца еще меньше. Его ос¬
вещенность примерно в 12 раз ниже марсианской,
а у Сатурна в 3,3 раза меньше, чем у Юпитера.
У наиболее удаленных планет - Урана, Плутона и
Рис. 102
Парад планет Солнечной системы
Нептуна, — освещенность поверхности на уровне
начала земных сумерек и ниже.
Нам, жителям Земли, больше всего перепадает но¬
чью от Луны. Даже при неполной Луне и безоблачном
небе без каких-либо затруднений можно ориентиро¬
ваться в ночное время, а при полной - даже читать •
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ ОПТИКА

Атмосферная п космическая оптика
Вспышки на Марсе
Отдельно следует остановиться на периодически
возникающих ярких вспышках на поверхности Мар¬
са. Впервые они были зарегистрированы более
100 лет назад (11 декабря 1896 г.) английским ас¬
трономом Иллингом.
Очень яркую белую полосу, видимую в течение не¬
скольких минут, в 1924 году обнаружил на Марсе
харьковский астроном Н.П. Барабашов. Через 13
лет японец Сидзуо Моэда вблизи края планетного
диска заметил мерцающее пятно, значительно
превышающее по яркости полярную шапку. Через
5 минут свечение исчезло. Возможно, вследствие
вращения планеты оно ушло на ненаблюдаемую
сторону.
Следующая дата относится к 1956 году, когда ка¬
захские астрономы обнаружили на поверхности
Марса пятнышко, периодически посылающее в ко¬
смос белый с голубым опенком свет, сравнимый
по яркости с южной полярной шапкой.
Были и другие сообщения о загадочных вспышках
на Марсе. Они широко обсуждались и продолжают
обсуждаться в среде астрономов, вьщвинувших не¬
сколько взаимно исключающих гипотез.
В одной из них утверждалось, что вспышки явля¬
ются результатом отражения солнечных лучей от
замерзшего озера; в другой - то же самое проис¬
ходит на склонах покрытых льдом гор; в третьей -
источником излучения явилось извержение вулка¬
на; в четвертой - падение метеорита; в пятой -
предполагалась деятельность различных существ,
хорошо известных читателю из научно-фантастиче¬
ских романов, таких, например, как "Война миров"
Герберта Уэльса или "Марсианские повести" Эдга¬
ра Берроуза.
К сожалению, все перечисленные гипотезы и
предположения наталкиваются на опровергающие
их аргументы или, по крайней мере, вызывают во¬
просы, на которые трудно ответить.
Взять, например, замерзшие озера. Их площадь
должна быть огромной, но для этого необходимо,
чтобы на планете в изобилии была вода. По дан¬
ным измерений посадочными модулями аппаратов
Викинг-1 и Викинг-2, атмосфера Марса состоит
преимущественно из углекислого газа (95%), а
давление у поверхности планеты составляет всего
лишь 8 миллибар, т.е. не превышает одной сотой
давления у земной поверхности.
Астроном А.И. Лебединский предположил наличие
воды под поверхностью планеты, что действитель¬
но вполне допустимо. На это в некоторой степени
указывает распределение воды на поверхности и в
недрах нашей Земли. По программе Международ¬
ного гидрологического десятилетия 1964-1974 гг.
выполнен соответствующий подсчет, результаты
которого опубликованы в многотомном труде "Ми¬
ровые водные ресурсы и водный баланс земного
шара". Установлено, что в океанах, морях, озерах,
реках, болотах и в атмосфере Земли содержится
1,385Ю9 км3 или 1,4Ю19 тонн воды. От глаз че¬
ловеческих, т.е. в земной коре, скрыто 23,4-106
км3 воды.
Напрашивается аналогия о скрытых под марсиан¬
ской корой водных ресурсах, но для того, чтобы
они вышли на поверхность, необходима активная
вулканическая деятельность. По современным на¬
учным данным, она завершилась несколько сот
миллионов лет назад. Поэтому, если и были на
Марсе открытые замерзшие озера, вследствие на¬
личия на планете обилия пылепесчаного мелкозер¬
нистого материала и действующих в течение мил¬
лионов лет песчаных бурь, они оказались под тол¬
стым слоем марсианской породы. Ничтожное со¬
держание атмосферной влаги исключает также по¬
явление гало, для возникновения которого необхо¬
димо наличие перисто-слоистых облаков, а обра¬
зоваться им не из чего.
Что можно сказать о вероятности наблюдения вы¬
бросов раскаленной вулканической лавы? Как со¬
общает В.Н. Комаров, до появления необходимых
численных оценок вулканическая гипотеза была
одной из самых заманчивых. После их появления
пыл приверженцев этой гипотезы весьма поостыл.
Оказалось, что наблюдение вулканического взрыва
земной обсерваторией было бы возможным лишь
в случае, если сопровождающее его свечение в
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ О П Т Н К А

Свет от планет
сотни тысяч раз превосходит свечение самого
мощного извержения на Земле. Более того, все
описания наблюдаемых вспышек подчеркивают их
белый, даже с голубым оттенком цвет. Для того,
чтобы вулканическая лава обладала такого рода
свечением, ее температура должна быть равной
температуре Солнца и даже выше.
Казалось бы аргументы, отвергающие вулканичес¬
кую гипотезу, достаточно весомые, тем не менее
сторонники ее пытаются оправдать свою точку
зрения посылкой в глубь веков, когда на Земле
могли возникать более грандиозные катаклизмы,
свидетелем которых не мог быть homo sapiens (че¬
ловек мыслящий).
Начиная с 1961 года, когда был запущен совет¬
ский космический аппарат Марс-1, а вслед за ним
последовала целая плеяда советских и американ¬
ских космических кораблей, в том числе выведен¬
Большое красное пятно Юпитера
Марс замыкает так называемую внутреннюю груп¬
пу планет Солнечной системы. В начале внешней
расположен Юпитер, среднее расстояние которого
от Солнца составляет 5,2 астрономических единиц*.
После Венеры, несмотря на то что он в 13 раз
дальше ее от Солнца, Юпитер по яркости занимает
второе место среди планет Солнечной системы.
Его золотистый блеск с древних лет привлекал к
себе внимание человека. Недаром от древних
римлян он получил имя главного бога.
Юпитер — не менее, если не более, загадочная пла¬
нета, чем Марс. Благодаря развитию космических
исследований, о Юпитере накопилось не только
много новых данных, но также и много новых во¬
просов. По объему Юпитер в 1310 раз больше Зем¬
ли, хотя по массе всего в 318 раз. Поэтому средняя
плотность вещества в нем ненамного превышает
плотность воды, составляя всего 1,34 г/см3.
Первой загадкой Юпитера является Большое крас¬
ное пятно (рис. 103), наблюдаемое вблизи эквато-
* Астрономическая единица равна среднему расстоянию Земли
от Солнца, т.е. 1,49-1013 см = 1,49-1011 м = 1,49-108 км и
« 150000000 км.
ных на марсианскую орбиту, ученые получили
очень много сведений о климате и рельефе Марса,
о тектонических процессах, происходивших на нем
в далеком прошлом, о составе атмосферы и твер¬
дых пород. Однако даже обилие этих сведений не
позволяет пока датъ четкий ответ на вопрос, чем
вызваны марсианские вспышки света.
В настоящее время научный мир готовится к по¬
лету космонавтов с посадкой на Марсе. В резуль¬
тате этой подготовки продолжается интенсивный
сбор данных об этой планете. Возможно, уже да¬
же получен ответ на поставленный выше вопрос,
но пока он не попал в поле зрения авторов на¬
стоящей книги. Ведь любая книга, в которой за¬
трагиваются проблемы интенсивно развиваю¬
щейся научной области, а к ней, безусловно, от¬
носится и космическая физика, стареет, как гово¬
рят, на кончике пера •
ра. Его форма мало меняется со временем, хотя
размеры постепенно уменьшаются. Если раньше
длина пятна достигала 40, а ширина 13 тыс. км, то
сейчас эти параметры уменьшились соответствен¬
но до 30 и 10 тыс. км.
ЗДІНМДІЕВЬІДЯ ОПТИКА

Атмосферная п космическая оптика
В 1664 г. английский ученый Р. Гук впервые зари¬
совал и описал форму Большого красного пятна.
Периодические наблюдения различными астроно¬
мами свидетельствовали об изменении его яркос¬
ти и в 1 878 г. было отмечено значительное увели¬
чение ее. Потом пятно стало менее заметным и не
вызывало прежнего интереса у астрономов.
И вдруг через 10 лет яркость пятна снова подско¬
чила к прежнему уровню и вот уже на протяжении
более 100 лет Большое красное пятно то вспыхи¬
вает, то бледнеет. А.Ф. Пугач и К. И. Чурюмов в
своей книге "Небо без чудес" рассматривают раз¬
личные версии о природе этого пятна. Как и в опи¬
санном выше случае вспышек на Марсе, некото¬
рые астрономы считают, что оно — результат ин¬
тенсивной вулканической деятельности. Другие до¬
пускают столкновение планеты с огромным ас¬
тероидом или с тем, что она собирается "рожать"
нового спутника. Эти версии, по-видимому, отпали
после полета к Юпитеру космических аппаратов
"Пионер-10" и "Пионер-11". Из полученных ими
фотографий следует вывод о вихревой структуре
Большого красного пятна. На большой планете,
как и на Земле, могут происходить ураганы и
смерчи, локализованные в определенных областях
атмосферы, в особенности примыкающих к эквато¬
ру. Вихревой механизм образования Большого крас¬
ного пятна, как считают А.Ф. Пугач и К.И. Чурюмов,
"лучше всего объясняет особенности не только
этого, но и других пятен - "стойкость, дрейф по
долготе, овальную форму и др.". Цвет пятна те же
авторы предположительно приписывают наличию
фосфина в атмосфере планеты. Но тогда возника¬
ет вопрос, почему это пятно привязано к приэква¬
ториальной полосе? Почему фосфин не распреде-
Планеты группы Юпитера
Последней среди наиболее ярких планет, водимых
ночью не вооруженным глазом, является Сатурн.
Он отличается от других планет Солнечной системы
максимальным числом наблюдаемых спутников (23)
и многочисленными кольцами, напоминающими со¬
вокупность бороздок на граммофонной пластинке.
лен равномерно на всех широтах Юпитера? Если
допустить, что Большое красное пятно является
вихревым образованием в атмосфере планеты, то
не проще бы отнести его к выветриванию верхних
слоев пород, имеющих красный цвет? На Юпитере
нет твердой поверхности. Это газово-жидкая пла¬
нета. Газообразная атмосфера переходит в жид¬
кий, а затем в металлический водород.
К фосфинам принадлежат три соединения фосфо¬
ра с водородом: бесцветный газ РН3 (молекуляр¬
ный вес 34), переходящий в жидкое состояние при
температуре -90 °С; желтого цвета жидкость
(РН2)2 (молекулярный вес 65,99), замерзающая
при —10°С; желтый порошок (Р4Н2)3 (молекуляр¬
ный вес 377,8). Эти данные говорят о том, что фо¬
сфины не могут отвечать за красный цвет Большо¬
го красного пятна. Кроме того, если они и встреча¬
ются в атмосфере Юпитера, то их концентрация
невелика, поскольку средний молекулярный вес
его атмосферы в 4—5 раз меньше молекулярного
веса метана (16) и аммиака (17), т.е. составляет
примерно 3 единицы, тогда как молекулярный вес
самого легкого фосфина РН3 в 11 раз больше, а
самого тяжелого - в 126 раз!
Выходит, загадка Большого красного пятна остает¬
ся пока загадкой.
Много вопросов задает астрономам Юпитер со
своей огромной свитой. К ней относятся 15 спут¬
ников и 130 комет с малым периодом обращения
вокруг Солнца; среди них и открытая в 1969 г. ко¬
мета Чурюмова-Герасименко.
К сожалению, мы не можем останавливаться на
других загадках Юпитера, так как они не имеют
прямого отношения к космической оптике •
Пролетевшие вблизи Сатурна в 1980 и 1981 гг.
американские космические аппараты "Вояджер-Г и
"Вояджер-2" "уводели" не 3, как считалось раньше,
не 6-7, как было установлено более поздними на¬
блюдениями, а тысячи, если не сотни тысяч, колец.
Эти кольца связаны радиальными спицами, враща¬
ющимися вокруг планеты вместе с кольцами подоб¬
но жестко сцементированному твердому телу.
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ НПТНКА

Свет от планет
Среди 23 спутников Сатурна Энцелад - один из
наиболее загадочных и светлых спутников. Его ди¬
аметр всего-навсего 510 км, а плотность 1,1 г/см3
лишь немногим отличается от плотности воды.
Предполагается, что Энцелад представляет собой
гигантскую замороженную каплю воды с вкраплен¬
ными в ней частицами метеоритного вещества и
космической пыли. О падении метеоритов на по¬
верхность спутника свидетельствует наличие кра¬
теров.
Уран, Нептун и Плутон относятся к планетам, кото¬
рые не были известны древнему человеку: из-за
огромных расстояний к ним без оптического при¬
бора эти планеты ненаблюдаемы.
Уран обнаружен В. Гершелем благодаря система¬
тическим наблюдениям звездного неба немногим
более 200 лет назад (1781 г.). Мы не можем обой¬
ти молчанием, по крайней мере, некоторые сторо¬
ны биографии этой незаурядной личности.
Вильям (Фридрих Вильгельм) Гершель - сын пол¬
кового музыканта в Ганновере (Германия) - ро¬
дился в 1738 г. В девятнадцатилетнем возрасте
переселился в Англию, где служил органистом и
преподавал теорию музыки. Кроме этих основных
занятий, интересовался математикой, оптикой, ас¬
трономией, астрономическими наблюдениями, что
привело его к конструированию и изготовлению
зеркальных телескопов.
В 1789 г. В. Гершель построил огромный для тех
времен телескоп, длиной 12 м с зеркалом диамет¬
ром 1,2 м, которое он отшлифовал и отполировал
собственными руками.
Астрономические наблюдения В. Гершеля привели к
открытию спутников Урана и Сатурна (по два), поз¬
волили установить периодичность в изменении раз¬
меров полярных шапок на Марсе, изучить строение
Млечного пути, установить направление движения
Солнечной системы к созвездию Геркулеса.
В. Гершель является также первооткрывателем не¬
видимых инфракрасных лучей в спектре Солнца.
Во внешнем облике Урана нет цветовых контрастов.
В атмосфере планеты большое количество метана,
активно поглощающего красные лучи солнечного
спектра, поэтому она имеет небесно-голубую окрас¬
ку (рис. 104). Полученное через фильтр изображе¬
ние (справа) состоит из нескольких концентричес¬
ких колец различного цвета, свидетельствующих о
наличии аэрозольных частиц нескольких типов.
Кольца расположены вокруг южного полюса.
Характерной особенностью Урана является поло¬
жение оси собственного вращения: она почти па-
Рис. 104
Планета Уран в естественных тонах (слева) и сфотографированная через фильр (справа)
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ ОПТИКА
167

Атмосферная о космическая оптика
раллельна плоскости его орбиты. Подобно Сатурну
и Юпитеру, Уран окружен одиннадцатью кольцами,
по структуре сильно отличающимися от колец двух
наибольших планет. Ширина самого узкого при¬
мерно 1 км, самого широкого меняется от 22 до
93 км. Обнаружено 15 спутников Урана, 10 из ко¬
торых открыл "Вояджер-2".
Следующая планета — Нептун — открыта, как гово¬
рят астрономы, на кончике пера. Лишь после этого
ее разыскали среди звезд при помощи телескопа.
Улучшая технику наблюдений и точность расчетов
орбит небесных тел, ученые обнаружили некото¬
рые странности в изменении координат Урана.
Возникло даже сомнение в справедливости закона
всемирного тяготения. Выручило научную общест¬
венность предположение У. Леверье и Дж. Адамса:
наблюдаемая деформация рассчитанной ранее ор¬
биты Урана вызвана гравитационным влиянием бо¬
лее удаленной массивной планеты. Решив слож¬
нейшую математическую задачу, У. Леверье и
Дж. Адамс определили элементы орбиты и указали
место, где в данный момент должна находиться
неизвестная планета.
Поскольку упомянутые ученые занимались реше¬
нием возникшей задачи независимо друг от друга,
первым достиг успеха Дж. Адамс. Не теряя време¬
ни, он послал результаты расчетов астроному
Дж. Челлису и попросил его начать охоту за плане¬
той. Предложение было принято, но поймать таин¬
ственный объект Дж.Челлису не удалось, т.к. он не
сумел выделить его из совокупности окружающих
звезд.
У.Леверье закончил расчеты на 8 месяцев позже
Дж. Адамса. Результаты были доложены на заседа¬
нии французской Академии наук, принявшей реше¬
ние об организации наблюдений. Не полагаясь ис¬
ключительно на соотечественников, У. Леверье об¬
ратился письмом к берлинскому астроному И. Гал¬
ле, в котором писал: "Направьте телескоп в со¬
звездие Водолея в точку эклиптики с долготой 326°
и в пределах одного градуса от этого места Вы
найдете новую планету. Она девятой величины и
имеет хорошо видимый диск". После получения
письма 23 сентября 1846 года Галле начал наблю¬
дения и через полчаса обнаружил в указанном ме¬
сте диск голубого цвета, яркость которого отвеча¬
ла восьмой звездной величине. В несколько смес¬
тившемся относительно звезд положении он пой¬
мал тот же объект и на следующую ночь.
Ученый мир воздал должное У. Леверье. Известный
французский оптик Д. Араго высказал по поводу его
успеха слова, которые стали крылатыми: "Леверье
открыл нам новую планету на кончике пера". Они
многократно повторялись в учебниках, астрономи¬
ческих монографиях, научно-популярных книгах и
статьях. Не обошли и мы их своим вниманием.
Новая планета была названа Нептуном - именем
бога моря в древней Греции. Что ж, судя по цвету
ее диска, такое название можно признать вполне
подходящим.
В завершение короткого рассказа о Нептуне отме¬
тим еще одну его интересную особенность. Обыч¬
но, ось вращения и магнитная ось планеты состав¬
ляют небольшой угол, но у Нептуна он 55°, следо¬
вательно, зона полярных сияний становится ближе
к экватору, чем к полюсу.
Открытие самой удаленной планеты Солнечной си¬
стемы Плутона произошло в 1930 году, а через 48
лет был открыт и его спутник Харон, диаметр кото¬
рого (1200 км) примерно в два раза меньше диа¬
метра Плутона (2300 км). Поверхность Плутона по¬
крыта замерзшим метаном.
История открытия Плутона тождественна истории
открытия Нептуна. Несмотря на увенчавшиеся ус¬
пехом расчеты Дж. Адамса и У. Леверье, в движе¬
нии Урана все еще оставались некоторые неяснос¬
ти. Следовало искать их причину и, прежде всего,
уже испытанным расчетным путем. Первым вклю¬
чился в расчеты П. Ловелл. Вскоре он получил
элементы орбиты планеты X и сам занялся ее по¬
исками. Хотя труды П. Ловелла не были напрасны
(он обнаружил много астероидов), искомую плане¬
ту обнаружить ему не удалось. Уже после смерти
Ловелла на обсерватории его имени поисками пла¬
неты "X" поручили заняться бывшему астроному-
любителю К. Томбо. В свое время П. Ловелл сове¬
товал проводить наблюдения в созвездии Близне-
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ 1 П Т И К А

Свет от планет
Рис. 105
Спектры
отражения
солнечных лучей
планетами
группы Юпитера:
1 — спектр
поглощения
метана. Спектры
отражения:
2 — Нептун,
3 — Уран,
4 — Юпитер,
5 — Сатурн
■NH
■ H2O
NH
5
4
3
2
800	900	X, нм
0
600
700
цов. Этот участок звездного неба К.Томбо начал
многократно фотографировать. Планета была
запечатлена на трех снимках, по которым устано¬
вили направление оптической оси 24-дюймового
телескопа и, наконец, произошло визуальное на¬
блюдение длительное время не попадавшей в поле
зрения планеты "X". Все астрономические обсер¬
ватории мира в день 75-летия со дня рождения
П.Ловелла 13 марта 1930 года получили триум¬
фальное сообщение об очередной победе науки и
трудолюбия - открытии 9-й планеты Солнечной
системы. Теперь надо было ее окрестить. Из трех
предложений - Ловелл, Минерва, Плутон - оста¬
новились на последнем, удовлетворив просьбу 11 -
летней дочери одного из астрономов Оксфорда. В
названии Плутон в некоторой мере содержалось и
имя Ловелла в виде двух первых букв "П" и "Л" -
инициалов великого астронома.
Что же представляет собой "замыкающий" шерен¬
гу планет Солнечной системы? Он в 40 раз дальше
от Солнца, чем Земля, поэтому освещенность по¬
верхности Плутона в 1600 раз меньше освещенно-
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ ОПТИКА

Атмосферная и космическая оптика
сти земной поверхности. Она представляет собой
замерзший метан, в небольшой концентрации при¬
сутствующий и в атмосфере. Предположительно
там же присутствует инертный газ неон.
Благодаря обнаруженному спутнику, оценена мас¬
са Плутона. Она в 422 раза меньше массы Земли и
даже в 5 раз меньше массы Луны. Диаметр всего
2500 км. Эти данные позволяют вычислить сред¬
нюю плотность планеты, которая оказалась мень¬
ше 1 г/см3. Следовательно, Плутон представляет
собой рыхлое образование, подобное ядру кометы
Галлея: замерзший лед с вкраплениями замерзших
газов, силикатов химических соединений некото¬
рых металлов и органических веществ.
В заключение рассмотрим спектры отражения сол¬
нечных лучей планетами группы Юпитера. Они
представлены на рис. 105. Поскольку главным
компонентом атмосферы этих планет является ме¬
тан, кривой 1 показан его спектр поглощения.
Солнечные лучи, попадая в атмосферу любой из
названных планет, в значительной степени ослаб¬
ляются по пути к ее поверхности. После отражения
они снова должны пройти слой атмосферы. К
двойным потерям за счет поглощения метаном и
аэрозольными частицами добавляются потери в
результате поглощения минеральными образова¬
ниями на поверхности каждой планеты. В итоге от¬
ражается лишь небольшая часть входящего в атмо¬
сферу солнечного излучения.
Сравнение приведенных на рис. 105 спектров по¬
казывает, что в тех спектральных участках, где
расположены интенсивные полосы поглощения ме¬
тана, наблюдаются глубокие провалы в спектрах
отражения всех четырех планет. Слабее всего они
у Юпитера и Сатурна. Следовательно, концентра¬
ция метана в их атмосфере меньше, чем у Урана и
Нептуна. Поэтому в длинноволновой области
(X = 600 -г-1000 нм) их спектры отражения интен¬
сивнее. Что касается коротковолновой области
(X = 300 -г- 600 нм), то в ней Юпитер и Сатурн не
показывают каких-либо особенностей: кривые от¬
ражения плавно поднимаются с увеличением дли¬
ны волны падающего излучения, указывая на то,
что в их формировании принимают участие поро¬
ды планет. Только вблизи X и 555 нм можно за¬
метить небольшой провал, вызванный поглощени¬
ем молекулами метана.
В отличие от Юпитера и Сатурна средняя величина
отражательной способности Урана и Нептуна на
участке X = 300 -ь 600 нм остается почти постоян¬
ной. Если в его длинноволновой части наблюдают¬
ся провалы, вызванные поглощением метана, то в
коротковолновой (X = 300 ч- 400 нм) зарегистри¬
рованы максимумы, которые объясняются комби¬
национным рассеянием солнечного излучения мо¬
лекулами водорода.
В разделе, посвященном молекулярным спектрам,
говорилось, что внутримолекулярные колебания
двухатомных молекул с одинаковыми ядрами не
могут проявляться в спектрах поглощения, зато да¬
ют о себе знать в спектрах комбинационного рас¬
сеяния. Это и наблюдалось сотрудником Главной
астрономической обсерватории Национальной
академии наук Украины Е. Коркошко, любезно пре¬
доставившим нам описанные выше спектры. По
его данным, можно судить и о концентрации водо¬
рода в атмосфере рассматриваемых планет. У
Нептуна и Урана она больше, чем у Юпитера и Са¬
турна, т.к. интенсивность линий комбинационного
рассеяния молекулярного водорода у последних
значительно меньше. Соответствующие пики при
X < 400 нм едва заметны •
170
ЗАІИМНІЕЯЬІДЯ ОПТИКА

Солнце
Вечірне сонце, дякую за день !
Вечірне сонце, дякую за втому.
За тих лісів просвітлений Едем
I за волошку в житі золотому.
За твій світанок і за твій зеніт,
I за моТ облечен! зеніти.
За те, що завтра хоче зеленіть,
За те, що в небі, за дитячий смак,
За те, що можу, і за те, що мушу.
Вечірне сонце, дякую за всіх,
Котрі нічим не осквернили душу.
За те, що завтра жде своі'х натхнень.
Що десь у світі кров ще не пролито.
Вечірне сонце, дякую за день,
За цю потребу слова, як молитви.
Ліна Костенко
"...Я не хочу, чтобы под ярмом суеверия ты думал, что Земля,
Солнце, небо, море, Луна суть божественны, вечно пребываю¬
щие существа...'1
Лукреций Кар, "О природе вещей "
Легенды и мифы о Солнце
Солнце - источник жизни на планете Земля.
Оно не только освещает и обогревает нас, но
является также одним из основных факторов,
обеспечивающих протекание фотосинтеза, в ре¬
зультате которого происходит накопление биомас¬
сы в виде растений и фитопланктона на широких
просторах суши, морей и океанов.
Земная биомасса - источник существования жи¬
вотного мира и человека. Все живое на Земле -
порождение Солнца. Неудивительно, что с древ¬
нейших времен человек понял и оценил роль глав¬
ного небесного светила в его существовании, по¬
клонялся ему, частенько принося в качестве по¬
жертвований даже себе подобных.
Солнце было богом для всех древних народов ми¬
ра. Космическим эквивалентом китайского импе¬
ратора Цинь-Шихуанди служило Солнце, а его же¬
ны -Луна. Отличаясь неимоверной жестокостью,
этот император на костях подвластных ему наро¬
дов построил Великую китайскую стену, Дворец
Эпан, один из залов которого имел размеры
170 х 800 метров, и колоссальную гробницу, в ко¬
торой, кроме необходимых для загробной жизни
предметов, была погребена целая армия воинов в
вцде керамических фигур в полный человеческий
рост, а также сотни скульптурных лошадей и более
100 колесниц.
В династии Цинь широкое распространение и по¬
читание получили различные колесницы. Были сол¬
нечные, облачные, громовые, звездные колесницы
и при каждой из них находился возница. Особым
уважением пользовался возница солнечной колес¬
ницы Си-Хе. В этом отношении древний Китай не
был исключением. Колесницы Солнца характерны
для многих народов Европы, Азии и Африки. Не
знали их лишь древние народы Америки, так как им
не удалось изобрести колесо. Да и лошадей не бы¬
ло на этом материке, пока в конце XV века их не за¬
везли туда испанские завоеватели.
Многочисленные предания далекого прошлого
среди различных народов мира свидетельствуют о
том, что колесо у них выступало символом Солнца.
Отсюда такое изобилие колесниц.
В религиозных гимнах древней Индии Солнце час¬
то называется быстроконным, а лучи отождествля¬
ются с гривами коней. Предпочиталось запрягать в
колесницы лошадей рыжей масти, т.к. эта масть
напоминала цвет Солнца.
Видимо, по той же причине древние народы Алтая
приносили в жертву их главному божеству Ульгеню
коней рыжей масти. Этот обычай сохранялся у них
вплоть до нынешнего столетия. Народы Севера тот
же ритуал проделывали с оленем.
Предки славян скифы, по утверждению отца исто¬
рии Геродота, за богов почитали только Солнце и
приносили ему в жертву лошадей. Это утвержде¬
ние гораздо позже подтвердили раскопки царского
скифского кургана в Аржаме (Тува).
Славяне поклонялись богу Солнца и плодородия
Яриле, который имел также имя Купалы. В его
честь слагались песни и совершались празднич¬
ные обряды, отголоски которых достигли нашего
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ II П Т И К А
1/1

Атмосферная п космическая оптика
Рис. 106
Фаэтон на солнечной колеснице
времени. В некоторых местностях Украины и Бе¬
лоруссии и по сей день в праздник Ивана Купалы
жарят красноперого петуха и водят вокруг кост¬
ров хороводы. Правда, не каждый участник таких
хороводов знает, что в далекие времена костер
символизировал горячее и желтое как пламя,
Солнце.
Все боги древних греков на оставшихся изображе¬
ниях в археологических находках снабжались ко¬
лесницами: и бог Солнца Гелиос, и Юпитер, и
Зевс и другие. Вспомним известную древнегрече¬
скую легенду о Фаэтоне, сыне бога Солнца Гелио-
са, приведенную в сочинении "Метаморфозы"
Овидия. Получив разрешение отца, Фаэтон решил
прокатиться на солнечной колеснице по небесному
своду (рис. 106). Превысив допустимую скорость,
он не смог справиться с квадригой огненных ко¬
ней, слишком близко оказался к Земле и в резуль¬
тате подверг большим испытаниям все живое на
ней. Если бы не вмешался Зевс, поразивший ко¬
лесницу молнией, беды не миновать. Эта прогулка
закончилась трагически для Фаэтона: он упал на
Землю и утонул в реке Эридан.
Многочисленные археологические находки бронзо¬
вого века свидетельствуют о широком распростра¬
нении в Европе солярно-колеснических мифов. В
одном из музеев Дании хранится добытая археоло¬
гами бронзовая модель колесницы, на заднем кон¬
це которой укреплен позолоченный с одной сторо¬
ны диск, символизирующий Солнце. Очень инте¬
ресная, довольно сложная по конструкции модель
солнечной колесницы из бронзы хранится в од¬
ном из музеев Австрии. Она не двух-, как обычно,
а четырехколесная. В центре колесницы фигура
человека, поддерживающего над головой модель
Солнца в виде вогнутого бронзового зеркала
(рис. 107).
Народы доколумбовой Америки свое преклонение
перед Солнцем выражали в виде строительства
специальных пирамид, посвященных богу Солнца.
Даже развалины некоторых из них поражают вооб¬
ражение современного человека. Одна из таких
пирамид в мертвом городе Теотиуакан, что неда¬
леко от Мехико, имеет периметр основания в 1000
метров. Ацтеки, населявшие места расположения
подобных пирамид тысячу лет спустя, считали, что
1/2
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ О П Т И К А

Рис. 107
Солнечная колесница,
хранящаяся в одном
из музеев Австрии
солнечную и другие большие пирамиды построили
великаны-киннаме.
Юкатанский ученый Хосе Диас Болио, которого
можно считать основоположником теории о воз¬
зрениях майя как о великих почитателях Солнца,
утверждает, что индейские племена майя оставили
города Древнего царства и устремились на восток
лишь для того, чтобы выйти на место, откуда еже¬
дневно хорошо просматривается рождение живо¬
творного солнечного диска. И все города Юкатана,
со всеми пирамидами и дворцами, созданы как
величественный памятник божественному Солнцу.
"Весь Юкатан превратился в огромный алтарь под
открытым небом, в котором осуществляются не¬
прерывные молебствия во славу золотого Бога".
Если учесть географическое положение, климат
Юкатана и особенности рельефа, действительно
нетрудно прийти к выводу, что этот полуостров в
некотором роде является единственным местом в
Центральной Америке, где в течение года еже¬
дневно можно наблюдать восход Солнца.
Кроме майя, и другие древнейшие народы Америки
из поколения в поколение передавали многочислен¬
ные легеццы, центральное место в которых занимало
Солнце. В большинстве этих легенд Солнце сперва
жило на небе, а потом спустилось на Землю. Майя
же придерживались противоположной точки зрения:
первоначально Солнце со своей женой Луной обита¬
ли на Земле. Будучи женщиной весьма легкомыслен¬
ной, однажды Луна наставила своему супругу рога.
Начались семейные неурядицы и через некоторое
время Солнце и Луна оказались на небе далеко друг
от друга. Солнце продолжало сиять, как и прежде, а
Луна заметно потускнела. Оказывается, в наказание
за измену Солнце выбило ей один глаз. Однако пол¬
ного разрыва не произошло, но когда между ними
возникала крупная ссора, наступало затмение.
Племена майя, как и другие древние народы мира,
почитали много богов, но Солнце у них было глав¬
ным богом. Только ему приносились человеческие
жертвы. Майя оправдывали эти жертвы тем, что за
совершенный в течение дня длинный путь по небу
Солнце изрядно уставало и поэтому нуждалось в
пополнении утраченных сил.
Многочисленным разнообразием отличаются ми¬
фы и легенды древних египтян. Они посвящены,
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ ОПТИКА
1/3

Атмосферная и космическая оптика
главным образом, сотворению мира и роли в
этом процессе Солнца. Так, в одной из легенд
солнечное дитя, осветившее Землю, пребывав¬
шую во мраке, появилось из распустившегося
цветка лотоса (рис. 108). Изображения сидящего
на цветке лотоса младенца встречаются в Египте
вплоть до римского времени. Это предание стало
одной из официальных версий позднейших еги¬
петских космогоний. (Космогония — раздел ас¬
трономии, занимающийся происхождением и
развитием космических тел и их систем: звезд и
звездных скоплений, галактик, туманностей, сол¬
нечной системы с ее планетами, большими и ма¬
лыми, их спутниками, кометами и метеоритами.)
В некоторых египетских мифах Солнце рождается
божеством в виде животного или птицы. В одном
из них говорится, например, что Солнце появляет¬
ся в вцце золотого теленка от огромной небесной
коровы, все тело которой покрыто звездами (рис.
109). Отрывки подобных мифов найдены в Текстах
пирамид, в которых бог Солнца называется Осири¬
сом, Ра, Атоном, Амоном.
В древнем Египте существовали рассказы о
Солнце и Луне в виде двух глаз сокола, а также
о том, что Солнце - огромный шар, который ка¬
тит по небу солнечный жук, подобно священному
навозному жуку-скарабею, катящему свои шари¬
ки по земле.
Разнообразие упоминаемых мифов, легенд и ска¬
заний о сотворении мира и рождении Солнца не
должно нас удивлять, поскольку этот процесс про¬
должался тысячелетиями и каждое поколение вно¬
сило свою лепту, находясь на иной ступени обще¬
ственного развития.
Важно подчеркнуть, что египетские космогоничес¬
кие мифы почти всегда связаны с рождением
Солнца. Даже в тех случаях, когда миф повествует
о происхождении всей природы, богов и людей,
первое и главное место в нем отводится появле¬
нию Солнца и впоследствии именно солнечный
Бог выступает в качестве творца вселенной.
Вот так воспето Солнце в гимне Амону - Ра«
174
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ О П Т И К А

Хвала тебе, великий, родивший богов,
Создавший себя самого, Сотворивший
Обе Земли*
Была земля во мраке,
И стал свет после того, как ты возник.
Озарил ты Египет лучами своими,
Когда диск твой засиял.
Прозрели люди, когда сверкнул твой
правый глаз впервые,
Левый же глаз твой прогнал тьму ночную.
Энергия Солнца
Уместно начать наш рассказ с таблицы, отражаю¬
щей ситуацию в мире в одной из наиболее важных
областей производства - производства энергии. В
ней дано также сравнение произведенных челове¬
ком мощностей с посылаемыми на земную поверх¬
ность Солнцем.
Солнце - самая близкая к нам звезда. Она нахо¬
дится на так называемой главной последователь¬
ности своего развития. Излучаемая такой звездой
энергия выделяется в результате протекания тер¬
моядерных реакций. По своей массе, составляю¬
щей 1,98-1030 кг, Солнце можно отнести к желтым
карликам. В отличие от белых карликов, масса ко¬
торых сравнима с массой Солнца, последнее име¬
ет очень низкую среднюю плотность, всего
1,4	г/см3, в то время как плотность белых карликов
порядка 106 г/см3, т.е. одна тонна в каждом куби¬
ческом сантиметре. Казалось бы, трудно себе
представитъ столь высокую плотность вещества,
но на удивление она в 108 раз меньше плотности
нейтронных звезд, достигающей 100 миллионов
тонн в каждом кубическом сантиметре!
Хотя Солнце астрономы причисляют к желтым кар¬
ликам, его размеры весьма внушительны — это
сферическое образование с диаметром почти
1,5	миллиона километров. Достаточно разместить
по прямой сотню таких шаров, чтобы исчерпать
расстояние от Солнца до Земли, равное
149 500 000 км.
Основной поток солнечного излучения испускается
внешней поверхностью, которая называется фото¬
сферой. Ее температура примерно 6000° С. Над
фотосферой расположен более холодный слой
хромосферы, простирающейся до высоты 10 000 —
15 000 км. Затем следует солнечная корона, пред¬
ставляющая собой практически полностью иони¬
зированный газ. Ее протяженность очень велика:
своими языками солнечная корона достигает зем¬
ной орбиты, концентрируясь в виде "солнечного
ветра", благодаря магнитному полю Земли, у ее
полюсов. Появление полярных сияний - результат
воздействия солнечной короны на атмосферу
Земли.
Мощность солнечного излучения, падающего на
расположенную перпендикулярно его лучам пло¬
щадку 1 м2, равна 1730 Вт. Эта величина называ¬
ется солнечной постоянной.
Общий поток энергии, излучаемый Солнцем в ок¬
ружающее пространство в интервалах всех длин
волн, составляет 3,9-1026 Вт. В результате излуче¬
ния Солнце непрерывно теряет часть своей массы,
которую можно рассчитать с помощью соотноше¬
ния Эйнштейна Е= т<?. Здесь Е— энергия, отда¬
ваемая ежесекундно путем излучения, распростра¬
няющегося со скоростью с = 3-108 м/с, т — поте¬
рянная масса. Расчет дает следующее значение:
т = Е/<? = 3,9-1026 / (3-108)2 = 4,3-109 кг =
= 4,3-10б тонн!
Источник энергии
Джоули в год
Мощность в кВт
Энергия, излучаемая Солнцем
12,6
• 1033
3,9
ю23
Энергия, получаемая Землей (на границе атмосферы)
5,6-
ю24
1,9
. 1014
Энергия, получаемая поверхностью Земли
2,5
ю24
0,8
1014
Примерный предел производства энергии на Земле
2,5
ю24
0,8
1011
Энергия, произведенная на Земле в 1985 г.
3,1 •
• ю2°
1
ІО10
ЗНІЙМАТЕаЬКДЯ ОПТИКА
175

Атмосферная о космическая оптика
Итак, ежесекундно Солнце "худеет" больше, чем
на 4 миллиона тонн! Но это далеко неполные поте¬
ри. Мы учли лишь электромагнитное излучение
различных длин волн, но к нему следовало бы до¬
бавить корпускулярное излучение, в состав кото¬
рого входит поток заряженных частиц - элект¬
ронов, протонов и ионов кислорода, углерода, ар¬
гона, неона и других атомов. Этот поток составля¬
ет примерно (1-ь2)Ю6 тонн/с, т.е. близкие к
фотонным потерям массы.
Приведенная цифра потерь обескураживает. Сразу
же возникает вопрос, а надолго ли хватит нашего
светила, чтобы без заметных ухудшений поддер¬
живать жизнь на Земле? Ответ на этот вопрос по¬
лучим, разделив массу Солнца на массу ежегодных
потерь. Он дает цифру 15-1012 лет. Мы предложи¬
ли читателю этот расчет в порядке развлечения.
Конечно же, никакого полного "испарения” Солнца
никогда не произойдет. Во-первых, потому, что
Солнце не только излучает, но и приобретает не¬
которую массу за счет падения на него метеори¬
тов. Во-вторых, (и это главный фактор) потому, что
такого финала не предусматривает весь путь даль¬
нейшего развития "желтого карлика".
Если бы Солнце состояло из угля, сгорание кото¬
рого давало бы в космос столько энергии, сколько
оно отдает в виде излучения, то его хватило бы
лишь на 5000 лет. В литературных источниках
древних и средних веков мы не находим никаких
предположений, рассуждений и гипотез на этот
счет. Только создатели закона сохранения энергии
Роберт Майер и Герман Гельмгольц первыми по¬
пытались высказать предположение об источнике
солнечной энергии. Первый из них считал, что
этим источником являются метеориты, падающие
на Солнце, второй видел его в медленном сжатии
Солнца.
После открытия радиоактивности и установления
факта, что Солнце состоит в основном из водорода
и гелия, английский астрофизик Артур Эддингтон
высказал предположение, что энергия Солнца вы¬
деляется при слиянии четырех едер водорода в
ядро гелия. Это предположение, как и всякая но¬
вая гипотеза, вызвала возражения у многих уче¬
ных. Даже Резерфорд, которому в 1920 г. впер¬
вые удалось получить ядерную реакцию, говорил:
"Звезды недостаточно горячи для этого”. "Найди¬
те местечко погорячее", - советовал ему Эддинг¬
тон, намекая на жар в аду, и тут же ехидно доба¬
вил: "То, что доступно лаборатории имени Кавен¬
диша, не может быть слишком трудным для
Солнца". Как известно, полученная Резерфордом
едерная реакция была осуществлена в упомяну¬
той лаборатории.
После ряда выдающихся открытий в начале 30-х
годов двадцатого века, наконец в 1939 г. Ганс Бете
завершил создание теории водородного цикла
едерных реакций в недрах звезд, в том числе на¬
шего Солнца, доказав при этом, что Эддингтон
был прав.
Долго проверялась теория Бете, и когда уже не
было серьезных возражений со стороны ученых
знаменитостей, в 1967 г. ему была присуждена
Нобелевская премия.
Условия для протекания едерных реакций с после¬
довательным участием наиболее легких элементов
таблицы Менделеева определяются в глубоких
слоях Солнца высоким давлением (поредка 100
млрд атмосфер), плотностью, превышающей 100
г/см3, и температурой 13—14 млн градусов. В на¬
стоящее время едет водородный цикл. В результа¬
те слияния протонов образуется гелий. По оценкам
— каждую секунду в недрах Солнца "сгорает" 630
млн тонн водорода, превращаясь в гелий. Когда
весь водород выгорит, уменьшится генерация из¬
лучения, а вместе с тем производимое им давле¬
ние, противодействующее гравитационному сжа¬
тию. Ядро светила начнет сжиматься до тех пор,
пока плотность в центре не достигнет 100 кг/см3, а
температура не превысит 100 млн. градусов. Такие
условия обеспечивают "горение" гелия, из которо¬
го образуется углерод.
Углеродный цикл дает кислород, затем образуется
неон и, наконец, магний. К этому моменту весь ге¬
лий истощается и для продолжения новых едерных
реакций необходимы дальнейшее сжатие и повы¬
шение температуры светила.
1/6
ЗАННМАТЕІІІАЯ ОПТИКА

Солнечная масса недостаточна для этого и на эта¬
пе образования магния Солнце превратится в бе¬
лого карлика, размеры которого не превысят нашу
Землю, а плотность достигнет примерно одной тон¬
ной в кубическом сантиметре. Астрофизиками уста¬
новлен теоретический предел существования наше¬
го Солнца как светила. Через 5-7 млрд лет в нем
исчерпаются запасы водорода и начнется гелиевый
цикл. Оболочка, окружающая гелиево ядро, начнет
быстро расширяться и вскоре достигнет Земли,
превратив ее в пустыню. В этот период Солнце бу¬
дет красным гигантом с оболочкой невысокой плот¬
ности, которая в течение примерно десяти тысяч
лет рассеется и Солнце превратится в белый кар¬
лик. Медленно остывая, он потеряет способность
излучать и превратится в черный карлик - малень¬
кую холодную звезду размером в земной шар.
Мы описали один из литературных вариантов за¬
ключительного этапа в эволюции Солнца. Сущест¬
вуют, по-видимому, и другие варианты.
Фотосфера, хромосфера
о корона
Фотосфера Солнца — это переходная область от
глубоких слоев, излучающих непрерывный спектр,
как всякое нагретое тело, до внешних слоев, не
дающих непрерывного по шкале частот излучения.
Фотосферу окружает неоднородное плазменное
образование (совокупность ионов и электронов)
— хромосфера, над которой формируется коро¬
на с температурой в несколько миллионов гра¬
дусов.
Между фотосферой и хромосферой находится
слой низкотемпературной плазмы (около 4000 °С).
Началом фотосферы принято считать уровень, от
которого в центре солнечного диска приходит к
нам 37% потока солнечного излучения, возникшего
под упомянутым уровнем; 63% теряется в фото¬
сфере, хромосфере и короне. Расчеты показыва¬
ют, что от поверхности, расположенной на 30 км
глубже нулевого уровня фотосферы, к Земле при-
Однако, вернемся к потерям солнечной массы.
Спрашивается, а сколько же приходится ее на до¬
лю Земли: на все то тепло, которое получает Зем¬
ля, на ее освещение; на процесс фотосинтеза, на
различные явления, происходящие в атмосфере
Земли и на ее поверхности? Оказывается, ежесе¬
кундно всего-навсего 1,9 кг, что составляет 4,4
миллионных долей процента. И вот перед челове¬
чеством возникает проблема увеличить эту долю
процента. Перехватить каким-либо образом потоки
солнечного излучения в космическом пространст¬
ве, преобразовать его в электрическую, а эту по¬
следнюю - в энергию электромагнитных волн та¬
кой частоты, которая с наименьшими потерями
может быть направлена к Земному потребителю.
В другом варианте энергия световых лучей может
быть использована как движитель космических па¬
русников, используемых для межпланетных путе¬
шествий. Эти два направления обсуждаются в сле¬
дующих разделах книги •
ходит не более нескольких процентов, а с еще бо¬
лее глубоких слоев вообще ничего не приходит.
Фотосфера имеет гранулярную структуру. Детали
ее были установлены учеными Принстенского Уни¬
верситета в США (1959 г.), а затем уточнены Пул¬
ковской обсерваторией во время полетов атмо¬
сферных аэростатов в 1970 и 1973 гг. Фотосфера
оказалась гораздо менее однородным образовани¬
ем, чем считалось до осуществления полетов этих
аппаратов. Было установлено, например, что раз¬
ность температур светлых пятен и темных проме¬
жутков между ними равна 600 °С, а прозрачность
последних больше таковой светлых гранул.
В спектрах, полученных в лабораторных условиях
при невысокой температуре, например, в пламени
или газоразрядной трубке, линии имеют меньшую
полуширину, так как в этом случае не так часты со¬
ударения атомов или ионов и не столь велика их
скорость. В солнечной фотосфере происходит ин¬
тенсивное турбулентное движение частиц. Это вме¬
сте с более высокой плотностью приводит к ушире-
нию вследствие эффекта Доплера и соударений.
SftlNMATElbRAS i п т и к А
177

Атмосферная и космическая оптика
Уширение спектральных линий используется для
получения сведений о температурах и турбулент¬
ных вихрях в фотосфере Солнца. По их полушири¬
не установлено изменение средней протяженности
таких вихрей с высотой.
На основании изучения полуширины и асимметрии
спектральных линий Я.С. Яцкивом, Р.И. Костыком и
Н.Г. Щукиной построена трехмерная модель фото¬
сферы Солнца. Из нее следует, что на данной вы¬
соте флуктуации температуры могут достигать 300
°С. Доказано, что гранула с более высокой темпе¬
ратурой может как подыматься, так и опускаться.
Более доступными для исследователя являются
хромосфера и корона. Все, что происходит в них -
почти зеркальное отображение того, что происхо¬
дит в фотосфере. Например, хромосферные факе¬
лы возникают над фотосферными; структура хро¬
мосферы и короны формируется магнитными по¬
лями, выходящими из фотосферы. Энергия, иду¬
щая на нагревание короны до миллионов градусов,
поставляется к ней фотосферой.
Космическая техника наблюдений по регистрации
линии водорода На в хромосферных элементах по¬
казала, что они имеют вед волокон или зерен,
продолжающих элементы фотосферы (рис. 110). В
этом нет ничего удивительного, ведь не может
быть резкой границы между различными состояни¬
ями высокотемпературной плазмы.
Спектроскопические исследования короны показы¬
вают, что это очень неоднородная среда, состоя¬
щая из плазменных образований в веде волокон
самых различных размеров и неодинаковой темпе¬
ратуры. Последняя изменяется от 6000 °С до мил¬
лионов градусов при колебаниях плотности от
10-11 до 10-15 г/см3.
Фотосфера поставляет энергию и вещество в хро¬
мосферу и корону путем выбросов плазмы и пере¬
носа излучения в широком диапазоне частот. В
свою очередь, образующиеся в короне протубе¬
ранцы на заключительном этапе своего существо¬
вания падают и разрушаются в фотосфере. Если
бы корона ничего не получала от фотосферы, даже
в периоды спокойного Солнца она не просущест¬
вовала бы и нескольких суток.
С развитием космической техники и науки Солнце
стало более доступным объектом для астрофизиков.
Пользуясь спектральной и радиотехнической аппара¬
турой, установленной на космических станциях, мож¬
но забытъ о помехах, вносимых земной атмосферой •
Солнечные вспышки
и солнечный ветер
Солнечные вспышки — это взрывы, возникающие в
глубинных слоях Солнца в результате протекания
адерных реакций синтеза, выбрасывающие в космос
с большой скоростью плазму и излучающие мощное
ультрафиолетовое, рентгеновское и радиоизлучение.
Длины волн последнего охватывают интервал от не¬
скольких мм до нескольких километров.
Одна солнечная вспышка по мощности эквивалент¬
на одновременному взрыву десятков и даже сотен
водородных бомб. Пусть не очень удивляются чи¬
татели этим цифрам. На некоторых звездах проис-
178
ЗАКММАТЕІІІДЯ ОПТИКА

Солнце
ходят процессы в сотни, тысячи и миллионы раз
большей мощности и масштаба, чем солнечные
вспышки.
Взрывная фаза солнечной вспышки оценивается
по времени подъема интенсивности линии На во¬
дородного атома до максимума. Она может быть
короткой, до 10 секунд, а при особенно сильных
взрывах - до 20 минут. Нарастание размеров
вспышки происходит быстрее, чем при взрыве
атомной бомбы.
Если начало вспышки фиксировать по появлению
линии На, то через несколько секунд регистриру¬
ется рентгеновское, а затем и радиоизлучение.
Мощность вспышки также определяется по интен¬
сивности линии На, являющейся наиболее харак¬
терной в этом процессе. Для регистрации излуче¬
ния вспышек широко пользуются средствами кино.
Снятый фильм хорошо передает возникновение
вспышки по появлению блестящих точек в различ¬
ных местах солнечных пятен. С ростом яркости то¬
чек растет и область вспышки.
Излучение вспышек состоит не только из спект¬
ральных линий различных химических элементов,
из которых наиболее интенсивными являются ли¬
нии бальмеровской серии атома водорода, но так¬
же из непрерывного фона. Он накладывается на
непрерывный спектр температурного излучения
Солнца, поэтому его выделение представляет труд¬
ную задачу. Это удается еделатъ лишь тогда, когда
его интенсивность составляет не менее 10% от ин¬
тенсивности температурного излучения Солнца.
Рентгеновское излучение вспышек, как и оптичес¬
кое, состоит из непрерывного спектра и эмиссион¬
ных линий, принадлежащих многократно ионизи¬
рованным атомам железа и кальция, потерявших
более 15—20 электронов.
В ультрафиолетовой области от 100 до 1000 А на
непрерывном фоне серии Лаймана атома водорода
зарегистрировано много линий различных ионизи¬
рованных атомов, в том числе многократно.
Кроме излучения, которое возникает в результате
вспышек, существует также непрерывное излуче¬
ние такого рода из внешних слоев солнечной коро¬
ны. Его называют солнечным ветром. Сведения о
солнечном ветре получены немецким ученым
Л. Бирманом из анализа сил, действующих на ко¬
метные хвосты. До этого предполагалось, что сол¬
нечная корона находится в состоянии гидростати¬
ческого равновесия, однако в 1957 г. американ¬
ский ученый Паркер опроверг это положение, до¬
казав неизбежность ее расширения.
Через два года советская космическая ракета Лу¬
на-2 впервые зарегистрировала потоки корпуску¬
лярного излучения Солнца. Непрерывность таких
потоков во времени установлена в 1962 г. амери¬
канским космическим аппаратом "Маринер-2" в
результате проведения длительных измерений их
параметров.
Солнечный ветер - это поток квазинейтральной
плазмы, выбрасываемой Солнцем в космическое
пространство. В подавляющем большинстве своем
это электроны и протоны с небольшой примесью
ионов других атомов, в основном атома гелия
(примерно 4,5%.) Нейтральная плазма в каждой
единице объема содержит одинаковое количество
положительного и отрицательного электричества; в
квазинейтральной, т.е. подобной нейтральной, в
сравнительно небольших объемах могут преобла¬
дать частицы положительно или отрицательно за¬
ряженные.
На орбите Земли средняя скорость частиц, состав¬
ляющих плазму, примерно 400 км/с. Колебания
скорости охватывают интервал от 280 до 900 км/с.
Плотность частиц находится в пределах от 0,3 до
100 частиц в 1 см3. На орбите Земли их концент¬
рация составляет примерно 3 частицы в 1 см3.
Свойства, присущие солнечному ветру, проверяют
на приличном от Земли расстоянии, чтобы исклю¬
чить влияние ее магнитного поля. Ведь каждая ча¬
стица, несущая на себе электрический заред, по¬
добно текущему по проводнику электрическому то¬
ку, сама создает магнитное поле. Взаимодействуя
с полем Земли, она отклоняется к ее полюсам. Не¬
смотря на низкую плотность частиц, образующих
солнечный ветер, он, вместе с солнечным светом,
оказывает давление на космические корабли, воз-
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ ѴІТИІА
173

Атмосферная и космическая оптика
действует на планеты, астероиды, кометы, вообще
на все небесные тела и посланные человеком в ко¬
смос.
Возникая в солнечной атмосфере и являясь ее
продолжением, солнечный ветер несет информа¬
цию о процессах, происходящих в фотосфере, хро¬
мосфере и короне.
Уместно остановиться на таком понятии, как темпе¬
ратура рассматриваемой плазмы. Обычные пред-
Спектр Солнца
Все, что мы можем рассказать о верхних слоях
Солнца, извлечено из анализа его спектра, как не¬
прерывного, так и линейчато-абсорбционного, со¬
ставляющего совокупность фраунгоферовых темных
линий. В интервале 300-2500 нм их более 30 000.
Наблюдая радугу, люди давно догадывались, что ее
яркие цвета как-то связаны с солнечными лучами.
Но только в XVII веке И. Ньютон, а за 8 лет до его
опытов чешский ученый Иоган Маркус Марци раз¬
ложили белый свет Солнца в непрерывный спектр
различных цветов. Ни Ньютон, ни Марци даже не
подозревали, что в этом непрерывном спектре на
самом деле есть многочисленные разрывы. Только
в 1802 г. английский химик и врач Уильям Воллас¬
тон на собственноручно построенном спектральном
приборе обнаружил в непрерывном солнечном спе¬
ктре рад темных линий, закономерного расположе¬
ния которых установить ему не удалось.
Следует отметить незаурядные конструкторские
способности этого человека. Он изобрел ряд по¬
лезных элементов инструментальной оптики, в том
числе специальную призму, преобразующую есте¬
ственный свет в два поляризованных во взаимно
перпендикулярных плоскостях световых пучка. Она
и по сей день широко используется в оптических
лабораториях и носит имя изобретателя.
Изучению темных линий в непрерывном спектре
Солнца посвятил значительную часть своей корот¬
кой и нелегкой жизни современник Волластона Ио¬
сиф Фраунгофер (1787 - 1826 гг.). Оставшись в
ставления о температуре как о статистическом рав¬
новесии в распределении скоростей неупорядочен¬
ного движения частиц газообразной среды по всем
направлениям в пространстве в данном случае не¬
применимы. Поэтому в физике пользуются поняти¬
ем "температура плазмы", не отождествляя его с
обычной температурой. Более того, приходится
вводить две температуры, электронную Ге и ионную
7[. На орбите Земли принято считать их примерно
равными Ге~ 0,5-105 К и 7Г - 1-105 К •
11 лет круглым сиротой, подросток устроился на
работу в шлифовальную мастерскую в качестве
ученика. Работа в мастерской исключала занятия в
школе и до 14 лет Фраунгофер был совершенно
неграмотным, не умел ни читать, ни писать.
Однажды старенький дом хозяина рухнул и юношу
едва живого извлекли из кучи обломков. Проезжав¬
ший в это время наследный принц стал невольным
свидетелем трагедии. Сочувствуя пострадавшему,
он подарил ему крупную сумму денег, за которую
Фраунгофер смог открытъ собственную шлифоваль¬
ную мастерскую и получил возможность начатъ за¬
нятия в школе. Хотя работа и учеба отнимали много
времени, Фраунгофер занимался изучением темных
линий в спектре Солнца и конструированием опти¬
ческих приборов. Особенно большого успеха он до¬
стиг в изготовлении дифракционных решеток.
В 22 года Фраунгофер переехал в Мюнхен, вскоре
получил должность профессора, стал членом Акаде¬
мии и хранителем физического кабинета. Интенсив¬
но занимаясь оптикой, он установил частоты около
600 линий, получивших название фраунгоферовых, и
положил начало изучению явления дифракции пучка
параллельных световых лучей на одной и многих
прямоугольных щелях (дифракция Фраунгофера).
Прошли годы, и постепенно каждая темная линия
нашла своего хозяина. В 1859 г. Кирхгоф опубли¬
ковал статью, в которой сообщал, что каждый хи¬
мический элемент имеет свой линейчатый спектр.
Такой вывод был получен не на голом месте, а по¬
сле кропотливых совместных исследований с дру¬
гим немецким ученым Бунзеном. Значение этого
3 А Н И М А Т Е П Ь Н А Я ОПТИКА

Рис. 1 1 1
Видимая область непрерывного солнечного спектра с темными фраунгоферовыми линия¬
ми. Под ним (сверху вниз) спектры атомов водорода, гелия, неона, аргона, натрия, калия,
рубидия, цезия и бария
вывода невозможно переоценить, как невозможно
представить себе современной науки и техники
без спектрального анализа, родоначальниками ко¬
торого признаны всем миром Бунзен и Кирхгоф.
В настоящее время составлены подробные катало¬
ги спектральных линий всех существующих в при¬
роде химических элементов и также тех, которые
ученым удалось синтезировать искусственным пу¬
тем. Что касается фраунгоферовых линий, отража¬
ющих "выедание" ими узких участков непрерывно¬
го спектра солнечной фотосферы, температура ко¬
торой около 6000 °С, то они возникают в результа¬
те возбуждения атомов и ионов, находящихся в
нормальных или в более низких возбужденных
энергетических состояниях, за счет поглощения
определенных частот непрерывного спектра фото¬
сферы в более холодном слое хромосферы.
Известны сотни тысяч фраунгоферовых линий. Их
отождествление по полученным в лабораторных ус¬
ловиях спектрам для всех элементов таблицы Мен¬
делеева привело к заключению, что среди множест¬
ва фраунгоферовых линий можно найти линии лю¬
бого химического элемента в виде нейтрального,
ионизированного атома или двухатомной молекулы.
На рис. 111 представлена видимая часть солнечно¬
го спектра, испещренного темными линиями раз¬
личной толщины. Это и есть линии Фраунгофера.
Их толщина определяется не только естественной
шириной энергетических уровней, между которыми
реализуется квантовый переход, но также концент¬
рацией поглощающих частиц, кроме действия от¬
меченных ранее внешних факторов - эффекта До¬
плера, соударений, влияния электрического поля и
пр. Ниже под солнечным спектром приведены спе¬
ктры испускания атомарного водорода и других хи¬
мических элементов, полученные в лаборатории на
том же спектральном приборе, что и солнечный
спектр. Можно заметить, что первые 4 линии баль-
меровской серии На, Нр, Ну и Н5 в спектре испус¬
кания атомарного водорода по положению находят
точных партнеров среди фраунгоферовых линий.
Они обозначены буквами С, F, в и Н. Этот факт
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ ОПТИКА

Атмосферная и космическая оптика
позволяет утверждать, что в атмосфере Солнца
присутствует атомарный водород, причем в невоз¬
бужденном состоянии. Самая коротковолновая се¬
рия Лаймана, соответствующая переходу атома
водорода из нормального в возбужденные состоя¬
ния, попадает в ультрафиолет, остальные серии -
в инфракрасную область спектра.
Сопоставление спектров других элементов табли¬
цы Менделеева с соответствующими частотными
участками солнечного спектра дает возможность
установить их наличие в солнечной атмосфере.
Высокие температуры приводят к ионизации ато¬
мов. Поэтому среди фраунгоферовых линий нахо¬
дят также линии, принадлежащие одно-, двух¬
кратным и даже многократно ионизированным ато¬
мам. По известным энергиям ионизации оценива¬
ют температуру верхних слоев Солнца.
Наиболее плотный "частокол" фраунгоферовых
линий заключен в коротковолновой области спект¬
ра. На один и тот же частотный интервал их мень¬
ше в видимой области и еще меньше в инфра¬
красной. В качестве примера на рис. 112 приве¬
дена фотометрическая кривая участка солнечного
спектра протяженностью всего в 45 А. Он содер¬
жит около 100 линий. Можно представить себе,
сколько их во всей видимой области, занимающей
интервал 3750 А.
Анализ фраунгоферового спектра позволяет уста¬
новить химический состав солнечной атмосферы.
Для этого нужно иметь спектры излучения всех хи¬
мических элементов таблицы Менделеева, сущест¬
вующих в природе, а не полученных искусствен¬
ным путем (трансурановые элементы). Сопостав¬
ляя темные линии на сплошном температурном
спектре Солнца с одинаковыми по длине волны
линиями испускания данного элемента, мы убеж¬
даемся в его наличии или отсутствии в атмосфере
Солнца. При этом необходимо иметь в виду веро¬
ятности квантовых переходов, порождающих спек¬
тральные линии. Они могут колебаться в очень
широких пределах. Поэтому не все линии атомов,
присутствующих в атмосфере Солнца, можно най¬
ти среди фраунгоферовых линий, а только те, ве¬
роятности поглощения в которых максимальны.
Наиболее богат спектр солнечной атмосферы ли¬
ниями элементов группы железа (железо, кобальт,
никель), а также титана, хрома и ванадия.
Солнце излучает и поглощает не только внешними
слоями своего тела. Эти процессы происходят во
всех его элементах, вплоть до центральной части,
температура которой достигает 13-14 млн граду¬
сов. Поскольку по своим свойствам оно является
абсолютно черным телом, максимум кривой Планка
приходится при такой температуре на область рент¬
геновских лучей. Могут ли кванты рентгеновских, а
также всех прочих частот излучения беспрепятст¬
венно "выбраться" к поверхности солнечного диска?
Оказывается, сделать им это очень трудно. На пути
к поверхности они бесконечное множество раз пе-
репоглощаются, переизлучаются, дробятся на более
мелкие или объединяются в более крупные.
Оценки приводят к выводу, что кванту излучения из
солнечного адра для достижения слоя фотосферы
необходимо, примерно, миллион лет. Но это будет
совершенно другой квант. "Двигался" он со скоро¬
стью примерно 8 см/час. По сравнению с ней ско¬
рость черепахи можно считать космической •
Рис. 112
Фотометрическая запись участка непрерывного солнечного спектра
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ 0 П Т И К А

Использование солнечной
энергии
Использование
солнечной энергии
Фотосинтез
беспечение жизненных процессов на Земле
полностью определяется явлением фотосинте¬
за, происходящего в листьях растений и фито¬
планктоне под воздействием поглощаемого ими
солнечного света. Поэтому мы сочли необходимым
рассказать читателям и об этой стороне солнечной
деятельности, затронув также некоторые историче¬
ские и социальные аспекты.
Поглощая солнечные лучи, всасывая корневой сис¬
темой из почвы воду с растворенными в ней соля¬
ми, усваивая из воздуха углекислый газ, листья
деревьев и растений превращают все это в сахар,
крахмал и древесину, выделяя при этом кислород.
Все живое на Земле зависит от этого процесса,
получившего название фотосинтез.
"Я вижу, как моя кровь образуется в хлебном коло¬
се... а древесина отдает зимою теплоту, огонь и
свет, похищенные ею у Солнца." (Швейцарский
ботаник Жан Сабье, 1742 - 1809 гг.).
"Природа поставила себе задачей перехватить на
лету притекающий на землю свет и превратить эту
подвижнейшую из сил в твердую форму". (Юлиус
Роберт Майер, 1845 г.). Справедливость этих вы¬
сказываний иллюстрирует рис. 113.
Важнейшим этапом в познании фотосинтеза было
выделение из зеленых листьев растений хлоро¬
филла. Это осуществили парижские аптекари
Пьер Жозеф Пельтье (1788 - 1842) и Жозеф Бье-
неме Каванту (1795 -1877). Но еще задолго до их
опытов изобретатель микроскопа Антони Ван Ле¬
венгук (1692 - 1723) наблюдал зеленые шарики
этого вещества с помощью изготовленного им
прибора.
В 1906 году русский ботаник М.С. Цвет (1872¬
1919) показал, что существуют две разновидности
хлорофилла, голубовато-зеленый (хлорофилл а) и
желтовато-зеленый (хлорофилл б). Биохимик Ри¬
хард Вильштеттер (1872 - 1942) в 1913 году уста-
Рис. 113
Пути превращения
солнечного луча
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ ОПТИКА

Атмосферная п космическая оптика
новил химические формулы обоих хлорофиллов.
Они отличаются количеством атомов водорода и
кислорода. Формула первого -C55H72N405Mg, 137
атомов, формула второго — CggH^I^OgMg, 136
атомов.
Структура хлорофилла установлена Гансом Фише¬
ром в 1940 г. (1881 -1945). Как ни удивительно,
но она - почти точная копия строения главной час¬
ти молекулы гемоглобина, которую называют ге¬
ном. За расшифровку структуры гена Ганс Фишер
в 1929 г. был удостоен Нобелевской премии. В
центре гена расположен ион железа Fe2+, а в цент¬
ре молекулы хлорофилла - ион магния Мд2+. Пер¬
вый придает крови человека и животных красный
цвет, а второй зернам хлорофилла зеленый. Неда¬
ром давно укоренилось выражение "зеленая кровь
растений".
Синтезирован хлорофилл Робертом Вудвордом в
1960 г., получившим в 1965 г. Нобелевскую пре¬
мию за синтез тетрациклина (1962 г.).
Синтезируется в листе хлорофилл по простой ре¬
акции, если не рассматривать промежуточных эта¬
пов, выходом которой является квазимолекула
СН20. Это повторяющаяся группа атомов во мно¬
гих органических соединениях. Например, в глюко¬
зе таких звеньев 6 (молекула С6Н1206) или
(СН20)6. Для организации блока СН20 из молекулы
воды и углекислого газа необходимы приток энер¬
гии в виде квантов излучения для разрыва химиче¬
ской связи между атомом кислорода и водородны¬
ми атомами у молекулы воды и отрыв одного ато¬
ма кислорода от молекулы углекислого газа:
С02 + Н20 + nhv = СН20 + О + О = СН20 + 02.
Возникшие атомы кислорода охотно объединяются в
молекулу и уходят из листа растения, не нуждающе¬
гося в ней. В последней формуле при hv стоит коэф¬
фициент п. Он равен числу квантов света из красной
области спектра, необходимых на разрыв указанных
химических связей. Опыт дает значение п = 8.
Приведенная выше реакция весьма упрощенно пе¬
редает процесс фотосинтеза. По сути она включа¬
ет лишь начальный и заключительный этапы. Меж¬
ду ними много промежуточных ступеней, в каждой
из которых по нескольку реакций.
Молекулы хлорофилла очень компактны, составляя
в самой длинной своей части всего 10 А. Они не
распределены хаотически по листу, а объединяют¬
ся в конгломераты, примерно по 300 штук в каж¬
дом, в которые, кроме них, входят молекулы пиг¬
ментов. Их задача — поглощать световые кванты и
передавать их энергию на так называемый реакци¬
онный центр конгломерата. Предполагается, что
реакционный центр состоит из двух молекул хло¬
рофилла а, связанного с молекулами пигмента, по¬
глощающими свет с длиной волны X = 7000 А.
Энергия этого кванта идет на отрыв электрона от
молекулы хлорофилла и перевода его по цепочке
промежуточных молекул иного химического соста¬
ва к месту соединения углерода молекулы С02 с
протонами бывшей молекулы Н20.
На протяжении одной секунды реакционный центр
Р700 перерабатывает до 50 квантов света, обеспе¬
чивая синтез одной молекулы глюкозы и выделе¬
ние 6 молекул кислорода.
Существуют два типа реакционных центров -
упомянутый Р700 (фотосистема I) и Р680 (фотосис¬
тема II). В первом центре синтезируются неустой¬
чивые соединения, в которых запасается погло¬
щенная хлорофиллом а солнечная энергия. Среди
этих соединений АТФ (аденозинтрифосфат
Ci 0Hi 6Oi 3N5P3 - аккумулятор энергии в каждом
организме).
Реакционный центр Р680 поглощает световые кван¬
ты с длиной волны 680 нм, необходимые для отры¬
ва электрона от белкового комплекса с атомом
магния. Он выступает в роли катализатора реакции
распада молекулы воды на кислород и водород.
Реакции образования АТФ и расщепления воды
протекают очень быстро, в течение миллиардной
доли секунды, и обязательно при освещении. Сле¬
дующий этап медленный (0,05 с.) и не требующий
освещения. Это так называемый цикл Кальвина,
состоящий почти из 20 реакций, в которых прото¬
ны, благодаря накопленной в АТФ энергии, при
участии некоторых промежуточных систем соеди-
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ ОПТИКА

Использование солнечной энергии
няются с молекулами С02 и образуют структурный
элемент СН20.
Был период в длительном процессе происхожде¬
ния и развития жизни на Земле, когда ее атмосфе¬
ра состояла из углекислого газа и азота и содер¬
жала только следы кислорода. Появившиеся си¬
незеленые водоросли перерабатывали углекислый
газ на кислород, способствуя появлению живых
организмов сначала низкой организации, а в даль¬
нейшем и более сложной.
По некоторым данным, квадратный метр зеленых
листьев поглощает в течение часа 3-4 литра угле¬
кислого газа и выделяет столько же кислорода. Че¬
ловек в течение суток потребляет около 500 л кисло¬
рода и возвращает растениям столько же углекисло¬
го газа. Весь содержащийся в атмосфере Земли уг¬
лекислый газ проходит через растения за 300 лет, а
кислород через животных и людей - за 2000 лет.
На что может рассчитывать человек в будущем?
Необходимые оценки приведены в книге Л.И. По¬
номарева. При средней мощности излучения Солн¬
ца на квадратный метр земной поверхности в 1600
Вт только незначительная часть (0,1%) накаплива¬
ется растениями, 99,9% идет на испарение воды,
образование ветров, гроз, разрушение горных по¬
род, возникновение океанических течений и другие
явления, происходящие на земной поверхности, в
атмосфере Земли, в ее морях и океанах.
Одной десятой процента питается все живое на
Земле. По завершении жизненного цикла любым
организмом и разложения органического вещест¬
ва, в том числе на углекислый газ и воду, они воз¬
вращаются природе.
Ежегодно фотосинтез дает примерно 1011 тонн су¬
хого органического продукта в год. Видимо, это
максимум, или почти максимум того, что может
дать человеку и животному миру природа Земли
вместе с Солнцем.
Человечество потребляет в год примерно 2-1010
тонн органических веществ. Это в 100 раз больше
собственного веса, если считать, что на земном
шаре 5 млрд человек. Столь высокий уровень по¬
требления означает, что человек, лишь один из
многих миллионов биологических видов, в послед¬
нее столетие превратился в решающий фактор
дальнейшей эволюции жизни на Земле. "Человек -
властелин природы" - сказано давно, но не забы¬
ли ли мы, что власть предполагает также ответст¬
венность? Практически вся продукция фотосинтеза
вновь разлагается живыми организмами на С02 и
Н20. Лишь ничтожная часть (107 т) остается им не
использованной и запасается впрок. Это означает,
что за предццущие 300 млн. лет (с тех пор, как на
Земле появилась обильная растительность), в ее
недрах запасено примерно 1015 тонн угля, нефти и
газа. Доступные запасы много меньше:
1013 тонн угля, ЗЮ12 тонн нефти и столько же га¬
за, причем около 5 % этих запасов мы уже сожгли
с тех пор, как американец Эдвин Дрейк пробурил в
1854 г. первую нефтяную скважину. За год в топках
сжигается З Ю9 тонн угля, 4-109 тонн газа, т.е. Ю10
тонн органического вещества, что составляет при¬
мерно 0,1 % их разведанных запасов. Но эти циф¬
ры не являются стабильными. Ведь каждый день
население Земли увеличивается на 200 000 человек
(2 человека в секунду!) и в течение последних 300
лет каждые 35 лет число людей удваивается. При
таком темпе размножения всего через 1,5 тысячи
лет общая масса людей должна превысить массу
самой Земли. Абсурдность этого вывода очевидна,
и это означает, что в ближайшие годы должны про¬
изойти качественные изменения в образе жизни
людей: при любом подсчете ресурсов Земли она
не может прокормить более 10—12 млрд человек —
вдвое больше, чем имеется сейчас. Но и в этом
случае ископаемого органического топлива хватит
еще на 300 - 500 лет, и не более.
Выход - в использовании ядерной энергии. Но не
следует забывать, что урановые руды также не не¬
исчерпаемы, что же касается термовдерного син¬
теза, для которого никакой руды не требуется, к
сожалению, приходится констатировать медленное
продвижение на пути его практической реализа¬
ции. С водородной бомбой справились почти
мгновенно, если считать по историческим масшта¬
бам времени, но обуздать медленный термояд по¬
ка не удается.
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ I) П Т И К А

Атмосферная о космическая оптика
Самый надежный источник энергии - это наше
Солнце. Надо гораздо больше времени уделить
созданию космических станций, перерабатываю¬
щих солнечное излучение в короткие радиоволны и
пересылающих их на Землю. Поэтому "наш долг
перед будущими поколениями не в том, чтобы
Первый солнечный
генератор Архимеда
Первые упоминания о целенаправленном исполь¬
зовании солнечной энергии человеком относятся к
третьему веку до новой эры. Они касаются леген¬
дарного Архимеда, который был не только знаме¬
нитым геометром и проницательным физиком-экс-
периментатором. Он сумел воплотитъ свои теоре¬
тические идеи в жизнь, став, таким образом, од¬
ним из предвестников нового естествознания.
Жизнь Архимеда и его творческие успехи в облас¬
ти механики и оптики нашли свое отражение в со¬
чинениях древних писателей, особенно у Плутарха,
который с многочисленными деталями повествует,
как метательные машины Архимеда уничтожали
флот римского полководца Марцелла (258 - 208
года до Н.Э.), обложившего город Сиракузы. Труд¬
но в сочинениях Плутарха отделить вымысел от ис¬
тинно происходившего, ведь об Архимеде после
его смерти долгое время ходили легенды, которые
даже через многие сотни лет вызывают у читате¬
лей восхищение гениальным ученым древности.
Среди легенд об изобретениях Архимеда и его па¬
триотических подвигах внимание оптика привлека¬
ет легенда о знаменитых зеркалах Архимеда. По¬
жалуй, в ней отражено первое в истории человече¬
ства энергетическое устройство, использующее
солнечную энергию. Правда, не в мирных, а в во¬
енных целях, но не для нападения, а для защиты.
С помощью комплекса плоских зеркал Архимед
вроде бы сжег римский флот, осаждавший Сираку¬
зы. Об этом ничего нет у известных древних исто¬
риков — Полибия (201 г. до н.э. —120 г. до н.э.) и
Тита Ливия (59 г. до н.э. —17 г. н.э.). Впрочем,
трудно сказать, какими зеркалами мог пользовать¬
сберечь для них в неприкосновенности запасы уг¬
ля и нефти, а в том, чтобы передать им более вы¬
сокую культуру, которая со временем поможет
найти новые пути и новые источники энергии".
К этим словам Л. И. Пономарева, автора книги
"Под знаком кванта", надо прислушаться •
ся Архимед, плоскими или вогнутыми. Его совре¬
меннику Эвклиду (родился в 300 г. до н.э.) было
хорошо известно фокусирующее свойство вогнуто¬
го зеркала, а также то, что оно может дать как схо¬
дящийся, так и расходящийся пучок света. Он толь¬
ко не мог определить, где находится его фокус.
Трудность изготовления сферических зеркал может
склонять к мысли, что Архимедом были использо¬
ваны именно плоские. Для достижения температу¬
ры воспламенения деревянных и холстяных частей
римских судов плоских зеркал потребуется значи¬
тельно больше, так как они не могут фокусировать
изображение Солнца. Тот же эффект может произ¬
вести даже одно хорошее сферическое зеркало. В
распространяющейся веками в различных вариан¬
тах легенде упоминается о большом количестве
зеркал. Отсюда напрашивается вывод, что они бы¬
ли плоскими и отбрасывали солнечные лучи в одно
и то же место корабля, пока он не воспламенится.
Самое старое упоминание о сожжении римского
флота появилось во втором веке нашей эры у Лу¬
киана (120 г. н.э,-200 г. н.э.) и у Клавдия Галена
(130 г. н.э. -200 г. н.э.).
Первый был известным греческим писателем-са-
тириком, второй - выдающимся римским врачом.
Их род занятий вроде бы не мог способствовать
созданию или воскрешению старой легееды, тем
не менее определенные намеки на обсуждаемый
предмет в их сочинениях были.
Непосредственно о зеркалах упоминает Антений,
один из строителей храма святой Софии в Кон¬
стантинополе (первая половина VI века). Он де¬
тально описывает способ расположения зеркал,
позволяющий реализовать идею Архимеда. Анало¬
гичный способ в XII веке представил на суд обще-
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ Н Л Т И К А

Использование солнечной энергии
ствѳнности Кирхѳр, а в следующем веке его вопло¬
тил в жизнь Бюффон. Его сложное зеркало состоя¬
ло из 168 небольших зеркал с размерами пример¬
но 15 х 20 см. Они так располагались на общей
доске, чтобы между их краями оставались зазоры,
позволяющие устанавливать каждое зеркало в по¬
ложении, обеспечивающем отбрасывание солнеч¬
ного изображения в том же направлении, в кото¬
ром посылали их остальные 167 зеркал. На приве¬
дение всех 168 изображений к совпадению Бюф-
фону потребовалось около часа. "Генератор" Бюф-
фона смог зажечь смолистую сосновую доску на
расстоянии примерно 60 м.
В одном из своих сочинений иезуит Кирхер (XII
век) рассматривает несколько способов создания
Спутниковые солнечные
электростанции (ССЭ)
Статистика показывает, что через каждые 20 лет
происходит удвоение потребления энергоресур¬
сов. По прогнозам ученых, общие запасы нефти,
угля и газов на Земном шаре составляют -5305
млрд, тут (тонн условного топлива), а разведанные
запасы составляют 1007 млрд тут. Будущее, оче¬
видно, все-таки за атомной энергией, т.к. запасы
урановой руды колоссальны. Но даже при самом
широком использовании АЭС невозможно прене¬
брегать даровой энергией Солнца, учитывая, тот
факт, что ежегодно наша планета получает от него
0,8-1014 квт энергии. Кроме того, можно не сомне¬
ваться, что запасы уранового топлива иссякнут
значительно раньше, чем Солнце превратится в
красный гигант. Отсюда неизбежна постановка и
решение задачи о создании космических электро¬
станций, работающих на солнечной радиации и пе¬
редающих выработанные мощности земному по¬
требителю.
Чистота солнечной энергии безукоризненна. Она
может удовлетворить партию зеленых любой стра¬
ны мира. Надо только, преобразуя ее в другие ви¬
ды энергии, проделать эту операцию с наиболее
сложного зеркала, однако из приведенного им ри¬
сунка, изображающего сожжение римского флота,
задача Архимеда решается с помощью длиннофо¬
кусной линзы, а не зеркал. Конечно, в ХИ веке
можно было свободно говорить об оптических лин¬
зах, т.к. первые упоминания о них относятся к пя¬
тому веку до нашей эры. Так, современник Сократа
афинский комедийный поэт, выдающийся предста¬
витель древнегреческой политической комедии
Аристофан, советовал должнику растопить напи¬
санное на дощечке долговое обязательство с по¬
мощью зажигательного стекла.
Кроме изложенного выше, нам неизвестны какие-
либо серьезные попытки использования солнечной
энергии вплоть до XX века •
низким коэффициентом ухудшения экологической
обстановки в тех местах, где это преобразование
реализуется и где преобразованная энергия ис¬
пользуется. Разумеется, новые источники энергии,
полученные на основе солнечной, не несут ответ¬
ственности за экологическую чистоту технологиче¬
ских процессов на предприятиях — потребителях
энергии.
Из известных источников следует, что К.Э. Циол¬
ковский еще в 1920 году высказал идею о преоб¬
разовании за пределами Земли тепловой энергии
солнечных лучей в электрический ток путем ис¬
пользования термоэлектрических батарей, а пер¬
вый проект космической электростанции в конце
20-х годов разработал В.П. Глушко.
Через несколько лет после запуска первого искус¬
ственного спутника Н.А. Варваров предложил
идею передачи наработанной космическими
солнечными электростанциями энергии с помо¬
щью радиоволн. При этом радиолуч должен обла¬
дать предельно низкой расходимостью, чтобы без
заметных потерь мог достигать станции приема.
Кроме того, должны быть сведены до минимума
потери в атмосфере на поглощение и рассеяние.
Видимо, не для каждого географического пояса
можно реализовать бесперебойную передачу эле-
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ 1 П Т И К А
187

Атмосферная п космическая оптика
ктроэнергии от космических электростанций, и
эффективность передачи в значительной степени
будет определяться длиной электромагнитной
волны.
Авторы статьи "Проблемы солнечных космических
электростанций" Банке В.А., Лопухин В.М.,
Савин В.Л. в результате подробного анализа при¬
ходят к выводу, что преобразование солнечной
энергии в электрическую в космосе имеет ряд
преимуществ перед старыми методами улавли¬
вания ее земными рефлекторами с концентраци¬
ей на тепловых установках, например, паровых
котлах. Среди этих преимуществ, — невесомость
сооружений грандиозных размеров, следователь¬
но, невысокие требования к прочности. К этому
следует добавить, что космическая солнечная
станция может работать круглый год без переры¬
ва (разве что с некоторыми паузами на профилак¬
тическое обследование, замену отработанных
элементов или ремонт некоторых узлов). Назем¬
ная же станция на протяжении года сможет рабо¬
тать не больше 2000 часов.
Предсказанные Циолковским термоэлектрические
преобразователи не нашли применения в рассмат¬
риваемой проблеме. Вся надежда на широкое вне¬
дрение фотоэлектрических преобразователей на
основе кремниевых солнечных батарей, эффектив¬
ность которых с каждым годом повышается. Не ис¬
ключено, что будут использованы и другие матери¬
алы, охватывающие более широкий спектр солнеч¬
ного излучения, примыкающий к максимуму план-
ковского распределения. Охватить одним и тем же
материалом весь спектр - от рентгеновского уча¬
стка до микрорадиоволн - несбыточная мечта фи¬
зиков.
На получении фототока процесс утилизации сол¬
нечной энергии только начинается. Следующим
звеном будет генератор, преобразующий фототок
(фотоэде) в длинноволновое излучение радиочас¬
тот. Лучшим решением является СВЧ-область. Из¬
лучение принимается на Земле специальными ан¬
теннами, преобразуется в переменный или посто¬
янный ток и затем обычным способом распределя¬
ется по потребителям.
Мы описали тот принцип преобразования солнеч¬
ной энергии и транспортировки ее наземному по¬
требителю, который еще предстоит реализовать,
хотя для этого уже все готово. В компактных уста¬
новках, потребляющих электроэнергию, солнечные
батареи уже давно являются основными поставщи¬
ками ее.
С первого запуска искусственного спутника Земли
фотоэлектрические преобразователи солнечной
энергии навсегда вошли в арсенал основных атри¬
бутов космической техники. Они широко проникли
в бытовую радиотехнику для питания небольших
транзисторных приемников и других устройств.
Кроме космических электростанций, разрабатыва¬
ются проекты и другого типа, например, для осве¬
щения в ночное время городов, больших транс¬
портных артерий и других объектов, особенно в
регионах с продолжительной полярной ночью. Для
этого предполагается создание космических ре¬
флекторов - идея, высказанная немецким ученым
Г. Обертом еще в 1929 году. Подсчеты показыва¬
ют, что эксплуатация космических спутников-ре¬
флекторов с осветительной целью должна бытъ
экономически выгодной. В книге С.П. Уманского
"Космическая одиссея" приводится следующий
пример: для освещения пяти городов, равных
Москве, затраты на электроэнергию окупятся че¬
рез 4-5 лет. Очень показательна возможность быс¬
трого переключения системы освещения с одного
пункта на другой. Заманчивым является также ос¬
вещение с космоса больших строек, особенно тех,
которые не допускают строительных пауз в тече¬
ние длительного времени.
Все эти проекты, с одной стороны, радуют, а с
другой настораживают. Попытка изменить клима¬
тические условия на больших географических ши¬
ротах, и прежде всего за полярным кругом, может
привести к непоправимым изменениям климата.
Не только в большом северном регионе, но и на
всей планете.
Перспективой спутниковой солнечной энергетики
серьезно занимался американский исследователь
П.Е. Глазер. На свой проект солнечной космичес-
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ 0 П Т Н К А

Использование солнечной энергии
кой электростанции он получил патент, в котором
даже определена ее орбита. Ниже мы поделимся с
читателями некоторыми соображениями П.Е Гла¬
зера относительно перспектив ССЭ.
В настоящее время техника земного преобразова¬
ния солнечной энергии в другие виды остается все
еще весьма капиталоемкой. Пожалуй, это наибо¬
лее важное препятствие реализации предлагаемых
проектов в земных условиях. Вторым препятстви¬
ем является выбор территории с большим числом
солнечных дней. Даже если оно велико, непредви¬
денное изменение погодных условий и наличие
ночных часов не позволят организовать непрерыв¬
ный процесс энергоснабжения за счет Солнца. Не¬
которым выходом из такого положения может быть
режим накопления.
Третьим препятствием являются затраты на транс¬
портировку произведенной электроэнергии от
пунктов ее производства до пунктов потребления.
Оценки показывают, что перечисленные препятст¬
вия делают преобразованную на Земле солнечную
энергию более дорогой, чем энергия ископаемого
горючего и ядерная энергия.
Эта причина и побудила ученых заняться проекти¬
рованием внеземных солнечных электростанций,
расположенных на специальных космических спут¬
никах. Такие спутники должны находиться на ста¬
ционарных орбитах, дабы круглосуточно прини¬
мать определенную притом постоянную долю сол¬
нечного излучения. Полученная электроэнергия за¬
питывает СВЧ-генераторы, выполняющие в это
время роль передающей антенны. Пучок СВЧ-из-
лучения направляется ею на приемную антенну на¬
земного пункта энергообеспечения. Последующий
этап заключается в обратном преобразовании
энергии СВЧ в электрическую и далее в транспор¬
тировке ее линиями электропередач потребите¬
лям. Принимающих антенн может быть несколько.
Выгода спутников - преобразователей заключает¬
ся еще в том, что на геостационарной орбите каж¬
дый из них может получать в 4-11 раз больше
солнечной энергии, чем на Земле в самых лучших
условиях.
Отметим и небольшие недостатки геоцентрических
спутников-станций. Из-за равноденствия, возмож¬
ного затемнения Луной, взаимного затенения спут¬
ников друг другом (если их несколько на орбите)
несколько десятков минут в сутки связь с Землей
может не состояться.
Наиболее разработанными методами преобразова¬
ния солнечной энергии на космических станциях
являются фотоэлектрический и тепловой. Первый
из них используется в космической технике с нача¬
ла ее зарождения. Накоплен большой технологиче¬
ский опыт создания солнечных батарей на основе
таких полупроводников, как кремний, арсенед гал¬
лия, сульфед кадмия и др. Более широко пользу¬
ются кремниевыми элементами, т.к. они дешевле
и технологически проще. Элементы из арсенеда
галлия при высокой освещенности обладают более
высоким КГЩ и меньше деградируют в условиях
космоса (нам это кажется странным, т.к. материа¬
лы с ковалентным типом связи меньше подверже¬
ны действию жестких излучений).
Еще в 1976 году разработаны системы, дающие на
выходе приемной антенны мощность около 5-109
Вт (5 ГВт). Это гигантское сооружение состоит из
двух прямоугольных решеток солнечных элементов
длиной 6 км и шириной 5 км каждая. Передающая
СВЧ - антенна размещена между кремниевыми
решетками и имеет диаметр 830 метров.
Общий вес ССЭ мощностью 5 и 10 ГВт соответст¬
венно равен 18,06-106 кг и 34,38-106 кг.
Со дня публикации реферируемого здесь обзора
П.Э. Глазера прошло почти 20 лет, однако, в мире
не функционирует ни одна ССЭ. Пока даже самые
передовые страны мира довольствуются электро¬
станциями на ископаемом горючем, а также атом¬
ными станциями. И неудивительно. Анализ эконо¬
мических показателей ССЭ с учетом альтернатив¬
ных проектов показывает, что при успешном реше¬
нии всех связанных с проектом технических про¬
блем стоимость станции мощностью 5 ГВт будет
равна примерно 7,6 млрд долларов, т.е. 1 кВт бу¬
дет стоить 1500 долларов. Но, кроме экономичес¬
ких показателей, необходимо еще разработать ус-
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ О П Т И К А

Атмосферная о космическая оптика
тав Международного космического права, устано¬
вить международно-правовые нормы использова¬
ния геостационарной орбиты. А это вопрос не
менее сложный, чем проблема ликвидации ядер-
ных вооружений. В этом отношении уместно про¬
цитировать Петера Э. Глазера. "Геостационарная
орбита считается ограниченным естественным ре¬
сурсом, открытым для использования всеми стра¬
нами на основе полного равенства. Эта орбита бы¬
ла признана ограниченным правовым ресурсом,
поскольку лишь конечное число космических стан¬
ций может работать на одном и том же частотном
диапазоне. Недопустимость истощения этого ре¬
сурса была провозглашена Международной адми¬
нистративной конференцией по радиосвязи, со¬
гласно решениям которой занятие некоторого мес¬
та на стационарной орбите спутником той или
иной организации еще не гарантирует постоянства
места для данной организации. Вполне вероятно,
что вопрос о вьщелении рабочих частот для ССЭ
также будет решаться с участием Международной
административной конференции по радиосвязи.
Может быть, придется создать и особую организа¬
цию для согласования требований к точности ста¬
билизации спутника, точности наведения передаю¬
щей антенны и установления координационных
процедур для ССЭ, чтобы она выполняла свои
функции энергопроизводства, не оказывая мешаю¬
щего воздействия на другие спутники, находящие¬
ся на геостационарной и других орбитах... И хотя
пока еще трудно наметить направление развития
международного космического права, уже начаты
работы над поставленными вопросами, в частнос¬
ти исследуется степень адекватности сущест¬
вующих норм и международных соглашений по ко¬
смосу задачам программы ССЭ и задачам между¬
народных организаций, которые, может быть, при¬
дется создать для того, чтобы выгодами, которые
дает развитие космической техники, могло пользо¬
ваться все человечество".
Преобразование солнечной энергии в энергию
мощных пучков СВЧ-излучения практически не ста¬
вит перед исследователем каких-либо экологичес¬
ких проблем. Они возникают, когда это излучение
попадает в атмосферу Земли, а затем на приемную
станцию, на которой работают люди. Действие
СВЧ-диапазона на биологические объекты известно
давно. Давно установлены и допустимые макси¬
мальные дозы, которые без всяких негативных по¬
следствий может воспринимать человек. В этом
отношении в разных странах существуют различ¬
ные стандарты. Так, в бывшем СССР допустимая
норма определялась воздействием на центральную
нервную систему, проявляющимся при очень ма¬
лых плотностях мощности. Утвержденный стандарт
— 0,01 Вт/см2 . В США при установлении стандарта
ориентировались на заметное нагревание тканей
человека излучением СВЧ. Для такого воздействия
требуются значительно более высокие энергетиче¬
ские пороги. Поэтому стандарт США в 1000 раз
превышает советский, т.е. равен 10 мВт/см2.
Транспортируемый на Землю СВЧ-поток до улав¬
ливания приемной антенной вносит свои корректи¬
вы в состояние атмосферы Земли; в свою очередь,
атмосфера также не остается в долгу. Прежде все¬
го, она частично рассеивает и частично поглощает
СВЧ-излучение. Величина этих потерь определяет¬
ся метеорологическими условиями и частотой из¬
лучения. Во время дождя, капли которого приводят
к поглощению и рассеиванию мощности, при час¬
тотах, меньших 10 ГГц, не вносится существенных
потерь. Однако, влажное дождевое облако поток с
частотой 3 ГГц может ослабить на 4%, а влажное
градовое облако километровой толщины увеличи¬
вает потери до 13%.
Очень сильное поглощение излучения с частотами
22 и 60 ГГц имеет место на молекулах кислорода и
воды, в то время как для частоты 10 ГГц эти фак¬
торы приводят к слабому поглощению.
Взаимодействие электромагнитных волн рассмат¬
риваемого диапазона частот с ионосферой, по
предварительным данным, больше сказывается на
состоянии ионосферы, чем на электромагнитных
волнах. Последние в результате явления рефрак¬
ции (особенно при наличии горизонтальных гради¬
ентов) могут сместится у поверхности Земли не
более, чем на несколько десятков метров. Неодно¬
родности плотности электронов в плазме могут
вносить флуктуации фазы СВЧ-волны и изменение
ЗАІИМАТЕЯЬІДЯ ОПТИКА

Использование солнечной энергии
интенсивности по сечению пучка, увеличивая по¬
следнюю на периферии до 30%. При низких плот¬
ностях потоков флуктуации не вносят существен¬
ных потерь передаваемой мощности.
Что касается самой ионосферы, то в результате вза¬
имодействия с СВЧ-волной существенно изменяется
тепловая энергия плазмы. Например, поток плотнос¬
тью 100 мВт/см2 приводит к возрастанию электрон¬
ной температуры в слое 150 - 340 км в два раза, вы¬
зывая в то же время локальное изменение электрон¬
ной концентрации до 50%. В более низких слоях ио¬
носферы (- 60-150 км) температура плазмы за счет
радиоизлучения может повыситься до уровня, поды¬
мающего плотность плазмы примерно в 4 раза.
Вообще, предварительные опыты и теоретические
оценки показали, что при плотностях СВЧ-излучения,
превышающих 20 мВт/см2, предвидятся существен¬
ные изменения свойств ионосферы. Это обстоятель¬
ство предсказывает необходимость дополнительных
экспериментов с космическими и земными передаю¬
щими антеннами для выяснения всех наиболее важ¬
ных деталей взаимодействия рабочего спектра СВЧ-
излучения с ионосферой и атмосферой.
Каждому известно, как трудно иногда приходится вы¬
делить на шкале настройки радиоприемника интере¬
сующую тебя частоту. Передача на ней деформиру¬
ется соседними частотами других радиостанций. По¬
явление ССЭ на различных частотах СВЧ-области
еще больше ухудшит ситуацию. Радиопомехи будут
возникать в моменты включения и выключения стан¬
ций, из-за различных паразитных сигналов ну и, бе¬
зусловно, из-за излучения на основной частоте и ее
гармониках. Эти непростые вопросы придется ре¬
шать только на Международном уровне.
П.Э. Глазер считает, что энергетические затраты на
изготовление всех элементов станции, ее транс¬
портировку на орбиту и сборку окупятся менее,
чем за три года работы ССЭ. В зависимости от
развиваемой мощности на входе приемной антен¬
ны этот срок может быть увеличен или уменьшен.
Нам представляется, что завершитъ этот раздел луч¬
ше всего словами автора статьи, которую мы широко
использовали в этом разделе. Он предполагал, что
уже после 1995 года ССЭ будет способна удовлетво¬
рить потребности в энергии. Трудно сказать, что он
имел в веду - весь мир или лишь США. Во время
написания Глезером статьи правительственные ор¬
ганы США уже занимались и правовыми, и энергети¬
ческими, и экологическими, и финансовыми вопро¬
сами, вытекающими из проектирования, ввода в
действие и эксплуатации ССЭ. Получены соответст¬
вующие оценки, которые сводятся к следующему:
1)	"постепенно утверждается мнение, что ССЭ осу¬
ществимы как технически, так и экономически;
2)	постепенно выявляется круг технических вопросов
создания этих станций; лучше изучены потенциально
опасные воздействия, которые могут создать ССЭ;
3)	развитие наземной солнечной энергетики, ис¬
следования по созданию станции космической
сборки и перспективы систем космической транс¬
портировки способствуют разработке ССЭ;
4)	следует продолжить выполнение программы по
технической базе ССЭ; даже при современном
уровне знаний это экономически обоснованно;
5)	воздействие ССЭ на окружающую среду не ста¬
нет главным ограничивающим фактором".
Выше отмечены как преимущества, так и недостат¬
ки ССЭ. Нам кажется, что первых значительно
больше, чем вторых. Эти станции позволят в пол¬
ной мере использовать солнечную энергию взамен
традиционных тепловых и уже нашедших широкое
распространение атомных станций. Век электро¬
станций, работающих на сжигании угля, нефти, га¬
за и менее используемых горючих веществ факти¬
чески заканчивается в недалеком будущем. Запасы
адерного горючего, по разведанным данным, ог¬
ромны. Но и им когда-то предет конец. Огромную
проблему представляет захоронение отработанных
продуктов адерных реакторов. Она в значительной
мере остается пока не отработанной и в некоторой
степени ограничивает распространение атомных
электростанций в мире. Немалое ограничение на¬
кладывают и возникающие аварии. Причем, такая
авария, как Чернобыльская послужила для некото¬
рых государств (например, Италия) поводом для
отказа в строительстве атомных электростанций •
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ ПЯТИНА

Атмосферная п космическая оптика
Корабли с солнечным парусом
Окунувшись с головой в машинную и электронную
технику, человечество начало забывать, а то и во¬
все уничтожать заимствованные у природы даро¬
вые двигатели, не требующие ни бензина, ни угля,
ни других источников энергии. Так произошло в
30-е годы XX века в Советском Союзе , когда по
указке из Кремля начали уничтожать по селам и
весям ветряные и водяные мельницы. В довольно
короткий срок сельские возвышенности, берега
рек и речушек были очищены от своеобразных па¬
мятников человеческой деятельности и культуры.
Особенно тяжело было привыкать старожилам к
обедневшему сельскому пейзажу, потерявшему
крылатые мельницы, а вместе с ними и "овины
дивные". Правда, опыт строителей коммунизма не
был заимствован миром и мельницы Голландии
продолжали радовать человеческий глаз и уводить
мысли людей в глубины истории.
Но вот XX век разменивает последние годы. Чело¬
век начал задумываться: а все ли я делал пра¬
вильно, поступая часто без консультации с приро¬
дой? Следовало ли мне отвергать ее дары, если
они использовались не во вред ей? Наоборот,
должны ли мы брать от природы столько, сколько
она не может отдавать без соответствующей ком¬
пенсации?
Сейчас на передний план выходит экология. Это
слово знакомо каждому, хотя не так давно оно бы¬
ло вещью в себе. № мало задумываться над тем,
что можно безнаказанно братъ от природы, а что
нельзя. Надо обязательно посоветоваться с ней,
оценить экологическую обстановку и даже загля¬
нутъ в будущее.
Из всех даров природы энергию ветра, энергию
Солнца, морских приливов и отливов, по-видимо-
му, можно брать сколь угодно много, не раздумы¬
вая. Следует лишь оценить, во что превращается
эта энергия, какие последствия принесут объекты
ее использования. Кроме, безусловно, полезных
результатов, могут возникнуть и экологически
вредные, которых необходимо избегать или свое¬
временно нейтрализовать их.
Что касается энергии Солнца, полностью обеспе¬
чивающего продолжающиеся на земном шаре жиз¬
ненные процессы, пути ее использования целена¬
правленным способом непрерывно расширяются.
Не один десяток лет в космической технике пита¬
ние различных электронных систем управления и
обеспечения жизнедеятельности космонавтов осу¬
ществляется за счет солнечных батарей, преобра¬
зующих энергию его лучей в электрическую энер¬
гию.
После опытов П.Н.Лебедева идея использования
светового давления как движущей силы увлекла
ученых и писателей - фантастов. По-ведимому,
первым из них был известный автор заниматель¬
ных книг по физике, математике и астрономии
Я.И.Перельман. В своей книге "Межпланетные пу¬
тешествия", первое издание которой появилось в
1915 году, он правильно оценил возможность по¬
летов под космическими парусами, опираясь на
состязание, как он выразился, "кубов с квадрата¬
ми" — масса тела пропорциональна кубу линейных
размеров (объем шара, например, равен , де R -
радиус), а поверхность пропорциональна второй
степени линейных размеров (поверхность шара
равна 4pR2). Следовательно, с уменьшением объе¬
ма масса тела уменьшается быстрее его поверхно¬
сти. Это означает, что гравитационное притяжение
уменьшается быстрее силы светового давления.
Наконец, может наступить момент, когда эти силы
уравняются, а с дальнейшим уменьшением разме¬
ров начнет преобладать сила светового давления.
"Мельчайшие бактерии счастливее человека, пи¬
шет Я.И.Перельман: они могут отдаваться увлека¬
ющему действию солнечных лучей и уноситься с
невообразимой быстротой в безграничный простор
Вселенной. Но не может ли человек воспользо¬
ваться той же силой для межпланетных путешест¬
вий? Для этого не надо бы непременно умень¬
шаться до микроскопических размеров - доста¬
точно устроить снаряд с таким же выгодным от¬
ношением поверхности и массы, как у мельчайших
пылинок, отталкиваемых лучами солнца. Другими
словами: озаряемая светом поверхность снаряда
должна быть во столько же раз больше освещен-
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ ОПТИКА

Использование солнечной энергии
ной поверхности пылинки, во сколько раз вес сна¬
ряда больше веса этой пылинки".
Казалось бы, после таких рассуждений Я.И.Пе¬
рельман сделает правильный вывод. Он уже почти
сделал его, но почему-то усомнился в реальности
межпланетных путешествий человека с космичес¬
кими парусами. Он имел в виду, что солнечный па¬
рус используется не только далеко от поля тяготе¬
ния Земли, но должен обеспечить также достиже¬
ние первой космической скорости, т.е. отрыв кос¬
мического аппарата от Земли. Последнее может
быть реализовано лишь с помощью ракетных дви¬
гателей.
Ничего не скажешь, незабываемое впечатление
производят крупные модели парусников, выстав¬
ленные в залах Морского музея Санкт-Петербурга,
а еще большее -живые ветряники (клиперы), та¬
кие как "Товарищ" и другие. До последних лет они
оставались немногочисленными представителями
флота прошлых лет как учебные суда для подго¬
товки морских офицеров.
Но вот не так давно на морских просторах начали
появляться крупные транспортники под красивыми
парусами из синтетических материалов, управляе¬
мыми компьютерами. То ли они натолкнули ученых
на мысль заняться солнечными парусами, то ли
кометные хвосты, например, посетившей недавно
наш космический акваторий кометы Галлея, распу¬
стившей свой хвост под давлением солнечного ве¬
тра на многие миллионы километров, то ли выска¬
занные еще в 20-х годах текущего столетия
Ф.Цандером предположения. Во всяком случае
природа кометных хвостов после опытов П.Н.Лебе-
дева была четко установлена и идея о практичес¬
ком использовании солнечного давления уже тогда
витала в воздухе.
На идеях Ф.А. Цандера следует остановиться осо¬
бо. Автор монографии "Космический полет с сол¬
нечным парусом" Е.Н.Полякова считает, что уже в
1908 году Ф.А. Цандер упоминал об использова¬
нии солнечной энергии для межпланетных поле¬
тов, а в двадцатых годах предпринял серьезные
шаги в решении проблем космонавтики и ракетно
- космической техники. В своей первой научной
публикации "Перелеты на другие планеты" (1924
г.) он пишет: "При желании перелететь на другие
планеты ... выгоднее будет летать при помощи
зеркал или экранов из тончайших листов ...". Во
второй статье под тем же названием, уводевшей
свет в 1947 г., т.е. уже после его смерти (1933 г.),
он конкретизирует, в каких случаях выгоднее поль¬
зоваться солнечным давлением, а в каких исполь¬
зовать ракетный двигатель. Достижение первой
космической скорости (8 км/с), позволяющей вы¬
рваться из гравитационного поля Земли, необхо¬
димо реализовать с помощью ракетного двигателя,
считал он, а дальнейший полет совершать с помо¬
щью зеркал. Опираясь на достижения 20-х годов в
технологии изготовления тонких металлических
слоев, например, никелевых листов известного
изобретателя Эдисона размерами 1600мЧ2мЧ10-
Змм, ФАЦандлер рекомендует алюминиевое зер¬
кало площадью 100000 м2 и толщиной 10-3 мм.
Его вес составляет около 300 кг, что может дать
существенную экономию в весе аппаратов для по¬
летов, например, на планету Марс.
ФАЦандлер глубоко разрабатывал проблему уп¬
равляемого геоцентрического движения для пре¬
одоления силы земного тяготения. Он приходит к
выводу, что выход в околоземное пространство
возможен лишь с помощью ракеты и только после
этого включается парусный двигатель. Большое
внимание уделяется ФАЦандлером разработке
конкретных конструкций зеркал и экранов, а также
их комбинаций. Его идеи и предложения впослед¬
ствии используются специалистами различных
стран, занимающихся проблемой полета с солнеч¬
ным парусом.
Первые проекты космических парусников начали
прорабатываться в 70-е годы в США и Советском
Союзе с целью полета навстречу к комете Галлея.
В последние годы подобными проектами заняты
не только ученые США и России, но также Велико¬
британии, Франции, Италии и Японии.
Инициатива широкого развертывания работ в дан¬
ном направлении принадлежит Колумбовской юби¬
лейной комиссии во главе с Джоном Сеймингто-
ном, которая занималась организацией торжеств
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ II II I Н К А

Атмосферная и космическая оптика
Рис. 114
Солнечный парус установлен на биссектрисе угла между направлением на Солнце
и направлением движения
Рис. 115
Парус ориентирован перпендикулярно к солнечным лучам при движении от Солнца
и параллельно к ним при движении корабля к Солнцу
ЗДІИМПІЕЯЬІДд ОПТИКА

Использование солнечной энергии
по случаю 500-летия открытия Колумбом Америки.
Эта комиссия объявила конкурс на создание сол¬
нечного парусника для полета к планете Марс.
Время шло, предлагались казалось бы выполни¬
мые проекты, но по различным причинам они за¬
держивались, становились более скромными или
даже полностью срывались.
Конечная цель первого путешествия солнечного па¬
русника к Марсу была заменена путешествием к Лу¬
не, но и оно не состоялось в намеченные сроки. И
все же есть надежда, что в XXI веке солнечные па¬
русники будут бороздить космическое пространст¬
во, выполняя предначертанные им функции. А пока
окунемся в их конструктивные особенности, спосо¬
бы выведения на орбиту и управления полетом.
Проект советского парусника "Витязь" в первона¬
чальном варианте имеет площадь 120 тысяч квад¬
ратных метров и вес 458 кг. Такие параметры дают
коэффициент эффективности 0,37. Он выражает
отношение развиваемой парусом предельной силы
к силе солнечного притяжения. Эта цифра свиде¬
тельствует о том, что предельная сила паруса
меньше силы гравитационного притяжения к
Солнцу, но это не значит, что парусник упадет на
Солнце и погибнет. Ведь он движется по опреде¬
ленной орбите, а, следовательно, находится и под
воздействием центробежной силы, которая при
определенной скорости парусника может компен¬
сировать частично или даже полностью силу при¬
тяжения. Поэтому еще остается некоторый запас
предельной силы для корректировки орбиты па¬
русника.
Испытания различных материалов для изготовле¬
ния паруса показало, что лучшими характеристика¬
ми обладают полиамидные и полиэстровые плен¬
ки. Для высокого коэффициента отражения сол¬
нечных лучей их покрывают тончайшим, но непро¬
зрачным слоем металла. Толщина же самой пленки
составляет 5—10 микрон.
Важным этапом эксплуатации солнечного парусни¬
ка является процесс вывода его из поля земного
тяготения. Огромные размеры площади парусника
даже в разреженной атмосфере Земли на высоте
нескольких сот километров могут привести к силь¬
ному торможению и даже механическому повреж¬
дению пленки. Такая проблема не существует для
обычных искусственных спутников с малым попе¬
речным сечением.
Расчеты показывают, что для предложенных конст¬
рукций допустимая минимальная высота составля¬
ет около двух тысяч километров, и если парус ус¬
тановлен параллельно направлению движения,
опасность разрушения исключена. Более того, ми¬
нимальная высота может быть даже меньше двух
тысяч километров при сильно вытянутых эллипти¬
ческих орбитах.
Если парус предназначен для межпланетных путе¬
шествий, его целесообразно сначала забросить на
более высокую геостационарную орбиту с помо¬
щью ракеты-носителя. В дальнейшем более быст¬
рое удаление от Земли может быть обеспечено ус¬
тановкой паруса по биссектрисе угла между
направлением на Солнце и направлением движе¬
ния (рис. 114). При такой установке достигается
самый высокий коэффициент полезного действия,
т.к. в любой момент гарантируется в нужном на¬
правлении максимальный импульс. К сожалению,
практическая реализация этой установки наталки¬
вается на серьезные трудности. Ведь необходимо
непрерывно менять ориентацию плоскости паруса
в пространстве. Поэтому предполагается исполь¬
зовать упрощенный вариант, в котором положение
паруса меняется дважды на замкнутой орбите. При
движении от Солнца парус устанавливается пер¬
пендикулярно к солнечным лучам, при противопо¬
ложном направлении движения — параллельно к
ним (рис. 115). В этом варианте орбита парусника
лежит в плоскости, прилегающей к плоскости эк¬
липтики. Если же она перпендикулярна направле¬
нию на Солнце, парус следует располагать под уг¬
лом 45° к солнечным лучам, переставляя его дваж¬
ды за оборот.
Для посещения другой планеты Солнечной систе¬
мы, например, Марса, парус устанавливается под
углом к направлению солнечных лучей, близким к
45° (рис. 116).
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ Н Н Т Н К А

Атмосферная и космическая оптика
45'
Рис. 116
45-градусная ориентация солнечного паруса
Рис. 117
Четырехзеркальный солнечный парус
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ ОПТИКА

Использование солнечной энергии
Хотя ни одного полета с космическим парусом не
состоялось, конструкторы продолжают поиски наи¬
лучшей конструкции. Одна из них показана на рис.
117. В ней использовано 4 идеально отражающих
зеркала, два из которых - вогнутые параболоиды
и два плоские. Поток солнечных лучей падает на
вогнутую поверхность большого параболического
зеркала А1 и концентрируется им на вогнутой по¬
верхности параболического зеркала Aj, фокус ко¬
торого совпадает с фокусом предыдущего. Не¬
большие размеры зеркала Ад лишь незначительно
экранируют световой поток. Параллельный пучок
лучей, отраженных зеркалом Ад, через отверстия в
зеркале А1 направляется на систему двух плоских
зеркал Ад и А4. Эта пара может занимать любое
положение в пространстве, в то время как зеркало
А1 всегда направлено на Солнце.
В рассматриваемой конструкции импульсы, пере¬
даваемые вогнутыми зеркалами, почти равны друг
другу, но противоположно направлены, поэтому не
производят ни тормозящего, ни ускоряющего дей¬
ствия. Движущая сила в любом избранном путеше¬
ственником направлении исходит от системы двух
плоских зеркал. На них подается концентрирован¬
ный световой поток, однако, это вовсе не означа¬
ет, что в описанной или подобных ей конструкци¬
ях, использующих сферические или параболичес¬
кие зеркала, имеет место процесс усиления свето¬
вого потока. Дай бог использовать на все 100% то,
что собирает первое зеркало, ведь на каждом из
них неизбежны потери за счет частичного рассея¬
ния, дифракции и поглощения.
В 70-е годы К. Дрекслер предложил проект изго¬
товления паруса непосредственно в космосе, что
по расчетам дает значительный выигрыш в его эф¬
фективности. Созданные на Земле системы могут
гарантировать ускорения, не превышающие 0,2
см/с2; изготовленный же в космосе парус позволя¬
ет поднять его до 1 см/с2. Предложенная К. Декс-
лером технология позволяет изготовлять синтети¬
ческую пленку толщиной 0,1 мкм и даже меньше.
К сожалению, в монографии Е.Н. Поляковой, из
которой мы заимствовали сведения о проекте
К. Декслера, ничего не говорится, каким путем
должен наноситься металлический слой на поверх¬
ность синтетической пленки.
В цитируемой монографии описаны также фантас¬
тические проекты полетов с тремя парусами за
пределы Солнечной системы к звезде Альфа Цен¬
тавра продолжительностью в 1200 лет. За этот пе¬
риод в колонии космонавтов должно смениться до
50-ти поколений. Невозможно представить себе,
откуда космоплаватели будут добывать воду, про¬
дукты питания, необходимую одежду, как будут хо¬
ронить умерших и принимать новорожденных.
Конечно, главной проблемой является продолжи¬
тельность полета, но если ее даже укоротить в 100
раз, остаются другие серьезные проблемы. Напри¬
мер, проблема разогрева всей системы с прибли¬
жением к Солнцу и быстрота развертывания пару¬
са. Проектанты предполагают решить их весьма
неожиданным способом, а именно: пришварто¬
ваться к астероиду таких размеров, чтобы его тень
перекрывала площадь паруса вместе с кораблем.
Сначала астероид выводит корабль на параболиче¬
скую орбиту с перигелием примерно 1,5 млн км,
где ускорение силы тяжести равно шести ускоре¬
ниям в поле земного притяжения. При подходе к
перигелию корабль прячется в тень астероида, а в
момент прохождения его отшвартовывается и под¬
ставляет свои паруса солнечному ветру. По оцен¬
кам авторов проекта, за короткое время пребыва¬
ния вблизи Солнца температура парусов не долж¬
на достичь критической точки и уже через полчаса
корабль окажется на расстоянии 2,3-106 км от не¬
го, а температура парусов снизится от 2000 К до
1000 К. Естественно, таких температур не выдер¬
жит ни одна полимерная пленка, поэтому придется
изготавливать парус из металлической фольги с
температурой плавления, заметно превышающей
2000 К.
Существует еще одна проблема для космического
корабля с любым парусом, - это встреча с микро¬
метеоритами и частицами космической пыли. Во
избежание неприятностей, связанных с пробоем
паруса и расползанием повреждений по его пло-
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ ІІТНКА
137

Атмосферная о космическая оптика
ищи, рекомендуется покрывать пленку армирую¬
щей сеткой. Тогда расползание будет локализова¬
но отдельной ячейкой сетки.
Трудно сказать, насколько близки к реальным су¬
ществующие оценки вероятности пробоя. Полага¬
ют, что в течение четырехлетнего полета эффек¬
тивная площадь паруса уменьшится за счет пробо¬
ев всего на 7% вблизи земной орбиты и на 12% на
более близких к Солнцу расстояниях.
Разработаны различные приемы управления орби¬
тами солнечных парусников, позволяющие выхо¬
дитъ из околоземной на околосолнечную орбиту,
осуществлять челночные рейсы с возвращением на
Землю, направлять парусник на орбиту вокруг лю¬
бой планеты Солнечной системы или вообще от¬
править корабль за ее пределы.
Кто наблюдал за движениями яхты, сам является
или был яхтсменом, тот хорошо знает, что умелое
управление парусом позволяет двигаться не только
за ветром, но и в противоположном направлении.
То же самое посильно и космической парусной
"яхте". Это достигается торможением орбитально¬
го движения путем установки паруса под опреде¬
ленным углом к плоскости орбиты.
Когда появились первые искусственные спутники,
широкая публика сначала относилась к ним как к
игрушкам, не приносящим никакой пользы, а лишь
импонирующим честолюбию ученых. Но вскоре от¬
ношение к ним изменилось. Трудно представить
себе современную технику связи и метеорологиче¬
скую службу без них, не говоря уже о решении
множества научных проблем.
По прогнозам, наукоемкость и практическая значи¬
мость космических парусников не уступает, а, мо¬
жет быть, и превосходит таковую ИСЗ. Кроме вы¬
полнения межпланетных полетов космические па¬
русники могут выполнятъ роль патруля, ведущего
постоянное наблюдение за плазмой солнечного вет¬
ра, т.е. потоками излучения и заряженных частиц на
оси Солнце — Земля. Пока выполняющий эту роль
аппарат может находиться только на небольшом
расстоянии от Земли (1,6 млн км) и прогнозировать
магнитные бури всего на 1 час. Упомянутый выше
"Витязь" может находиться гораздо дальше от Зем¬
ли (20 млн км) и давать прогноз на 12 часов, время,
вполне достаточное для предупреждения соответст¬
вующих наземных служб: медицинских учреждений,
аэропортов, научных учреждений.
Космический парусник является превосходным
зеркалом для огромных телескопов, а также перво¬
классным парашютом при спуске массивных кон¬
струкций в атмосферах планет. Большие надежды
полагаются на него при изучении солнечной дея¬
тельности и космического пространства. Ведь до
сих пор изучен лишь узкий сектор, на 16° отстоя¬
щий от плоскости эклиптики. Мы не знаем полной
структуры магнитного поля Солнца и пространст¬
венного распределения солнечного ветра. Косми¬
ческий парусник позволит проводить непрерывные
количественные измерения их параметров и де¬
лать длительные прогнозы •
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ I П Т И К А

Излучение звезд
Излучение звезд
Температура, спектры
и эволюция звезд
Наиболее многочисленное множество небесных
объектов, если не считать космической пыли,
это множество звезд. Каждая из них имеет
свой спектр. Это ее паспорт, так как звездные спе¬
ктры весьма разнообразны. Глядя на звездное небо
темной ночью, мы почти не различаем разницу в
цвете. Даже по яркости звезды не так сильно раз¬
личимы по восприятию человеческого глаза, как
это на самом деле есть. Что касается цвета, - боль¬
шое нивелирующее действие оказывает атмосфера
Земли. Так, если звезда голубая, имеющая макси¬
мум излучения в голубой части оптического спектра,
то, из-за интенсивного рассеяния голубого излуче¬
ния, она по цвету пожелтеет, станет родственнее на¬
шему Солнцу. Не удивительно, что, находясь на
Земле, мы фактически не различаем звезд по цвету.
Зато, поднявшись на космическом аппарате на пару
сот километров, заметим некоторое разнообразие
оттенков в излучении различных звезд.
В последние десятилетия классификация звезд
по спектрам составляет одно из проблемных на¬
правлений астрофизики и звездной астрономии.
Если раньше в основу классификации была поло¬
жена температура, то в последнее время выясни¬
лось, что одного этого параметра явно недоста¬
точно, чтобы толково рассказать об особенностях
строения звезды, главным образом о ее внешних
оболочках, процессах, происходящих в них, и их
параметрах.
Температурная классификация содержит 7 типов,
охватывающих интервал примерно от 2500 К до
30000 К (рис. 118), т.е. от красных (тип М) до го¬
лубых (тип О). Есть звезды, относящиеся к одному
и тому же типу, но существенно отличающиеся
профилями спектральных линий из-за различных
атмосферных условий, например, плотности фото¬
сфер, в которых формируются спектральные линии
поглощения.
Излучение одной звезды спектрального класса О
может ионизировать весь водород в сфере радиу¬
сом до 500 световых лет. Даже менее горячая
звезда с температурой поверхности около 10-11
тысяч градусов способна ионизировать весь водо¬
род в сфере радиусом до двух световых лет.
Массы звезд различаются не очень сильно: от од¬
ной пятидесятой массы Солнца до нескольких де¬
сятков солнечных масс. Зато их размеры различа¬
ются значительно сильнее: есть такие, радиус ко-
3 А Н И М А Т Е Я Ь Н А I ОПТИКА

Атмосферная и космическая оптика
торых в сотни раз меньше солнечного, и такие,
когда он в тысячу раз больше. Примером может
служить звезда Бетельгейзе (а у созвездия Орио¬
на), диаметр которой примерно в 850 раз больше
солнечного. Если совместить центр этой звезды с
центром Солнца, ее поверхность будет примерно в
2 раза ближе к орбите Юпитера, чем к орбите
Марса. Орбиты Меркурия, Венеры, Земли и Марса
попадают, таким образом, внутрь тела звезды.
Поскольку степень ионизации и частота соударе¬
ний атомов существенно зависят от плотности, от
этого фактора будет зависеть интенсивность линий
и их полуширина. При малой полуширине можно
утверждать, что радиус звезды большой, а плот¬
ность невелика. Спектроскопия звезд приводит к
выводу, что степень ионизации зависит прежде
всего от температуры и в меньшей мере от плот¬
ности звезды.
Новый этап в развитии классификации звезд по
спектрам открывает использование ультрафиоле¬
тового участка, а если речь идет о "холодных"
звездах типа М, то существенную информацию о
них могут дать и инфракрасные спектры. Чем бо¬
лее широкий спектр звезды получен астрофи¬
зиком, тем больше из него можно извлечь инфор¬
мации. Зная положение спектральных линий на
шкале частот, их интенсивность, ширину, струк¬
туру, специалист может рассказать, что происхо¬
дило со звездой в тот момент, когда образовавшее
спектр излучение оставило ее поверхность.
Расстояния до звезд могут составлять многие мил¬
лионы световых лет. Не исключено, что звезда уже
давно погасла и по спектру мы судим не о ее на¬
стоящем, а о далеком прошлом. У специалиста это
не вызывает огорчений, т.к. различные звезды на¬
ходятся на различных стадиях эволюции, поэтому
на протяжении короткого времени исследований
по спектрам различных звезд можно составить об¬
щую картину их развития и угасания.
Жизнь каждой звезды подчинена той же фунда¬
ментальной закономерности, которая характерна и
для нашего Солнца, о чем мы коротко рассказали
раньше. Здесь же добавим, что на протяжении
миллионов лет звезда имеет одну и ту же темпера¬
туру, одну и ту же светимость, один и тот же спек¬
тральный состав, т.е. является стационарной звез¬
дой, находящейся на стационарной кривой своего
развития. Постоянство блеска звезды в течение
очень большого промежутка времени свидетельст¬
вует о равенстве генерируемой и испускаемой ею
энергии: сколько производится внутри тепловой
энергии за счет термоядерной реакции, столько
излучается ее оболочкой во всех участках видимо¬
го и невидимого излучения. Только благодаря от¬
носительному спокойствию Солнца на протяжении
длительного промежутка времени стало возмож¬
ным возникновение жизни на планете Земля и ее
развитие, завершившееся появлением homo sapi¬
ens (мыслящего человека). Но достаточно одной
вспышки, превосходящей в несколько десятков раз
нынешний уровень яркости Солнца, и наступил бы
конец всему живому на Земле. Уровень современ¬
ной астрофизики достаточно высок, чтобы гаран¬
тировать полную безопасность жителям Земли на
миллионы лет.
В зависимости от массы звезды ее завершающий
этап эволюции может отличаться от солнечного.
При подходящей массе в результате гравитацион¬
ного сжатия она может превратиться в нейтронную
звезду с плотностью вещества примерно 2,8-108
тонн в кубическом сантиметре.
Рождение нейтронных звезд еще в 30-х годах теку¬
щего столетия предсказал Л.Д. Ландау. Несколько
позже американский ученый Оппенгеймер создал
теорию нейтронных звезд во всех ее деталях. Пер¬
вая такая звезда была обнаружена в 1967 году в
веде импульсного источника радиоизлучения, на¬
званного пульсаром. Характерна строгая периодич¬
ность радиоимпульсов пульсара. Длительность их
периода колеблется от нескольких миллисекунд до
нескольких секуед, что сведетельствует о точной
локализации источника радиоизлучения и его
строгой направленности. Время регистрации каж¬
дого следующего импульса отвечает периоду вра¬
щения нейтронной звезды.
Превратившись в нейтронную, звезда катастрофи¬
чески увеличивает скорость вращательного движе-
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ V 1 Т И I А

Излучение звезд
ния, т.к. этого требует закон сохранения момента
количества движения, равного тг2со. При значи¬
тельном уменьшении радиуса звезды г и неизмен¬
ной массе т для сохранения той же величины про¬
изведения /пг2ю необходимо увеличение угловой
скорости со во столько раз, во сколько раз умень¬
шился квадрат радиуса.
Читателю наверняка приходилось наблюдать за
движениями балерины: вращаясь на носке одной
ноги, на заключительном этапе она вдруг прижи¬
мает руки к корпусу и одновременно с этим скач¬
ком увеличивается скорость вращения. Аналогич¬
ный пример демонстрируют фигуристы в одиноч¬
ном катании.
В соответствии с принципом специальной теории
относительности ни одно движение не может про¬
исходить со скоростью, превышающей скорость
света в вакууме. Как это ни удивительно, но этот
принцип ограничивает минимальные размеры ней¬
тронной звезды. Действительно, если линейная
скорость любого элемента на поверхности звезды
не может сравняться со скоростью света в вакуу¬
ме, то радиус ее должен быть таким, чтобы при
неизменной величине тг2со = тг2и/ги не превы¬
шало с. Выходит нашлась управа и на гравитаци¬
онное сжатие, а вместе с ним и на предельно вы¬
сокую плотность вещества. Но как быть тогда с ги¬
потезой Большого взрыва? Не могла же вместить¬
ся нынешняя Вселенная в объеме макового зер¬
нышка, если теория относительности накладывает
Свечение Сверхновых
Среди неисчислимого множества звезд Вселенной
особое место занимают Сверхновые. Такое назва¬
ние подсказывает читателю, что должны быть про¬
сто Новые. Действительно, сначала были открыты
звезды, блеск которых внезапно увеличивался бо¬
лее чем в тысячу раз. После открытия туманнос¬
тей, находящихся далеко за пределами нашей Га¬
лактики и оказавшихся впоследствии также боль¬
шими скоплениями звезд, т.е. новыми галактика¬
ми, Вселенная получила название Метагалактики,
ограничения на плотность вещества и размеры?
В последние десятилетия в научной литературе ас¬
трономического содержания много внимания уде¬
ляется "черным дырам" — материальным образо¬
ваниям, создающим настолько большое гравита¬
ционное поле, что для его преодоления необходи¬
мо сообщить телу скорость, превышающую ско¬
рость света в вакууме, т.е. 3-108 м/с. Поскольку
это невозможно, такие объекты не только не поз¬
воляют покидать собственное вещество и излуче¬
ние, но также захватывают все то, что пролетает
мимо: и крупные тела, и мелкие частицы и кванты
света других космических излучателей.
Для того, чтобы гравитационное поле смогло удер¬
жатъ собственное излучение черной дыры, масса
звезды т должна сжаться до объема, радиус кото¬
рого г меньше гравитационного радиуса rg =
2Gm/c 2 (G - гравитационная постоянная). По
оценкам, звезда может в конечном итоге пре¬
вратиться в черную дыру только в том случае, ког¬
да ее масса в несколько раз превышает массу
Солнца. Ученые предполагают, что в центре ядер
галактик и квазаров существуют сверхмассивные
черные дыры с массой до 108-109 солнечных.
Черную дыру невозможно наблюдать непосредст¬
венно. Ее обнаруживают только по взаимодейст¬
вию с другими космическими телами или же по
гравитационному отклонению луча другой звезды,
проходящего неподалеку от нейтронной. Но и не
очень близко, т.к. черная дыра захватит его <
а кроме новых звезд уже за пределами нашей Га¬
лактики были обнаружены еще "более новые", яр¬
кость вспышек которых сравнима с яркостью всей
звездной системы, в которой она находится, т.е. с
яркостью целой галактики.
Сверхновые звезды - источники накопления в кос¬
мическом пространстве химических элементов, по¬
являющихся там в результате их вспышек. Астро¬
номы считают, что без протекания таких процес¬
сов, как вспышки Сверхновых, не было бы возмож¬
ным существование жизни на планете Земля.
3 А И И М А Т Е П Ь Н А Я ОПТИКА

Атмосферная и космическая оптика
В момент взрыва сверхновая звезда представляет
собой светящееся газовое облако, масса которого
составляет от 0,1 до 10 солнечных масс, расширя¬
ющееся после взрыва со скоростью 104 км/с.
Наблюдениями установлена очень небольшая про¬
должительность нарастания яркости светящегося
облака, равная примерно двум неделям. В макси¬
муме интенсивности светимость Сверхновой в
миллиард раз превышает светимость Солнца.
Появление Сверхновой - не частое явление. Пер¬
вую вспышку Сверхновой в нашей Галактике на¬
блюдал в 1572 г. Т. Браге, а последнюю - в 1604 г.
И. Кеплер. Первая внегалактическая Сверхновая
зарегистрирована в 1885 г. тартуским астрономом
Э. Гартвингом. В настоящее время каталог Сверх¬
новых насчитывает более 600, ежегодно увеличи¬
ваясь на 10-20 новых объектов.
Все без исключения сведения о Сверхновых астро¬
физики черпают из их спектров. Задача это не
простая, поэтому лишь для небольшого числа объ¬
ектов удалось исследовать зависимость интенсив¬
ности излучения от времени (кривая блеска) и
длины волны (спектр излучения).
По характеру спектров Сверхновые делят на 3 ти¬
па: Іа, Іб и II. Два первых отличаются от третьего
отсутствием в излучении спектральной линии ато¬
ма водорода На (рис. 119). Пунктиром обозначено
распределение излучения в спектре абсолютно
черного тела с температурой 10 000 К.
На верхнем рисунке обозначены линии поглоще¬
ния атомами кремния, железа и кальция, а на ниж¬
нем - линия излучения На - первый компонент
серии Бальмера в спектре атомарного водорода.
Если читатель вспомнит кривую излучения абсо¬
лютно черного тела с температурой 6000 К, какой
обладает солнечная фотосфера, ее максимум рас¬
положен в желто-зеленой области спектра. На двух
представленных выше пунктирных кривых макси¬
мум смещен в ультрафиолетовую область, по¬
скольку температура Сверхновых на 4000 К больше
температуры солнечной фотосферы.
Приведенные на рис. 119 спектры соответствуют
моменту, когда блеск Сверхновых максимальный.
Его изменение во времени для типа Іб показывает
рис. 120. На нем точками обозначены наблюдае¬
мые значения светимостей, а сплошной кривой -
Рис. 119
Спектры излучения Сверхновых
типа Ia и II в максимуме блеска
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ ОПТИКА

Излучение звезд
Рис. 120
Изменение светимости
Сверхновой типа I6
теоретическая зависимость. Блестящее согласие
теории и эксперимента свидетельствует о пра¬
вильных предпосылках, заложенных в основу тео¬
рии. Из рисунка видно, что светимость возрастает
после взрыва звезды довольно быстро, достигая
максимума примерно на 15-й день, затем более
медленно уменьшается с расширением образовав¬
шегося облака.
Спектры Сверхновых всех типов быстро изменяют¬
ся во времени.На рис. 121 представлен видимый
спектр Сверхновой, принадлежащей Большому
Магеллановому облаку. Спектрограммы, получен¬
ные 25 февраля, 14 апреля и 9 сентября, очень
сильно отличаются как частотным распределением
интенсивностей, так и природой спектральных ли¬
ний. Если в конце февраля в спектре излучения
преобладали линии серии Бальмера Н , HR, Н,
а р у
то 9 сентября того же года лишь линия На оста¬
лась очень интенсивной, зато появились интенсив¬
ные линии атомов кальция.
На рис. 122 показано спектральное распределение
интенсивности излучения через 250-300 суток по¬
сле вспышки. Если для звезды типа 1а характерно
присутствие атомов железа, то в спектрах типов
1б и II преобладает излучение атомов кислорода и
водорода соответственно. Общим для двух по¬
следних типов является наличие линий магния и
кальция.
По сплошному фону, отражающему чисто темпера¬
турное излучение, оценивается температура звез¬
ды в тот или иной момент времени. Исследования
показывают, что в течение месяца она уменьшает¬
ся с 10 000 К до 6000-5000 К. Не удивительно, что
на поздней стадии (через 250-300 суток) спектр
Сверхновых становится похожим на спектр газовых
туманностей, состоящий из интенсивных линий на
слабом фоне непрерывного спектра (рис. 122).
По красному смещению спектральных линий опре¬
делена скорость разлетающихся симметрично во
всех направлениях атомов и ионов после вспышки
Сверхновой. На внешней границе облака Сверхно¬
вых первых двух типов она порядка 20 000 км/с и
примерно в два раза меньше для типа II. Анализи¬
руя полуширину и форму спектральных линий,
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ ОПТИКА

Атмосферная и космическая оптика
Рис. 121
Временные изменения
видимого спектра
Сверхновой в Большом
Магеллановом облаке
можно установить распределение скорости частиц
вдоль радиуса, выходящего из центра звезды. По¬
лучен следующий результат: чем дальше от цент¬
ра, тем выше скорость. При взрыве звезды атомы
получили разные импульсы, с большим импульсом
приобрели большую скорость и в момент регист¬
рации спектра ушли дальше от центра.
Астрофизиков давно волновал вопрос, почему
Сверхновые светят и почему так быстро меняется
их блеск. Конечно, на эти вопросы наслаивается
множество других, требующих ответа. К сожале¬
нию, найти их не так просто, хотя с началом кос¬
мической эры продвижение в области познания
Вселенной в целом и ее объектов в частности идет
ускоряющимися шагами.
Первые попытки объяснить происхождение излуче¬
ния и его эволюцию во времени были предприняты
в шестидесятых годах нынешнего столетия. Разви¬
тие теории началось с предположения о свечении
взорвавшейся звезды за счет остывания. Оно было
оправдано уменьшением температуры во времени.
Когда все элементы теории были отработаны и
началось сравнение с данными наблюдений, оказа¬
лось, что удовлетворительное согласие присуще до-
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ ОПТИКА

Излучение звезд
вольно слабым звездам, свечение которых быстро
падает до нуля. Вскоре выяснилось, что в случае
нормальной звезды, а не сверхгиганта, через не¬
сколько дней после взрыва по достижению максиму¬
ма светимости радиус облака увеличивается в тыся¬
чи раз, на что расходуется почти вся энергия взрыва
и ничего не остается на излучение. Чтобы спасти те¬
орию, астрофизики В.С. Имшенник, Д.К. Надежин и
Э.К. Грасберг, проделав необходимые расчеты, при¬
шли к выводу, что звезда до превращения в Сверх¬
новую типа II должна быть сверхгигантом с радиу¬
сом, в тысячу раз превышающим солнечный. Для та¬
ких гигантов после взрыва относительное изменение
радиуса будет небольшим, а количество тепловой
энергии достаточным для обеспечения наблюдаемой
светимости. Надежды оправдались лишь частично.
Теория находилась в хорошем согласии с наблюде¬
ниями лишь в течение 2-3 месяцев после взрыва. В
дальнейшем в соответствии с теорией Сверхновая
должна быстро охлаждаться и ее светимость стано¬
вится неизмеримо низкой. Однако этого не происхо¬
дит. Как и в случае двух первых типов, светимость
Сверхновой типа II затухает медленно. Это указыва¬
ет на существование иного механизма притока
энергии, обеспечивающего продолжительное свече¬
ние Сверхновой.
Если на первой стадии быстрого нарастания блеска
для Сверхновых типа II действует описанный выше
механизм, то для Іа и 16 - типов пришлось искать
иное объяснение. Эти звезды лишены водорода (см.
спектры на рис. 122), они не могут быть сверхгиган¬
тами, у которых водород составляет 70% всей массы.
0,4	0,6	0,8
Длина волны, мкм
Рис. 122
Спектры Сверхновых всех трех типов
спустя 250—300 суток после вспышки
Немало пришлось поломать голову астрофизикам,
прежде чем американские ученые С. Колгейт и
Ч. Мак-Ки вьщвинули гипотезу о трансформации в
видимое излучение энергии радиоактивного распа¬
да изотопа никеля S6Ni. При термоядерном взрыве
звезды образуется много такого изотопа. Период
полураспада его* всего 6 суток. Из никеля образу¬
ется радиоактивный кобальт с периодом полураспа¬
да 78 суток, превращающийся в железо. В цепочке
* Периодом полураспада называется время, в течение которо¬
го распадается ровно половина имеющегося вещества с об¬
разованием нового химического элемента или нового изото¬
па прежнего.
этих ядерных реакций возникают кванты у-излуче-
ния, которые ионизируют и нагревают газовую обо¬
лочку Сверхновой, излучающую в видимой области
спектра. И не только в видимой, но также в ультра¬
фиолетовой и инфракрасной областях спектра.
Оформленная в виде теории, гипотеза С. Колгейта
и Ч. Мак-Ки удовлетворительно описывает времен¬
ные изменения блеска Сверхновых типа Іа и Іб на
всем продолжительном интервале проведенных
наблюдений, если выполнены следующие два ус¬
ловия: масса оболочки звезды равна массе
Солнца, начальная масса никеля находится в пре-
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ О П Т И К А

Атмосферная и космическая оптика
делах 0,4 -1 солнечной массы. Если этих условий
достаточно для торжества теории, тогда на заклю¬
чительном этапе эволюции звезды железо должно
составлять примерно такую часть массы всей
Сверхновой, какую составлял никель до взрыва.
Наличие очень интенсивных линий излучения же¬
леза в спектре Сверхновых типа Іа на поздних ста¬
диях наблюдений является достаточно убедитель¬
ным аргументом в пользу теории.
Разобравшись со звездами типа Іа и Іб, ученые
пришли к выводу о возможности интерпретации
спектров Сверхновых типа II на поздней стадии на
основе радиоактивного распада изотопа S6Ni.
Мудрая русская пословица "дальше в лес — боль¬
ше дров", по-видимому, нигде так часто не рабо¬
тает, как в астрономии. Опираясь на исследования
туманностей, возникших на месте давно взорвав¬
шихся в нашей Галактике Сверхновых, а именно —
в 1006, 1054, 1181, 1572 и 1604 гг., -ученые ус¬
тановили гораздо более старые остатки Сверхно¬
вых, возраст которых попадает в интервал от тысяч
до десятков тысяч лет. Таких объектов известно
уже около 130.
Мы закончим наш рассказ о свечении Сверхновой
звезды, открытой 23 февраля 1987 г. в соседней к
нашей Галактике - Большом Магеллановом облаке -
Сверхновой 1987а. Она оказалась самой яркой со
времени наблюдения И. Кеплером Сверхновой 1604.
Но не только в этом ее особенность. Установив при¬
надлежность этой звезды к типу II, ученые были по¬
ражены неординарным изменением ее блеска во
времени. Пройдя максимум, светимость Сверхновой
1987а в первые десять суток уменьшалась, а на
одиннадцатые начала возрастать и через 75 дней до¬
стигла нового максимума. Не только этим отличается
Сверхновая 1987а, но также наличием поляризации
спектральных линий излучения. Видимо, потребуется
Излучение планетарных
туманнпстей
Планетарные туманности рождаются от звезд про¬
межуточной массы, по своим параметрам напоми¬
нающим наше Солнце. После окончания всех вдер-
определенное время, чтобы точнее установить ее тип
и объяснить упомянутые особенности.
Чем ближе космический объект, тем легче извле¬
кать из него полезную информацию. Астрономы с
большим нетерпением ожидают вспышки Сверхно¬
вой в нашей Галактике. Запрограммировать это яв¬
ление невозможно, но наблюдение звездного неба
ведется круглосуточно во многих пунктах земного
шара как в земных условиях, так и с помощью кос¬
мических аппаратов. Будем надеяться, что ожидае¬
мое событие не заставит нас долго ждать.
Мы завершим этот раздел упоминанием о сравни¬
тельно недавно обнаруженных еще более мощных
источниках излучения - квазарах.
Если мощность вспышки Сверхновой достигает
1041 эрг/с, то мощность излучения квазаров пре¬
восходит эту величину в сотни тысяч и миллионы
раз. Это наиболее мощные излучатели Вселенной.
Они были открыты в 1960 году американским аст¬
рофизиком М.Шмидтом по излучению радиоволн,
хотя дальнейшие исследования квазаров показали,
что в их недрах рождаются также кванты видимой,
ультрафиолетовой, инфра красной, рентгеновской
и у-области электромагнитного спектра. Характер¬
но, что в оптической области светимость квазаров
в сотни раз превосходит суммарную светимость.
Несмотря на высокую яркость квазаров, она не яв¬
ляется стабильной и может даже увеличиваться,
причем на довольно продолжительный срок, ино¬
гда в виде дополнительной вспышки, превышаю¬
щей по своей мощности светимость нормальной
сверхгигантской галактики. До 1986 года обнару¬
жено более 1500 квазаров, причем излучающих
преимущественно в оптической области спектра.
Предполагается, что квазары - это ядра далеких
галактик, звезды которых не отличаются высокой
яркостью излучения и поэтому не видны
ных циклов и истощения запасов ядерного топлива
они начинают "разбухать" и в предсмертной аго¬
нии сбрасывают внешние слои, образуя непрерыв¬
но расширяющееся облако газа. Центральная
часть все еще находится при высокой температу¬
ре, достаточной для нагревания газовой оболочки,
3 А Н И М А Т Е П Ь Н А Я ОПТИКА

Излучение звезд
Рис. 123 Галактика "Туманность Андромеды"^^НРисТі24 Планетарная туманность в созвездии
Ориона
вызывая ее свечение. Оно продолжается на протя¬
жении нескольких тысяч лет, пока ядро звезды не
остынет до температур, неспособных возбудить
атомы газа.
Свечение газа и является фактором, позволяющим ве¬
сти наблюдение за планетарной туманностью, изучить
ее структуру, размеры и форму. Планетарные туман¬
ности не под силу заметить невооруженному глазу.
Только мощные телескопы позволяют вести с ними
разговор и выяснять интересующие ученых вопросы,
например, измерять расстояния до далеких галактик.
В нашей галактике более 1600 зарегистрирован¬
ных планетарных туманностей, хотя полное число
их может быть значительно больше. Спектры этих
космических объектов - единственный источник
информации о том, что с ними происходит. Спект¬
ральными приборами регистрируется как излуче¬
ние атомов и ионов, находящихся в возбужденном
состоянии, так и поглощение тех же частиц, нахо¬
дящихся в невозбужденном состоянии.
Поскольку газовое облако туманности непрерывно
расширяется, положение спектральных линий на
шкале частот претерпевает определенное смеще¬
ние, вызванное эффектом Доплера. Зная эти сме¬
щения, вычисляют скорость движения газовых
масс планетарной туманности. Атомная и ионная
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ ОПТИКА

Атмосферная и космическая оптика
спектроскопия планетарных туманностей позволяет
определить также их химический состав.
Исследования распределения спектральных ли¬
ний на шкале частот и их интенсивностей привели
ученых к выводу, что 70% массы планетарных ту¬
манностей составляет водород, 28% — гелий и
лишь около 2% приходится на долю таких широко
распространенных элементов, как азот, кислород
и углерод.
Интенсивность спектральных линий дает сведения
и о температуре, а также плотности вещества в
планетарной туманности.
Планетарную туманность можно наблюдать по ее
видимому излучению примерно 2000 лет после
взрыва. В результате быстрого расширения ее
светящаяся оболочка становится очень разрежен¬
Фотометрический парадокс
Проблемы пространства и времени, происхожде¬
ние Вселенной, специальная и общая теория отно¬
сительности породили много парадоксов, обсужде¬
ние которых продолжается с неослабевающейся
активностью. Даже проблема расширяющейся
Вселенной, правомерность которой, казалось бы,
подтверждена обнаружением так называемого ре¬
ликтового радиоизлучения, периодически находит
своих критиков. И надо признать, что эта критика
вполне обоснована.
Фотометрический парадокс возник из противоре¬
чия реальной ситуации и бесконечной однородной
Вселенной Ньютона с бесконечно большим числом
звезд.
В свое время швейцарский астроном Жане Фи¬
липп Шезо поднял вопрос, на который сам же
дал ответ. Если число звезд бесконечно велико,
то почему весь небесный свод не имеет в каж¬
дой своей части такой же яркости, какую имеют
отдельные звезды? Ответ Шезо был довольно
прост и не лишен смысла: по-видимому, излуче¬
ние наиболее удаленных от нас звезд заслоня¬
ной, свечение ослабевает и в итоге туманность
становится ненаблюдаемой.
На рис. 123 представлена фотография в собствен¬
ном излучении одной из ближайших к нам галактик
- туманности Аедромеды. В ее состав входит не¬
сколько планетарных туманностей, раздельно на¬
блюдающихся телескопами с более высоким раз¬
решением деталей. Туманность Андромеды по сво¬
ей форме напоминает чечевицу. Такую же форму
имеет и наша Галактика "Млечный путь".
На рис. 124 дано изображение планетарной туман¬
ности в созвездии Ориона. Это бесформенное об¬
разование с сильно отличающимися по яркости и
цвету свечения областями. Большая часть облака
имеет красный опенок, что может быть вызвано
излучением линии На водорода •
ется космической пылью. И в самом деле, если
в бесконечной Вселенной бесчисленное множе¬
ство равномерно распределенных по небесной
сфере, но различно удаленных от нас звезд име¬
ют примерно одинаковую светимость (а наблю¬
дения в звездную ночь практически подтвержда¬
ют это), то, независимо от наличия галактик или
подобных им скоплений, все небо должно вос¬
приниматься одинаково ярким, в какую бы точку
мы не направили свой взор.
Приходящая к наблюдателю интенсивность види¬
мого излучения обратно пропорциональна квадра¬
ту расстояния до звезды. Однако, дистанционные
потери интенсивности компенсируются увеличени¬
ем числа звезд с расстоянием. Причем в той же
степени, т.к. число звезд на сфере радиуса R (рас¬
стояние от наблюдателя) пропорционально поверх¬
ности этой сферы, т.е. -R2. Такие рассуждения
приводят к заключению об однородности свечения
всего неба, подобно свечению солнечного диска.
Но каждый знает, что этого нет. Много было попы¬
ток устранить фотометрический парадокс. Все они
опирались на поглощение звездного излучения ко¬
смической пылью.
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ О П Т И К А

Излучение звезд
Академик В.Г.Фесенков еще в 1973 году пока¬
зал, что ссылки на ослабление света в результа¬
те поглощения космической пылью не могут
объяснить фотометрического парадокса, т.к. ко¬
смическая пыль не столько поглощает, сколько
рассеивает свет. В общем, вопрос оставался
без ответа.
Приведем для примера гипотетическую модель
Вселенной, которая якобы устраняет фотомет¬
рический парадокс. По имени автора ее назы¬
вают "Вселенной Шарлье". Она состоит из
плотной сферы звезд, вложенной в сферичес¬
кий пояс звездных скоплений более высокого
порядка. Этот последний вложен в сферичес¬
кий пояс скопления звездных скоплений. Даль¬
ше следует скопление звездных скоплений зве¬
здных скоплений. И так до бесконечности. Та¬
ким образом, исходным положением является
бесконечная Вселенная. Специалисты считают,
что схема Шарлье устраняет фотометрический
парадокс, но основывается на явно неправдо¬
подобных допущениях: в центре такой Вселен¬
ной чрезмерно плотное скопление звезд, а в
последующих концентрических слоях оно все
менее и менее плотное. Наблюдения же пока¬
зывают совершенно иное распределение
звезд. Удаленные галактики имеют плотность
небесных светил значительно большую, чем
некоторые близко расположенные к нашей Га¬
лактике.
И все же фотометрический парадокс находит свое
объяснение в теории расширяющейся Метагалак¬
тики. Разбегание звездных систем в соответствии
с явлением Доплера приводит к красному смеще¬
нию спектральных линий, принадлежащих спектру
звезды или скопления звезд. Чем дальше от нас
звезда, тем больше смещение. Величина его ха¬
рактеризует убыль энергии квантов света, уходя¬
щих к нам от звезды. Энергия кванта hv = hc/X
тем меньше, чем меньше частота или больше
длина волны электромагнитного излучения. Про¬
цесс разбегания приводит, таким образом, к
уменьшению интенсивности света, воспринимае¬
мого земным наблюдателем.
С удалением звезды, при условии неизменной
периодичности испускания квантов света лю¬
бым элементом ее поверхности, интервал
восприятия ослабленных энергетически следую¬
щих один за одним квантов будет отличаться от
интервала времени их испускания. Ведь второй
квант будет испущен с другого расстояния, т.к.
звезда убегает от наблюдателя. Выходит, глаз
наблюдателя или любой другой приемник в
единицу времени регистрирует меньше кван¬
тов, чем их испускает звезда. Получается, что
красное смещение приводит к ослаблению све¬
чения не только отдельной звезды, но и всей
удаляющейся галактики, к которой она принад¬
лежит. Отсюда ночное небо кажется нам не од¬
нородно светлым. Конечно же определенную
роль играют и туманности, поглощающие излу¬
чение звезд.
В связи с описанием свечения звезд целесооб¬
разно обратить внимание читателя на следую¬
щую геометрическую особенность. Угловые раз¬
меры ближайших к нам звезд можно установить
самыми точными астрономическими приборами,
в частности крупными радиотелескопами. Они
значительно меньше секунды. Разрешающая
способность нормального человеческого глаза
такова, что среди не самосветящихся предметов
глаз выделяет только те, которые видны под уг¬
лом, равным или большим одной минуты. Что
же касается самосветящихся предметов, то их
линейные, а следовательно и угловые размеры,
не играют роли. Мы уводим даже безразмерную
точку, если на сетчатку глаза попадет от нее в
единицу времени количество фотонов, превы¬
шающее пороговую чувствительность глаза.
Помнится, один крупный ленинградский теоретик
критиковал физическую концепцию о невозможно¬
сти глаза различить детали, угловые размеры ко¬
торых меньше 1 минуты. Его аргументом был как
раз факт водения звезд. Этим примером мы хотим
подчеркнуть принципиальное различие между све¬
тящимися и темными объектами. Как говорят в
Одессе — это две большие разницы •
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ ІІТИІА

Атмосферная и космическая оптика
Млечный путь
Многие профессиональные астрономы и любители
в различной степени занимались оценкой чисто
звездного вклада в освещенность Земли в безлун¬
ную и безоблачную ночь. При высокой прозрачнос¬
ти атмосферы в такую ночь невооруженным глазом,
начиная от линии горизонта и заканчивая точкой
зенита, можно насчитать примерно 3000 звезд.
Наиболее компактно они просматриваются вдоль
Млечного пути - самого плотного скопления звезд
нашей галактики, напоминающей галактику "Ту¬
манность Андромеды" (рис. 123). Само название
"Галактика" произошло от греческого слова и в
русском переводе означает "молочный". Млечный
путь действительно подобен дорожке белых капе¬
лек разбрызганного молока.
В мифах, легендах и преданиях различных народов
мира он всегда выполнял роль указателя пути к че¬
му-либо. В Эстонии и Лапландии - это путь миг¬
рирующих птиц. Для финнов он указывает направ¬
ление перелета конкретного вида птиц, а именно
гусей. У некоторых мусульман - это дорога пили¬
грима к Мекке, в то время как европейские като¬
лики водят в нем указатель направления к испан¬
скому собору Сантьяго де Компостелла.
Интересную функцию Млечному пути приписали не¬
которые кавказские народности. Оказывается, это
след летящего вора, растерявшего часть уворован¬
ной соломы. Видимо, для этих народностей, из-за
отсутствия значительных участков пахотной земли,
солома представляет немаловажную ценность.
По всему миру Млечный путь рассматривается как
дорога для отлетающих душ в мир мертвых, а по
многочисленным традициям соединяет небо и зем¬
лю, как перекинутый через реку мост. Это ночью.
Днем в такой роли выступает радуга. Китайцы отож¬
дествляют Млечный путъ с великой небесной рекой,
ведущей к бездне, в которой матъ Солнца и матъ
Луны каждое утро купают своих детей перед тем, как
они займут свои места на небесах. Для племен аф¬
риканской Ботсваны Млечный путъ является хребтом
ночи, отождествляемой с огромным животным, внут¬
ри которого мы живем. Они верят, что Млечный путь
поддерживает ночь, так как без него фрагменты
темноты обрушивались бы к их ногам.
Млечный путь в старое время был отличным указа¬
телем крымского направления для украинских кре¬
стьян и вольных казаков, снаряжавших караваны за
солью на лиманы северного Причерноморья. Этих
тружеников называли чумаками, а "Млечный путь"
давно укоренился в украинском языке под назва¬
нием "Чумацкий шлях".
Рис. 125
Вклад звезд
различной яркости
в освещенность
земной повнрхности
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ Н П Т И К А

Излучение звезд
Отдав должное нашей Галактике в народных пре¬
даниях и традициях, ответим, наконец, на вопрос,
какой же вклад звезд "Млечного пути" в освеще¬
ние земной поверхности ночью.
Мерой яркости или блеска звезды служит так на¬
зываемая звездная величина. Наиболее яркие
звезды относят к первой величине, затем идут
звезды 2-й, 3-й и т.д. до 29-й звездной величин. К
ней относятся звезды, еще наблюдаемые совре¬
менными телескопами, например космическим те¬
лескопом Хаббла.
Невооруженным глазом можно заметить звезды до
6-й звездцой величины. Болышнство звезд недоступ¬
ны для человеческого глаза, но это не означает, что
они не вносят своей лепты в освещенность Земли.
Подсчеты показали, что звезды 1-й и 2-й величин
дают не более 1% освещенности. Максимум же ее
приходится на звезды 10-й — 15-й величин, кото¬
рые глаз не замечает (рис. 125). Этот кажущийся
парадокс объясняется численностью звезд различ¬
ных звездных величин.
Неравномерное распределение звезд по небу обус¬
ловливает неравномерную его яркость. Наиболь¬
шая она в области Млечного пути. При равномер¬
ном распределении звезд по небу его яркость со¬
ставляла бы 5-10-14 яркости Солнца. Очень низкий
процент, но тем не менее в ясную звездную ночь,
хоть с трудом, но можно даже кое-что прочитать.
Мы должны с большой благодарностью отнестись к
природе, снабдившей почти каждого из нас такими
сверхчувствительными приборами, как глаза.
Измерения и их математическая обработка приво¬
дят к выводу, что на долю звезд в безлунную ночь
приходится меньше половины наблюдаемой осве¬
щенности. Остальную ее часть дает свечение
атмосферы, рассеянное солнечное и звездное из¬
лучение на космической пыли •
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ О П Т И К А
211

Атмосферная о космическая оптика
Кометы
Пусть нам расскажут хотя бы об
одном действительно доказанном
чуде, и мы в него тотчас же поверим.
Ф.М. Бекон
История наблюдений комет
Все кометы, которые когда-либо наблюдались
или будут наблюдены человеком планеты Зем¬
ля, принадлежат Солнечной системе. Мы их
видим только тогда, когда они приближаются к
своему перигелию - точке наименьшего расстоя¬
ния от Солнца - и в первые месяцы или годы, ког¬
да они уходят от перигелия, поменяв в нем на¬
правление движения на обратное. Некоторые из
них только раз появляются на небесном своде, а
затем навсегда исчезают: то ли разрушаются, пре¬
вращаясь в газопылевые облака, то ли захватыва¬
ются какой-нибудь планетой Солнечной системы.
Такой пример известный в науке, — это Тунгусский
метеорит, который, как полагают многие астроно¬
мы, на самом деле был кометой, а также комета
Шумейкера-Леви SI9, погибшая в 1994 г. при
столкновении с Юпитером.
Трудно ответить на вопрос, сталкивались коме¬
ты с Землей или нет. Во всяком случае, шрамов
на ее поверхности, свидетельствующих о косми¬
ческих пришельцах, предостаточно. Не все они
вулканического происхождения. Возможно, мас¬
совое вымирание животных, например, вне¬
запное исчезновение динозавров, связано с ги¬
белью большой кометы, врезавшейся в нашу
планету.
Но может быть и иная причина одноразового появ¬
ления кометы в акватории земной орбиты - дли¬
тельный период ее обращения вокруг Солнца. Вот
совсем недавно (1996 г.) нас посетила яркая коме¬
та Хейла - Боппа (рис. 126). Ее первыми заметили
астрономы-любители, именами которых она и на¬
звана. Эта комета треххвостая, хотя хорошо видны
два из них, причем один, более острый, образован
аэрозольными частицами, размеры которых поряд¬
ка размеров флуктуации плотности земной ат¬
мосферы, так как рассеянный ими солнечный свет
имеет голубой опенок. Голова кометы рассеивает
■ Рис. 126
Комета Хейла—
Боппа. Фото 18 марта
1997 г. сотрудника
КрАО В. Румянцева
212
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ О П Т Н К А

Кометы
весь видимый спектр солнечного излучения в оди¬
наковой степени, поэтому кажется белой.
Открытие Хейла и Боппа сразу стало известным
всему миру и в первую очередь астрономам-про¬
фессионалам. Они тут же принялись за вычисле¬
ние орбиты новой кометы.
В соответствии с положениями небесной механики
достаточно знать координаты трех точек любой ор¬
биты, чтобы вычислить ее параметры и период об¬
ращения небесного тела вокруг Солнца. Для новой
кометы он оказался очень большим - около 4200
лет. Следующий визит ее состоится через 2500 ±
1 год лет. Такой прогноз большинства специалис¬
тов. Возникает вопрос, почему изменился период?
Дело в том, что все кометы без исключения пере¬
секают орбиту той или иной планеты Солнечной
системы. Приближаясь к планете, они подвергают¬
ся воздействию ее гравитационного поля, в ре¬
зультате чего орбита деформируется. Собственно
говоря, становится иной. Следовательно, меняется
и период обращения.
Возвращение кометы Хейла-Боппа через 2,5 тыся¬
чи лет - очень большой интервал в истории чело¬
вечества. Ведь через два года мир будет отмечать
двухтысячную годовщину новой эры. Кто скажет,
что первое летописное сообщение римского фило¬
софа Луция Аннея Сенеки о кометах как об отдель¬
ных небесных телах было не так давно? А тут при¬
ходится ожидать минимум 2,5 тысячи лет. В 1996
г. комета Хейла-Боппа была очень яркой. Авторы
этих строк любовались ею невооруженными глаза¬
ми, находясь на центральной улице Киева, хорошо
освещенном Крещатике. Какой она вернется через
2,5	тысяч лет и вернется ли вообще?
Первая письменная информация о появлении ко¬
меты содержится в китайских хрониках с указа¬
нием даты 2296 г. до новой эры. Если порыться в
этих хрониках, там можно найти немало интерес¬
ного о наблюдении комет на протяжении более
двух тысяч лет до нашей эры, об отношении к
ним древних китайцев, о китайском фольклоре на
кометную тему. Никто иной как китайцы назвали
комету "хвостатой звездой". Оно созвучно с гре¬
ческим названием "кометис", что означает "воло¬
сатый".
Больше всего изучена комета Галлея. Ее период
обращения вокруг Солнца не является постоянным
из-за возмущающего влияния планет и колеблется
в пределах 75-79 лет. В двадцатом веке немало
жителей планеты наблюдали ее дважды: в 1910 и
в 1986 годах. Всего же комета Галлея за 2 тысячи
лет новой эры проходила свой перигелий 26 раз.
Впервые о комете Галлея упоминается в письмен¬
ных источниках в 87 г. до н.э. Большинство коме-
тологов считает, что впервые ее наблюдали еще в
11 веке до н.э. Новые исследования латвийских
народных песен, обработанных компьютерными
расчетами, показали, что комета Галлея появля¬
лась в 240 г. до н.э. В некоторых строках песни
речь идет о том, что Солнце покрыло Луну сереб¬
ряной метлой. Некоторые астрономы считают до¬
стоверным появление кометы Галлея в 467 -466
г. до н.э.
Трудно представить себе, сколько событий зацепи¬
ла своим хвостом комета Галлея, возвращаясь че¬
рез каждые 75—79 лет к земной орбите. И не толь¬
ко зацепила, а и принесла их с собой. Поди дока¬
жи англичанам, что к смерти их монарха Эдварда
VII в 1910 г. она совершенно не причастна. По¬
скольку это случилось, а астрономы Йоркской об¬
серватории определили в ее составе наличие циа¬
нистых соединений, узнав об этом, англичане се¬
рьезно запаниковали, боясь, чтобы комета не про¬
шлась своим цианистым хвостом по земной по¬
верхности.
Роберта Олсон упоминает о случаях самоубийства
и попытке жертвоприношения: группа лиц из Окла¬
хомы пытались пожертвовать жизнью девушки. Бо¬
лее трезвомыслящие люди пытались изолировать
свои дома от внешнего мира, законопачивая все
щели, уплотняя окна и двери, дабы воспрепятство¬
вать проникновению смертельно опасных газов.
Как всегда вместе с возникновением человеческих
потрясений появлялись шайки аферистов, оформ¬
лявших кометные страховки, торговавших антико¬
метными таблетками и предлагавших массу иных
средств защиты.
ЗАІИМАТЕВЬІДЯ ОПТИКА
213

Атмосферная о космическая оптика
В свой последний визит комета Галлея (рис. 127)
вызвала оживление торговли кометными таблетка¬
ми в штате Мичиган США и родила множество слу¬
хов. Один из них предсказывал столкновение ко¬
меты с северным полюсом Земли и, вследствие
этого, увеличение ее магнитного поля и поражение
людей возникшим электрическим током. Не менее
страшным был и другой слух, по которому весь
азот земной атмосферы превратится в веселящий
газ - окись азота. По содержанию обоих слухов
чувствуется, что они зарождались в головах от¬
нюдь немалограмотных людей.
Каждый раз до 1682 г. комету Галлея встречали
как новую комету: в 1531 г. она была описанаАпи-
аном, в 1607 г. Кеплером и Лонгомонтаном, в
1682 г. ею занялся Галлей, современник Ньютона.
Он поставил перед собой задачу вычислить путь
движения кометы, предположив, что действующая
на нее со стороны Солнца сила обратно пропорци¬
ональна квадрату расстояния. Закон всемирного
тяготения уже был сформулирован Ньютоном и его
автор уже занимался подобными расчетами. Поль¬
зуясь работами Ньютона, Галлей занялся вычисле¬
нием орбит комет по результатам наблюдений,
описанных в различных источниках, начиная с 1337 г.
Итогом утомительных расчетов явился первый ка¬
талог 24-х комет с параметрами их орбит и датой
прохождения перигелия.
Анализируя собственную таблицу, Галлей обнару¬
жил удивительное совпадение элементов орбит
трех комет, появлявшихся в 1531, 1607 и, наконец,
последней кометы, которую он наблюдал в 1682 г.
После некоторых раздумий Галлей пришел к выво¬
ду, что речь идет не о трех разных, а об одной и
той же комете. Так была открыта периодичность
движения комет. С этих пор, они, как и планеты,
стали равноправными членами Солнечной системы.
Галлея не смутило отсутствие точного совпадения
периодов. Он уже знал о возмущающем влиянии
Юпитера на орбиту Сатурна, период обращения
которого был известен с точностью до нескольких
дней. "Насколько же больше должна подвергаться
таким влияниям комета, - писал Галлей, -уходя¬
щая от Солнца почти в 4 раза далее Сатурна! По¬
этому я с уверенностью решаюсь предсказать ее
возвращение в 1758 г. Если она вернется, больше
214
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ ОПТИКА

не будет никакой причины сомневаться, что и дру¬
гие кометы должны снова возвращаться к Солнцу."
Завершим мы свой короткий рассказ об открытии
периодичности движения комет выдержкой из ин¬
тересной книги профессора К.И.Чурюмова "Коме¬
ты и их наблюдение".
"Галлей оказался совершенно прав. Французские
математики и астрономы Клеро, Лаланд и Гор¬
тензия Лепот проделали колоссальную вычисли¬
тельную работу, чтобы определить очередное
прохождение этой кометы через перигелий. По
их расчетам это должно произойти 13 апреля
1759 г. с возможной ошибкой около месяца. И
комета вернулась почти точно по расписанию"
(на месяц раньше -13 марта 1759 г.), "подтвер¬
див расчеты французских ученых, а тем самым и
закон всемирного тяготения Ньютона. В честь
единственной женщины, участвовавшей в этой
трудоемкой вычислительной работе, именем ее
был назван новый цветок, привезенный Лежанти-
лем из Индии в Европу. А за первой периодичес¬
кой кометой прочно закрепилось название коме¬
ты Галлея".
В каталоге Бальде и Обальдия зарегистрировано
763 примерно из 2000 появлений комет за всю ис¬
торию их наблюдений. Но только 540 из них раз¬
личны. Большинство (353) имеют почти параболи¬
ческие орбиты, 63 - гиперболические, 56 - боль¬
шие эллиптические и 68 - малые эллиптические с
периодом обращения менее 15 лет. Трудно ска¬
зать, какой максимальный период для больших эл¬
липтических орбит. Мы уже упоминали о прогнозах
относительно повторного посещения земного про¬
странства кометой Хейла-Боппа. Предполагается,
что это состоится через 2,5 тысячи лет. Уму непо¬
стижимо, как может такое небольшое по массе те¬
ло удерживать гравитационную связь с Солнцем?
Какой предел возможного удаления от него с по¬
следующим возвращением? Все ли кометы со дня
их рождения и до настоящего времени принадле¬
жат Солнечной системе? 63 гиперболические ор¬
биты, занесенные в каталог Бальде и Обальдия,
могут возникнуть под влиянием гравитационных
полей планет, будучи до сближения с ними эллип¬
тическими. А может, некоторые кометы, при¬
шельцы из далекого космоса, были захвачены
Солнцем? Если их орбита окажется гиперболичес¬
кой не только у перигелия, они, погостив неко¬
торое время в Солнечной системе, снова отправят¬
ся в космическую бездну Вселенной. Такие же рас¬
суждения можно привести и относительно парабо¬
лических орбит.
Наблюдения комет являются главным источником
аргументов, определяющих истинное место и роль
этих объектов среди больших и малых планет Сол¬
нечной системы. Несмотря на, в общем, отрица¬
тельное отношение человечества к кометам, науч¬
ная истина постепенно пробивалась сквозь толщу
суеверий и предвзятых мнений, подчас даже обра¬
зованных людей.
В средние века систематические наблюдения за
кометами проводил известный астроном Регио¬
монтан (1436-1476 гг.). В следующем веке астро¬
ном Апиан, наблюдая в 1531 году за кометой Гал¬
лея (естественно, тогда она не имела этого назва¬
ния), установил, что ее хвост всегда направлен в
противоположном Солнцу направлении, хотя объ¬
яснить этого не смог. Теперь уже хорошо извест¬
но, что такая ориентация хвоста вызвана действи¬
ем солнечного излучения и солнечного ветра, —
потока выбрасываемых атмосферой Солнца прото¬
нов, электронов и ионизированных атомов, в ос¬
новном ионов гелия.
Если бытъ точным, кометные хвосты не являются
строго прямыми, особенно вблизи перигелия, где
скорость кометы максимальна. В силу инерции
движения более удаленные от ядра части хвоста
отстают от частей, расположенных ближе к нему.
На рис. 128 показана зарисовка облета Солнца
большой кометой 1843 г. и форма хвоста в раз¬
личные часы на протяжении одних суток. Вблизи
перигелия за три часа она прошла угловой путь в
150°, что в линейном выражении составляет 4 млн
км. Максимальная изогнутость хвоста вблизи пе¬
ригелия, т.е. на отрезке максимальной скорости
движения.
ЗА8ЖМАТЕ11ІАІ ОПТИКА
215

Атмосферная п космическая оптика
Выдающийся астроном позднего средневековья
Тихо Браге (1546 -1601 гг.) вместе с коллегами и
учениками предприняли шаги для определения
расстояния до кометы 1577 года. С этой целью за¬
секалось ее положение относительно неподвижных
звезд с двух точек земной поверхности. Они уста¬
новили, что комета находится дальше Луны и
представляет собой самостоятельное небесное те¬
ло, а не является конденсатом земных испарений,
как полагал Аристотель.
Время делало свое. От единичных наблюдений не¬
бесных тел люди постепенно осознавали необхо¬
димость коллективных действий для получения от¬
ветов на волнующие вопросы. Тихо Браге был пер¬
вым на этом пути, а менее чем через год, в 1664 г.,
когда жители северного полушария заметили на
небосклоне очень яркую длиннохвостую пришели-
Легенды и мифы
Число комет Солнечной системы оценивается ог¬
ромной цифрой -1015! Каждый год их обнаружи¬
вают по несколько штук. Не удивительно, что при
такой частоте посещения земной орбиты хвостаты-
Рис. 128
Большая комета
1843 г.
цу, как и в прежние века, царственные особы тут
же приняли ее появление на свой счет. Португаль¬
ский король Альфонс VI и король Франции Людо¬
вик XIV, которого хорошо знают читатели по рома¬
нам Александра Дюма, в своих высказываниях бы¬
ли уверены, что комета пришла именно за ними.
С перепугу Людовик XIV, сам того не подозревая,
сделал доброе дело. В 1665 г. он велел собратъ в
Париже ученых разных стран для обсуждения си¬
туации и вьщачи ответов на вопросы: что же пред¬
ставляют собой кометы, где и как они возникают,
почему вызывают сумятицу в человеческом об¬
ществе, влияют ли они на здоровье царственных
особей и если так, то каким образом. Нежданно-
негаданно король Франции стал организатором
первого в истории человечества астрономического
съезда •
ми "звездами" любое событие можно увязать с оп¬
ределенной кометой. Человеческая фантазия ока¬
залась неистощимой при описании вида комет, их
размеров, деталей строения и цвета свечения. К
примеру, на рис. 129 приведены формы хвостов,
чаще всего упоминавшихся в рассказах "очевид-
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ Н Н Т Н К А

Кометы
цев". Все они представлялись в виде меча, а голо¬
ва кометы служила его рукояткой. Этот рисунок, а
также ряд других сведений, мы заимствовали из
блестящей научно-популярной книги о кометах До¬
нальда Йоуманса: "Кометы: хронологическая исто¬
рия наблюдений, наука, мифы и фольклор", уви¬
девшей свет в 1991 г.
Начиная с древнейших времен, люди приписывали
кометам качества зловещих знамений, предшест¬
вующих крупным общественным потрясениям: за¬
сухам, войнам, эпидемиям, вулканическим извер¬
жениям, землетрясениям. Такая оценка влияния
комет на судьбы отдельных людей и целых наро¬
дов побуждала государственных деятелей заводитъ
целую кометную службу в виде совета придворных
астрологов.
Старые хроники свидетельствуют, что почти всегда
одновременно со смертью какой-нибудь знамени¬
тости среди обычных звезд обнаруживали хвоста¬
тую. В такую вилку попал Юлий Цезарь, который
был убит в 44 г. до н.э., когда на небе появилась
большая яркая комета; император древнего Рима
Константин (362 г. н.э.), вождь гуннов Атилла (453 г.),
основатель ислама Магомет (632 г.), король Фран¬
ции Людвиг Благочестивый (837 г.), польский ко¬
роль Болеслав I (1198 г.), император Германии
Фридрих II (1250 г.), римские папы - Иннокентий
IV (1254 г.) и Урбан IV (1264г.) идр.
Бывало, комета появлялась не одновременно, а
несколько позже после происшедшего события,
оставившего глубокий след в жизни людей. Тогда
ее рассматривали не как предупреждение, а как
наказание за допущенные грехи. Так квалифициро¬
вали христианские служители церкви захват турка¬
ми Константинополя, превращение храма святой
Софии в мечеть и истребление жителей города.
Комета появилась лишь в 1456 г., т.е. через три
года после разгрома христиан турками, но никто
из оставшихся в живых не сомневался, что виной
всему была комета, хвост которой занимал не ме¬
нее двух третей небесного свода.
Интересная запись о комете Галлея 1066 г. в "Пове¬
сти временных лет" летописца Киевской Руси Не-
Рис. 129
Формы кометных хвостов по народным
преданиям
стора: "В это время было знамение на западе, звез¬
да превеликая лучи имела как будто кровавые, вос¬
ходила с вечера после солнце заката и была 7 дней;
потом были междоусобные войны и нашествие по¬
ловцев на Русскую землю, когда бывает кровавая
звезда, она всегда предвещает кровопролитие".
Кровавые события в 1066 г. произошли не только
в Киевской Руси. Армия английского короля Га¬
рольда была разгромлена под Гастингсом нор¬
мандским герцогом Вильгельмом-завоевателем.
Это послужило некоторым историкам поводом ут¬
верждать, что Англию завоевали норманны во гла¬
ве с кометой, а жена Вильгельма на радостях вы¬
ткала огромный гобелен, на котором была изобра¬
жена комета вместе с подданными ее мужа на од¬
ной половине, а на второй - побежденный король
и его астролог, обсуждающие возможные послед¬
ствия грозного предзнаменования.
3 А Н И М А Т Е П Ь И A II ОПТИКА

Атмосферная п космическая оптика
Как и во всякой другой стране в Киевской Руси на
протяжении всего периода ее существования не
было недостатка в исторических событиях. Вместе
с очередными двумя появлениями кометы Галлея в
1145 и 1222 гг. они были отражены в Ипатьевской
и Лаврентьевской летописях.
Но, как ни странно, были и редкие исключения из
общего потока брани и проклятий в адрес комет.
Римский император Август был одним из немногих
людей, для которых появление кометы было хоро¬
шим предзнаменованием. Вопреки всеобщему
мнению, он зашел так далеко, что одну из них при¬
казал почитать в римском храме. По-видимому,
это была та комета, с которой связывают гибель
Юлия Цезаря, приемного отца Августа. Появление
кометы, считал Август, это провозглашение о при¬
нятии души Цезаря в сообщество бессмертных.
Поэтому к бюсту Цезаря он добавил изображение
кометы. Философ П. Гассенди (1592 -1655 гг.)
говорил всему миру: "Кометы действительно
страшны, но только вследствие нашей глупости.
Мы самым бескорыстным образом выдумываем
предметы безотчетного страха и, не довольствуясь
действительными своими бедствиями, прибавляем
к ним еще воображаемые".
Если в наше время большинство людей радуется
появившейся возможности наблюдать красивое
зрелище в виде яркого пушистого кометного хвос¬
та, то в прошлом оно вызывало не только страх, но
и порождало рассказы о несуществующих ведени¬
ях в ядрах комет и кометных хвостах. У них ведели
кровавые кресты, отрубленные головы, мечи, горя¬
щие кинжалы и другие, не вызывающие восторга
вещи. В книге К.И.Чурюмова приводится интерес¬
ная цитата из сочинения известного французского
хирурга XVI века Амбрауза Паре, в которой он опи¬
сывает комету 1528 г.:
"Эта комета была столь ужасна и страшна, и по¬
рождала в народе столь великое смятение, что не¬
которые умирали от одного лишь страха, а другие
заболевали. Она представляла собой светило гро¬
мадной длины и кровавого цвета; в вершине ее
была сжатая рука, держащая длинный меч, как бы
готовый разить. У конца его клинка были ведны
три звезды. По обе стороны лучей, выходящих из
хвоста этой кометы, виднелось множество топо¬
ров, ножей, мечей, обагренных кровью, а среди
них были ведны ужасные человеческие лица со
всклоченными бородами и дыбом стоящими во¬
лосами".
Чего можно наслушаться от необразованного про¬
столюдина того времени, если такой образованный
человек, какАмбруаз Паре обнародовал печатным
словом подобную несусветицу.
Людовика XIV вред ли можно признать полным не¬
веждой. Несмотря на то что в 1664 году он без ни¬
каких последствий счастливо пережил появление
большой кометы, новая гостья в 1680 году снова
заставила его трепетать из-за боязни подвергнуть¬
ся наказанию за бесчинства, творимые при дворе
с его активным участием. В его предворной хрони¬
ке записано: «Уже три дня, как все трубы наведены
на небо. Новая комета, какой еще не ведели в но¬
вейшие времена, день и ночь занимает ученых му¬
жей нашей Академии. В городе царит большой
страх; робкие люди ведят в этом светиле знамено-
вание нового потопа, потому что, как они утверж¬
дают, наводнение всегда предвещается огнем; но
для меня это может показаться убедительным, —
пишет автор хроники, — когда господин Кассини
потрудится мне это доказать." Ведимо, придвор¬
ный Людовика XIV был не из робкого десятка. И
далее: "Но между тем, как трусы пишут духовные
завещания и в веду близости конца мира отказы¬
вают свое имущество монахам, двор сильно за¬
нят вопросом о том, не предвещает ли это блуж¬
дающее светило смерти какой-нибудь великой
личности, подобно тому, как по словам истори¬
ков была возвещена таким образом смерть рим¬
ского диктатора. Некоторые из храбрых предвор-
ных смеялись вчера над этим мнением, брат Лю¬
довика XIV, ведимо, боявшийся, как бы не сде¬
латься вдруг Цезарем, довольно холодно возра¬
зил на это: "Хорошо вам, господа, шутить, вы не
принцы".
Но время делало свое. Наука развивалась все быс¬
трее и шире, захватывая новые области знаний.
XVIII век был дальнейшим этапом в ее развитии, в
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ I П Т И К А

Кометы
Рис. 130
Комета разрывает
Землю
том числе астрономии. Несмотря на ее значитель¬
ные успехи, старые предрассудки, связанные с ко¬
метами и другими небесными явлениями, не толь¬
ко не исчезали, но продолжали укореняться и об¬
растать новыми деталями. Вместо бытовавших до
сих пор различного рода предупреждений на пер¬
вый план вылезла боязнь, что комета может столк¬
нуться с Землей и все живое погибнет. Не обо¬
шлось и без подсказок безответственных типов.
Например, английский теолог Джон Весли исполь¬
зовал появление кометы Галлея для предупрежде¬
ния верующих о необходимости заключить с Богом
мир. В противном случае комета врежется в Зем¬
лю и начнется апокалипсис, то есть конец мира.
Подобные заявления теологов вряд ли должны вы¬
зывать удивление. Но когда они исходят от настоя¬
щего ученого, возникает желание отвадить его от
науки да еще и задать хорошую трепку. В 1873 го¬
ду французский астроном Йозеф Жером, занимав¬
шийся внесением поправок в таблицу посещения
кометой Галлея земной орбиты, наделал много
шума своей лекцией в Париже на тему: "Отраже¬
ние тех комет, которые могут достичь земной по¬
верхности". Читая ее, он заявил, что 20 мая комета
может разрушить Землю. Представьте себе, что
сегодня или завтра нечто подобное сообщит на
лекции современный ученый. Сколько бы это наде¬
лало шума и более серьезных неприятностей, не¬
смотря на высокий уровень образованности людей
нашего времени. Реакция французского художника
на безответственное заявление Жерома показана
на рис. 130.
Мы приводили примеры из жизни европейских на¬
родов. А как смотрели на комету американские ин¬
дейцы в далекие годы завоевания их городов ис¬
панскими конкистадорами? Оказывается, у них су¬
ществовали свои представления о кометах, отлич¬
ные от европейских. Правда, отличия эти не явля¬
ются принципиальными. У индейцев главным бо¬
гом было Солнце. Они считали, что оно ставит пе¬
ред кометой задачу предупреждать коренное насе¬
ление о вторжении испанского конкистадора
Франсиско Писарро, который в 20-х годах XVI века
предпринимал две экспедиции для завоевания го-
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ I I Т I I 1

Атмосферная и космическая оптика
сударства инков (территория нынешнего Перу), но
неудачно. И вот после появления в небе Земли ко¬
меты Галлея (1531 г.) и получения разрешения от
испанского короля на новый поход Писарро
удалось завоевать и разграбить государство инков.
Знамение кометы Галлея в определенной степени
относили и к судьбе Писарро. Уже после того, как
она изрядно удалилась от перигелия, он был убит
представителями конкурирующей группы конкиста¬
доров, возглавляемой Альмагло.
Жрецы и правитель ацтеков Монтесума были так на¬
пуганы кометой, что не решились предпринимать
активных действий против испанских завоевателей,
пока комета была видна на небесном своде. Этого
времени было вполне достаточно главному испан¬
скому завоевателю Кортесу, чтобы превратиться в
беловолосого мифического ацтекского бога.
Интересны предания начала христианского перио¬
да и средних веков о Вифлеемской звезде, по¬
явившейся во время рождения Иисуса Христа. За¬
долго до его рождения люди выработали потреб¬
ность увязывать земные события с редкими атмо¬
сферными и космическими явлениями, в том чис¬
ле с появлением комет. Не удивительно, что у не¬
которых народов, и прежде всего христианской ве¬
ры, Вифлеемская звезда отождествлялась с коме-
Jlumepamypa и искусство
Кометы занимают видное место в художественной
литературе и искусстве. Песнь о Гильгамеше -
свидетельство того, что уже в бытность примитив¬
ной клинописи древние жители Месопотамии не
ограничивались устным народным творчеством, но
стремились воплотить свои мысли, переживания,
подвиги народных героев в художественных произ¬
ведениях, с которыми могли бы ознакомиться гря¬
дущие поколения.
Жители древнего Вавилона, Ассирии, Шумера,
Халдеи в своей астрологической практике часто
обращались к небу и его светилам. Кометы они
считали очень серьезным фактором, о чем оста¬
лись записи на сохранившихся глиняных таблич-
той. Такого мнения придерживался и христианский
писатель Иоанн Дамаскин, который вел отчаянную
борьбу с представителями религиозного направле¬
ния, отвергающими изображения бога в культовых
сооружениях и частных зданиях.
Вспомнив об Иоанне Дамаскине, мы не можем ос¬
тавить без внимания трагический исход его борь¬
бы с иконоборцами, среди которых был даже ви¬
зантийский император. Богослов Иоанн находился
при мусульманском правителе Дамаска, поэтому
достать его византийскому императору было не
просто. И он пошел на подлость (неотъемлемое
качество императоров): послал правителю Дамаска
письмо, в котором ложно утверждал, что Иоанн,
будучи христианином, давно продал ему всех му¬
сульман с потрохами. Письмо сработало: разгне¬
ванный правитель Дамаска приказал отрубить Ио¬
анну правую руку и повесить ее для всеустрашения
на городских воротах. Иоанну ничего не остава¬
лось, как запереться в одном из иерусалимских
монастырей и полностью предаться составлению
богословских сочинений и духовной музыки.
Мысль о том, что Вифлеемская звезда была коме¬
той, отстаивалась популярными авторами средне¬
вековья. Такими, например, как Якуб Вораджин,
который в своей "Золотой легееде" появление ко¬
меты считал предвестником гибели короля •
ках. Ученый Фред Уиппл полагает, что на одной из
них, датированной 163 г. до новой еры, записано
появление кометы Галлея. Эта табличка хранится в
Британском музее. Египетские жрецы в своих па¬
пирусах также не обходят кометы молчанием.
В "Илиаде" Гомер писал: "Красная звезда, брызга¬
ющая на Землю своими пылающими волосами бо¬
лезни, эпедемии и войны."
Писатель древнего Рима Плиний Старший описы¬
вает войну между Цезарем и Помпеем как следст¬
вие появления кометы в 48 г. до новой еры. Рож¬
дение царей, их смерть, восшествие на престол,
потеря престола, - все это могло быть предопре¬
делено появлением кометы. Если же этого не про¬
изошло, комету следовало придумать. Причина
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ О П Т И К А

Кометы
всех этих перипетий оказывается не в человечес¬
ких взаимоотношениях, а заключена в действии
небесных сил, причем враждебных.
Римский историк Светоний Транквилл Гай (ок. 70—
160 г.), автор "Жизнеописания двенадцати цеза¬
рей", сообщает, что комету 44 года люди считают
душой Юлия Цезаря. Кроме Светония и Плиния
Старшего, об этой комете писали Таций, Вергилий
и другие авторы, подчеркивая при этом, что коме¬
та указывает дорогу к царским могилам.
Хоть, бывало, просвещенные римляне и посмеива¬
лись над народными преданиями, император Вес-
пасиан Тит Флавий (9-79 гг. нашей эры) призна¬
вал значимость таких событий, как появление ко¬
меты, однако относил их к другим лицам. За не¬
сколько месяцев до его смерти в небо Земли по¬
жаловала хвостатая гостья. В этой связи Веспаси-
ан заявил своим приближенным: "Эта хвостатая
звезда меня не касается. Скорее всего, она угро¬
жает Парфянскому царю, имеющему волосы на го¬
лове, а я лысый." До самой смерти он с иронией
упоминал о комете 79-го года.
В средние века, особенно в Италии, было принято
пользоваться изображениями комет в родовых гер¬
бах и эмблемах. Возможно, обладатели этих зна¬
ков отличий хотели подчеркнуть связь с космичес¬
ким миром, свою возвышенную духовность. Пик
использования комет в геральдических целях при¬
ходится на XVI век.
Важность появления комет в этом столетии нашла
свое отображение и в монументальной живописи.
Этой проблеме посвящена монография Робертины
Олсон. Кометной теме посвятили свои произведе¬
ния такие выдающиеся художники, как Альбрехт
Дюрер, Рафаэль, Джотто, Самюэль Скотт, Герман
Галл, Лукас Ван Лейден, Герман Сафтлевен, Томас
Ровлаедсон, Джон Мартин, Вильям Турнер, Гюстав
Моро, Василий Кандинский, Руфино Тамано, Гри¬
горий Нарбут и другие.
Художники сопровождают изображениями комет
картины гнева божьего, а литераторы не забывают
напомнитъ людям комету, которую по библейской
легенде бог послал для уничтожения древних па¬
лестинских городов Содома и Гоморры, жители ко¬
торых вели развращенный образ жизни. На самом
деле эти города были разрушены землетрясением.
В таком же духе была иллюстрирована Вергилиева
Энеида в издании 1502 г. Себастьяна Бранта. Во¬
лосатая звезда, повисшая над городом, символи¬
зирует неотвратимость гибели Трои. Комета вос¬
принимается как посланный Юпитером приказ
Анаизу и Энею оставитъ город. Ироничное исполь¬
зование образа кометы Вергилием сопровождает
смерть царя Приама и разрушение Трои.
В перелицованной Котляревским Вергилиевой
Энеиде на украинский язык, первое издание кото¬
рой появилось в 1798 году, комета не привлекает¬
ся для устрашения или наказания украинских каза¬
ков за грехи земные. Писатель не счел их значи¬
тельными и с большой теплотой описал приключе¬
ния Энея и его сподвижников.
В одном из своих сочинений Роджер Бекон описы¬
вает, как комета 1264 года, появившись в созвез¬
дии Рака, двигалась в направлении к планете
Марс, что отвечает его воинственной природе, от¬
личительными признаками которой были междо¬
усобицы и войны. В описании Бекона комета име¬
ла ужасный вед, вызвала враждебные отношения
между государствами, войны в Англии, Испании,
Италии и других землях, где многие христиане ис¬
пытали резню, кровопролитие, погибали ужасной
смертью.
Мартин Лютер считал кометы звездами-проститут-
ками, изготовленными дьяволом. Язычники пишут,
говорил он, что кометы должны возникать из есте¬
ственных причин и явлений природы, но бог не со¬
здает ничего такого, что нарушает покой, следова¬
тельно, они являются творениями зла.
Последователь Лютера лютеранский епископ Ан¬
дреас Целихиус в сочинении "Теологическая па¬
мять новой кометы" (1578 г.) высказывает иную
точку зрения, представлявшую мнение большин¬
ства людей в период позднего средневековья:
"...Густой дым человеческих грехов, умно¬
жающихся каждый день, каждый час, каждое
мгновенье, полон смрада и ужаса перед лицом
ЗАІИМАТЕІЬІДЯ ОПТИКА
221

Атмосферная и космическая оптика
господа и, становясь постепенно настолько плот¬
ным, что формирует комету, которая в конце кон¬
цов воспламеняется от жаркого горящего гнева
высшего небесного судьи."
Нам неизвестно, знакомился венгр Андреас Дудич
(1533—1589) с сочинением Целихиуса или нет, но
его мнение было вполне резонным ответом на за¬
ключение современника. "Если бы кометы были
следствием грехов, они всегда были бы в небе, но
этого же нет”,— говорил Дудич. Действительно,
грехов на Земле всегда было предостаточно, а ко¬
меты появляются не каждый день.
Пример разрушения и смерти символизирует боль¬
шая комета на акварели Гюстава Море "Смерть Фаэ¬
тона" (рис. 131). Библиотека Море приводит к выво¬
ду, что он был сведущ в научных исследованиях.
Пользуясь бестселлером Фламмарионна, популяр¬
ной астрономией, широко известной миру в 19 и в
начале XX века,- Море изучил карту звезд и поло¬
жил ее в основу своей картины: комета пересекает
созвездия Льва, Гидры, Эридана и Возничего, поте¬
рявшего свою карету, как и Фаэтон. Имеется пред¬
положение, что Море наблюдал за кометой Донати
в 1878 г. или Теббата в 1861 г. Две кометы, вклю¬
чая слабую комету Энке, действительно были вид¬
ны невооруженным глазом в 1878 г., тогда, когда
Море рисовал свою картину.
Итальянский художник Джотто из Падуи написал
картину "Поклонение волхвов" (рис. 132), название
которой точно передает ее содержание. Мария
держит руками на коленях новорожденного, справа
от нее Моисей, слева стоит ангел. Один из волх¬
вов преклонил колени перед Иисусом Христом, ос¬
тальные приветствовали стоя. Над головами
Моисея, Марии, Иисуса небольшая деревянная
крыша, над которой изображена комета 1301 года.
Сначала художник изобразил звезду, но потом под
недавним впечатлением кометы, приделал Вифле¬
емской звезде хвост.
Мы завершим свой рассказ о месте комет в литера¬
туре и искусстве вццающимся американским писа¬
телем Марк Твеном. Он родился в 1835 г. при оче¬
редном появлении кометы Галлея. В своем сочине¬
нии "Янки при дворе короля Артура" Марк Твен пи¬
сал, что отчаянно хотел бы дожить до нового возвра¬
щения кометы Галлея, а потом вместе с тем и уме¬
реть. Сердечные приступы не давали ему покоя. О
том, что комета вот-вот появится снова, знали ас¬
трономы, знал и Марк Твен. Желание писателя осу¬
ществилось. Его жизнь оборвалась 21 апреля 1910 г.,
через один день после того, как комета прошла пе¬
ригелий. "Всевышний сказал бы по этому поводу, —
пишет Р. Олсон,— как появились одновременно два
феномена, так одновременно они должны и уйти."
Но, к сожалению, Марк Твен ушел навсегда, а коме¬
та Галлея уже возвращалась после его смерти и еще
много-много раз порадует своим величественным
серебристым хвостом новые поколения людей •
222
3 А Н И М А Т Е И Ь И А Я ОПТИКА

Кометы
Рис. 132
Комета на картине Джотто из
Падуи "Поклонение волхвов"
Строение комет
Все кометы, с некоторыми отклонениями в дета¬
лях, построены по одному и тому же образцу (рис.
133). В середине твердое ядро, размеры которого
не превышают нескольких десятков километров.
Увидеть его невозможно из-за окружения плотной
атмосферой, которую наблюдают визуально и по¬
лучают на фотоснимках. Эта плотная оболочка на¬
зывается фотометрическим ядром. Обрабатывая
фотопластинку с негативным изображением ядра
по максимальной плотности почернения, соответ¬
ствующей максимальной яркости свечения, опре¬
деляют центр масс кометы, хотя точка максималь¬
ной яркости не всегда совпадает с этим центром.
Фотометрическое ядро окружено туманной оболоч¬
кой, внешне размытой и сливающейся с небесным
фоном, край которой отстоит от центра на сотни
тысяч километров. На рис. 133 это расстояние
примерно равно 1 млн км. Эта оболочка называет¬
ся комой. Упомянутые элементы составляют голову
кометы. На больших расстояниях от Солнца видна
только голова кометы.
В последние десятилетия, благодаря использова¬
нию космических аппаратов и фотографированию
в ультрафиолетовом свете, удалось обнаружить ог¬
ромных размеров неводимую в обычном излуче¬
нии водородную кому.
Кометный хвост — наиболее привлекательная для
миллионов зрителей часть кометы - начинает
расти только с приближением ее к своему пери¬
гелию и может достигать десятков миллионов ки¬
лометров. Не удивительно, что вероятность заце¬
пить Землю своим хвостом у кометы далеко не
равна нулю. Так и получилось в 1910 году, когда,
в соответствии с предсказаниями американских
ученых, Земля пересекла хвост кометы Галлея на
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ ОПТИКА
223

Рис. 133
Атмосферная о космическая оптика
Строение кометы:
1 — твердое ядро,
2— фотометрическое
ядро,
3	— туманная
оболочка
(кома),
4	- водородная
кома,
5	— хвост
расстоянии 22,5 км от ядра. Никаких негативных
последствий не возникло, несмотря на то что в
ядре кометы имеются цианистые соединения. Их
не возникло и при прохождении близко к Земле в
июне 1863 г. кометы Теббата, хвост которой пре¬
вышал 118 градусов и Земля попала в него вме¬
сте с Луной. Комета Теббата прошла значительно
ближе к Земле, чем комета Галлея в предпослед¬
нее прохождение земной орбиты. Кроме вызван¬
ного слабого полярного сияния, никаких замет¬
ных изменений в атмосфере Земли не произош¬
ло. В ходе сближения с Солнцем наибольшие из¬
менения происходят в хвостах комет. С повыше¬
нием температуры ядра становится возможным
выброс более тяжелых молекулярных образова¬
ний и пылевых частиц, каждый сорт которых об¬
разует свой хвост. Пример подобных преобразо¬
ваний приведен на рис. 134. Крайний слева
снимок соответствует началу наблюдений. Следу¬
ющие получены через один, два и три часа. Вы¬
зывает удивление симметрия в расположении
элементов хвоста, ведь ядро кометы обычно вра-
Рис. 134
Четырехфазная
схема образования
структуры в хвосте
кометы
224
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ ОПТИКА

щается вокруг некоторой оси, вследствие чего
такие детали должны смазываться.
Главной проблемой в изучении комет является
состав ядра. Предполагается, что оно состоит
изо льда воды, углекислого газа и заморо¬
женных соединений HCN, CH3CN, HC?N, HCgN и
др. В них вкраплены частицы пыли минерально¬
го состава и металлов. Они могут образовывать
отдельные слои, чередующиеся со слоями льда.
Возможно также наличие крупных камней.
Спектры комет
Первое визуальное спектроскопическое наблюдение
кометы 1864II Темпел провел Джованни Донати.
Три полосы принадлежат спектру испускания моле¬
кулярного углерода С2. Их резкие края расположе¬
ны при длинах волн X = 5635, 5165 и 4737 А, соот¬
ветственно. Впервые сфотографировал спектр ко-
С приближением к Солнцу ядро нагревается,
размороженные газы вырываются из адра и под
действием светового давления образуют хвост
кометы.
Массы кометных ядер колеблются в очень широких
пределах - от нескольких тонн до миллиардов, а
возможно, и тысяч миллиардов тонн. Из всех изве¬
стных комет самое большое ядро у кометы Хейла-
Боппа. Его поперечник достигает примерно 40 км,
а масса оценена в 27-1013 тонн •
меты 1881 III англичанин Хеггинс. Он определил
принадлежность полос с максимумами при X = 3883
и 4216 А молекулярному циану CN и полосу X =
4737 А двухатомной молекуле углерода С2. Не под¬
давшаяся вначале идентификации полоса с макси¬
мумом при X = 4050 А излучается молекулой С3.
Видимый спектр кометы Туттля, зарегистрирован¬
ный Хеггинсом и Керри 4 ноября 1980 г., приведен

Рис. 136
Атмосферная о космическая оптика
Спектр излучения
кометы
Хейла-Боппа
350	550
на рис. 135. Верхний спектр получен при наведении
колиматорного объектива спектрального прибора на
центр головы кометы, нижний — при наведении на
участок, удаленный от центра на расстояние 25 тыс.
км. Как и следовало ожодатъ, в первом случае ин¬
тенсивность сплошного фона и спектральных линий
выше, чем во втором, поскольку больше концентра¬
ция излучающих центров.
Непрерывный фон создается рассеянием и диффуз¬
ным отражением солнечных лучей от частичек пыли,
а также взаимным перекрытием спектральных полос
излучения различных молекул. Некоторые из них
обозначены над максимумами отождествленных
спектральных линий. В облаетъ ближнего ультрафи¬
олета и видимую часть спектра могут попадать по¬
лосы более слабой интенсивности не только двуха¬
томных, но также многоатомных молекул.
Ядро кометы холодное. Только с приближением к
Солнцу его оболочка нагревается и происходит
бурное выделение газово-пылевой смеси. Начина¬
ется образование хвоста и увеличение размеров
головы. Молекулы и молекулярные ионы под дей¬
ствием квантов солнечного излучения переходят из
нормального электронного состояния в возбужден¬
ные электронно-колебательные состояния, а затем
возвращаются обратно, излучая кванты света. На
представленной выше спектрограмме самая ин-
750	л, нм
тенсивная полоса излучения принадлежит циану с
длиной волны максимума X = 3883 А, а длинно-
волновее ее расположено еще два максимума той
же молекулы. Очень богат спектр двухатомной мо¬
лекулы углерода С2. Зарегистрирован также вто¬
рой по интенсивности после циана максимум тре¬
хатомной молекулы углерода С3 и максимумы ра¬
дикалов ОН, СН, NH.
Как и следовало ожидать, в спектре излучения ко¬
меты Хейла-Боппа также регистрируются главным
образом линии двухатомных молекул С2, CN и СН
(рис. 136).
В настоящее время спектроскопия комет, благода¬
ря внедрению в астрофизику космической техники,
достигла выдающихся результатов. В составе комет
обнаружены атомы многих металлов и металлои¬
дов, ионы двухвалентных и трехвалентных молекул.
По обнаруженным радикалам установлено наличие
более сложных молекул, чем трехатомные. Они
составляют группу так называемых материнских
молекул. Под действием коротковолнового излуче¬
ния Солнца эти молекулы могут диссоциировать на
более простые радикалы, свечение которых фор¬
мирует регистрируемые спектры. К таким молеку¬
лам Ф. Уиппл относит метан СН4, аммиак NH3 ди¬
циан C2N2, углекислый газ С02 и воду Н20. Некото¬
рые авторы, в частности, украинский астроном
зяіимитЕдьідя оптика

Кометы
В.И.Чередниченко, к группе материнских молекул
прибавили, кроме двухатомной окиси азота N0,
трехатомные молекулы N20, HCN, НСО, более
сложные молекулы - НСОО, СН30, С2Н50, CH3CN,
NCO, а также гидраты типа СН4 • 6Н20; С02 • 6Н20.
Энергия диссоциации у сложных молекул, обладаю¬
щих наряду с одинарными химическими связями,
двойными и тройными связями, может бытъ значи¬
тельно меньше, чем у простых молекул. В качестве
примера Л. Шульман приводит молекулу дицианаце-
тилена NC-C=C-CN. Тройная связь у нее образуется
6-ю электронами, а одинарные - только двумя. По¬
этому такая молекула легко диссоциацирует на два
радикала CN и молекулу углерода С2. Тот же эффект
могут дать молекулы азобензола CgHj-Nj-CgHg и
триазотноуксусной кислоты N2 = N-CH2-COOH, от¬
носящиеся к взрывным веществам. Под действием
солнечной радиации их взрыв может привести к вы¬
бросу адром фонтана пыли и частичек лада, что
должно сопровождаться вспыпжами яркости головы
кометы.
Вспышки блеска кометы даже в течение одной но¬
чи обнаружили сотрудники Киевской астрономиче¬
ской обсерватории Академии наук Украины при об¬
работке данных наблюдений кометы Бахарева.
Не все астрономы и астрофизики придерживаются
мнения о принадлежности простых молекул Н20,
СН4, NH3 и др. к группе материнских, мотивируя
свои возражения тем, что время жизни их до фо¬
тодиссоциации значительно превышает времена
изменения интенсивностей линий излучения воз¬
никших радикалов. Как это следует понимать?
Предположим, в результате нагревания ядра нача¬
лась сублимация молекул Н20, СН4, NH3 и других
простых молекул. До фотораспада каждая из них
живет некоторое время в газовом потоке, не рас¬
падаясь под действием лучей Солнца. Можно гово¬
рить об определенном среднем статистическом
времени жизни. Параллельно с равномерным про¬
цессом сублимации будет идти процесс фотодис¬
социации и смещенный в начальный период на
упомянутое время жизни процесс возбуждения и
высвечивания возникающих радикалов. Он, как ме¬
нее инерционный по отношению к процессу диссо¬
циации, должен точно повторять его: замедление
сублимации должно повлечь за собой уменьшение
интенсивности свечения радикалов и наоборот.
Моделируя в лабораторных условиях ледяные адра
различных химических веществ, Е.А. Каймаков ус¬
тановил нарушение такой корреляции: времена из¬
менения интенсивностей спектральных линий ра¬
дикалов оказались в 10 раз меньше времен фото¬
диссоциации материнских молекул.
В качестве альтернативы Е.А. Каймаков предложил
свою концепцию происхождения материнских моле¬
кул. "Под действием солнечного и других видов из¬
лучений" (под другими ведами можно понимать
корпускулярное излучение Солнца, т.е. солнечный
ветер) "происходит синтез из находящихся в ядре
химических соединений таких сложных молекул, как
нитрилы, альдегеды, карбоновые и аминокислоты.
От них тем же излучением и отщепляются дочерние
молекулы-радикалы, спектры которых регистриру¬
ются приборами”. А почему бы не предположитъ,
что сложные по составу органические молекулы уже
были в составе оболочки кометного адра?
В последнее посещение кометой Галлея земной ор¬
биты на космических зондах "Вега" и "Джотто" были
установлены масс-спектрометры, которые зарегист¬
рировали вблизи адра кометы наличие пылевых час¬
тиц (примерно 50% от общего числа), состоящих из
органических соединений типа полимеров, нелету¬
чих в вакууме при температуре, ниже -200°С. По по¬
лученным оценкам приток органического вещества
из космоса в атмосферу Земли составляет 102—105
тонн в сутки. Таким образом, гипотеза БА. Каймако-
ва в какой-то мере подтверждается масс-спектро-
скопическими измерениями, однако окончательных
выводов относительно химического состава мате¬
ринских молекул пока сделать нельзя. К.И.Чурюмов
считает, что"... проблема родительских молекул, из
которых состоят кометные адра, возможно, будет
разрешена только путем посылки космического ап¬
парата к адру кометы, сближения и возможной по¬
садки аппарата на адро, на котором будет произве¬
ден химический анализ кометного грунта или же ко¬
метное вещество, набранное в специальную капсу¬
лу, будет впоследствии доставлено на Землю, где и
будет произведен его окончательный анализ" <
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ II II I Н К А
227

Атмосферная и космическая оптика
Вспышки яркости комет
С приближением кометы к перигелию яркость ее
монотонно увеличивается, поскольку возрастает
плотность солнечной радиации, приходящейся на
единицу площади ядра. Было неоднократно заме¬
чено, однако, скачкообразное увеличение яркости
головы кометы при неизменной яркости хвоста.
Все это возможно даже тогда, когда Солнце спо¬
койно. Поэтому причину подобных вспышек следу¬
ет искать в процессах, происходящих именно в яд¬
ре комет.
Примеров вспышек кометных ядер довольно мно¬
го. Одним из первых, описанных в литературе, яв¬
ляется комета Попса-Брукса (1884 I), яркость кото¬
рой в течение часа возросла в тысячу раз.
Вторым примером служит открытая в ноябре 1927
года комета Швассмана-Вахмана, орбита которой
почти не отличается от круговой. При визуальном
и фотографическом наблюдении она напоминает
обычную звезду. Вспышка этой кометы развивает¬
ся в течение одного дня, увеличивая яркость на 6
звездных величин. Возвращается она к своему
исходному состоянию за 3-4 недели.
Наблюдения за кометой Швассмана-Вахмана ве¬
дутся систематически, благодаря ее круговой ор¬
бите, и ежегодно наблюдаются то усиление, то
ослабление ее блеска. Частая периодичность дви¬
жения кометы позволила неоднократно регистри¬
ровать спектр вспышки. Первый спектр получен в
1941 году. Он представлял собой непрерывный
спектр Солнца, отраженный телом кометы. Четких
полос и спектральных линий на нем не обнаруже¬
но. Таким же спектр оказался и в 1946 году. По¬
везло в 1979 году Ф. Бернгену на Таутенбургской
обсерватории. С помощью двухметрового ре¬
флектора он получил две спектрограммы во вре¬
мя вспышки. На обеих в голубой части видимого
спектра появились группы спектральных линий.
Вместе с тем установлена корреляция между
вспышками блеска кометы и активностью Солнца,
а также вызванными ею геомагнитными бурями.
По кометным вспышкам можно было прогнозиро¬
вать такие бури.
Астрофизики считают, что вспыхивающая на протя¬
жении более 50 лет комета Швассмана-Вахмана I
является уникальным явлением природы, вьщеляю-
щим ее из всей совокупности наблюдаемых комет.
В мае 1973 г. короткопериодическая комета Тутт-
ля—Джакобини—Кресака в результате вспышки
увеличила свою яркость в 10 тысяч раз! Это про¬
изошло за два дня до прохождения перигелия. А 6
го июля уже далеко от перигелия возникла следу¬
ющая вспышка.
За прошедшее от первой вспышки время ученые
выдвинули несколько гипотез о причинах их воз¬
никновения. Уитни считает, что они вызваны испа¬
рением концентрированных скоплений метана и
углекислого газа вблизи поверхности ядра. Возни¬
кающие вследствие этого напряжения приводят к
взрыву, сопровождающемуся образованием газо¬
вого и пылевого потока, распространяющегося с
большой скоростью. Образовавшееся достаточно
плотное газопылевое облако отражает солнечное
излучение, воспринимаемое как вспышка яркости.
В этом процессе роль корпускулярных излучений
Солнца сводится к выполнению функции спусково¬
го крючка.
Вторая, заслуживающая внимания гипотеза отно¬
сительно природы кометных вспышек выдвинута
Л.М. Шульманом — сотрудником Главной астроно¬
мической обсерватории Национальной академии
наук Украины. Из анализа спектров комет следует
высокая вероятность образования в их оболочках
молекул углерода, состоящих из трех атомов. Их
возникновение Л.М. Шульман связывает с мате¬
ринскими молекулами С3Н4, С3Н2, С3Н2(СН3)2 и
С3(СН3)4, имеющими структурные группы
)с=с=с{ и Jc}c_
которые энергетически наиболее выгодны для об¬
разования молекулы С3.
Если такого рода сложных молекул и нет в ядре
кометы, то они могут возникнуть при воздействии
корпускулярного излучения Солнца в процессе ра¬
диосинтеза. С достижением некоторой критичес¬
кой массы в слое толщиной примерно 2 мм оче-
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ 0 П Т И К А

рѳдная вспышка на Солнце инициирует взрыв, об¬
разующий большое газопылевое облако, интенсив¬
но отражающее солнечные лучи и воспринимаемое
как вспышка яркости.
Возможность радиосинтеза материнских молекул
доказана, на наш взгляд, опытами Бергера (США).
Комета Галлея
Из всех известных астрономам комет лучше всего
изучена комета Галлея. И, несмотря на то, что мы
уже неоднократно упоминали о ней, имеет смысл
рассказать об этом феномене более подробно. Де¬
ло в том, что в последнее посещение были исполь¬
зованы все арсеналы космической и наземной ас¬
трономической техники для установления структуры
и состава ядра, ее оболочки и хвоста. Первостепен¬
ное значение имеют спектроскопические исследо¬
вания не только в различных участках оптического
спектра, но и с помощью радиоволн широкого диа¬
пазона частот. Спектроскопические данные позво¬
ляют определить химический состав всех элементов
кометы, процентное содержание молекулярных об¬
разований, степень их ионизации и дать немало
сведений о твердом ядре и пылевой компоненте ко¬
меты. Не всеми из перечисленных возможностей
наука располагала в 1910 году, когда комета Галлея
предпоследний раз появилась в небе Земли.
Впервые непрерывным наблюдениям в течение
продолжительного времени комета Галлея подверг-
Яуро кометы Галлея
Хотя последнее наблюдение началось еще в 1982 г.,
в самой близкой к Солнцу точке - перигелии -
она оказалась 9 февраля 1986 г. На встречу с ней
были запущены две советские космические стан¬
ции ("Вега-1", "Вега-2"), станция Европейского ко¬
смического агентства "Джотто", японские "Сакига-
ке" и "Сусей" ( в переводе на русский - "Перво¬
проходец" и "Комета").
Траектории космических аппаратов "Вега-Г и "Ве¬
га-2" вместе с орбитами Земли, Венеры и кометы
Облучая протонами при температуре -230°С смесь
воды, метана и водорода и анализируя окончатель¬
ный продукт, он обнаружил в нем присутствие мо¬
чевины CO(NH2)2, уксусной кислоты СН3СООН и
ацетона СН3СОСН3. Молекулы этих веществ вполне
могут выполнять роль материнских •
лась в 1836 году. Особо активным наблюдателем
был Фридрих Вильгельм Бессель (22.07.1784 -
17.03.1846 гг.). Будучи совсем молодым, в 1810 г.
он построил в Кенигсберге (ныне Калининград в
России) обсерваторию для несения службы звезд.
Водимо, определенную роль в этом предприятии
сыграло появление кометы в том же году. В пер¬
вую очередь Бесселя интересовали изменения,
происходившие в голове и хвосте кометы. Он опи¬
сал их с такой точностью и деталями, что эти све¬
дения не потеряли своего научного значения и по
сей день. Наблюдения проводились в наиболее
подходящие для интенсивных изменений дни, ког¬
да комета огибала Солнце. Было замечено относи¬
тельно внезапное увеличение яркости светящейся
материи, состоящей из газа и пыли. Бессель уста¬
новил, что поток частиц происходит из светлой зо¬
ны одра кометы, обращенной к Солнцу. Анализи¬
руя результаты своих наблюдений, ученый пришел
к выводу о колебаниях кометного хвоста, подобно
маятнику. Такие эффекты наблюдались также в по¬
следние два прихода кометы Галлея в —1910 и
1986 гг. •
показаны на рис. 137. Вся орбита кометы вместе с
орбитами Венеры, Земли, Марса, Юпитера, Сатур¬
на и Урана изображены на рис. 138.
Ее плоскость образует угол 18° с плоскостями пла¬
нет и обеих космических станций. Для земного на¬
блюдателя ее путь не кажется таким простым, как
это представлено на рис. 138, отражающем, вооб¬
ще говоря, близкую к истинной траекторию движе¬
ния кометы. Движение Земли вокруг Солнца и вра¬
щение вокруг собственной оси превращает про¬
стой эллипс в причудливую спираль, витки которой
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ О П Т И К А

Атмосферная о космическая оптика
ОрйгГн Венеры
■Тоаектс^иіі
„Ввги Г
.веги
СвЛніі£
Орбита &НЫЛИ
ОрСиЧ В RWt' ы ГЛН
Стррі
15* дечийпн *}34 Г.
Іеилі*
Ва^еерй,-,*1 іЧНбг
BtTp«40-
с шря'і ий
бкЭ ийрга ІМ6Г
П|№лв~ Н Гч-іГір -■
i^ishicm^ эег,-
П|Х|М_'*.Д*|-1тй unUC'C*
ПеиіяГ
9 фавр-лл п.' ЗБб г.
становятся по мере приближения кометы к Солнцу
все больше и больше (рис. 139).
Расчетным путем была определена точка встречи
кометы с "Вегами", причем на близком расстоянии
от Венеры, чтобы, проходя мимо нее, можно было
высадить на поверхность планеты спускаемые ап¬
параты, а в атмосферу - аэростаты.
Природа распорядилась так, что движение кометы
противоположно движению планет, а космические
аппараты выгодно запускать в направлении движе¬
ния планеты, чтобы скорость их относительно
Солнца была больше. Этот выигрыш имеет и отри¬
цательную сторону: встреча кометы со станциями
Рис. 137
Траектории космических
аппаратов "Вега-1",
"Вега-2", орбиты Земли,
Венеры и кометы Галлея
проходит при большой относительной скорости
(-70 км/с). Не успеешь шапку снять для приветст¬
вия, а гостя и след простыл. Попробуй за какую-то
мизерную долю секунды расспросить, как у него
дела и скоро ли он вернется. Правда, на послед¬
ний вопрос мы знаем ответ заранее, это будет че¬
рез 76 лет, а вот первый требует применения ши¬
рокого комплекса аппаратуры с малым временем
срабатывания. К тому же и чувствительность дат¬
чиков, фиксирующих хотя бы наиболее важные па¬
раметры кометы, должна быть очень высокой.
Ведь приблизиться совсем впритык к ядру кометы
мешает ее атмосфера, содержащая пылинки,
столкновение с которыми может плачевно окон-
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ НПІНІА

Кометы
Лірвгагми ^R-Бг
mnnTW
jK-'aj:
IU№|
jp Г. :^:
^Чи-|П,Н
Рис. 138
Орбита и положение кометы Галлея в различное время по отношению к орбитам планет
Солнечной системы
читься для всего устройства. Хотя специальными
экранами были закрыты самые уязвимые узлы
станций, было принято решение провести сближе¬
ние на расстоянии 8-10 тысяч км.
Для наблюдения ядра кометы Галлея была создана
телевизионная система, в разработке которой уча¬
ствовали специалисты СССР, ВНР, Франции, ГДР.
За три часа до появления кометы в ближайшей
точке к космическому аппарату включалась линия
передачи всей информации с космической станции
на Землю. Ученые смогли проследить за всеми из¬
менениями, которые происходили с ядром, обо¬
лочкой и хвостом кометы.
Можно представить себе волнения и переживания
ученых, когда космические станции "Вега-1", "Ве¬
га-2" и другие пролетали в непосредственной бли¬
зости к комете. А вдруг какая-нибудь частица ее
пышной шубы насмерть поразит радиоэлектрон¬
ный узел. Ведь полностью застраховаться от тако¬
го события невозможно. Так и произошло со стан-
Рис. 139
Видимый путь кометы Галлея
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ ОПТИКА

Атмосферная и космическая оптика
в хвосте
цией "Джотто", которая за несколько секунд до
прохождения точки максимального сближения пе¬
рестала передавать информацию на земной пункт
приема. По-видимому, ее прошила одна или даже
несколько частиц кометы.
Анализ десятков изображений, переданных "Бега¬
ми", привел к заключению, что едро кометы Гал¬
лея представляет собой твердое образование, по
форме напоминающее картофелину с размерами
примерно 8 х8 х 16 км.
Ядро во много раз меньше головы, диаметр кото¬
рой сравним с расстоянием от Земли до Луны. Это
видно из рис. 140, на котором приведено изобра¬
жение кометы, полученное 17 декабря 1985 г., т.е.
еще до вхождения ее в Орбиту Юпитера. Этим
объясняется отсутствие длинного хвоста, образо¬
вание которого только начинается.
В хвостовой части веден газовый пузырь диамет¬
ром примерно в 100 тысяч километров. Возник он,
видимо, в результате теплового взрыва в оболочке
ядра, нагретого солнечными лучами.
Ядро обладает вращением вокруг некоторой оси с
периодом 53 часа и слабо отражает солнечное из¬
лучение. По оценкам специалистов коэффициент
отражения не превышает 4%, т.е. примерно такой
же, как у обычного оконного стекла. Следователь¬
но, среднее значение показателя преломления по¬
верхностного слоя ядра примерно 1,52. Ни один
из известных объектов Солнечной системы не об¬
ладает таким низким отражением. Отсюда напра¬
шивается вывод, что оболочка ядра представляет
собой тонкий пористый слой минеральной пыли,
состав которой близок к силикатным породам. По¬
верхность ядра, обращенная к Солнцу, нагревается
почти до 100°С (измерения позволяют оперировать
цифрой 380+30 К). Поэтому молекулы нагретого
льда способны свободно проникать через поры и
уходить в космическое пространство. Ежесекундно
их число поредка 1030.
Но можно высказать и другое предположение: едро
неполностью покрыто тонкой минеральной плен¬
кой, а только в отдельных участках. В результате
имеем дело с областями слабого отражения (лед) и
более сильного, обусловленного не только силика¬
тами, но и соединениями тяжелых металлов.
Состав едра можно определить, анализируя газ и
пылевые частицы, которые его покидают. Как из¬
вестно, вода не поглощает и не излучает видимый
и ультрафиолетовый (до длины волны 1900 А) уча¬
стки оптического спектра. Лишь в желто-оранже¬
вой области зарегистрировано две группы слабых
полос излучения иона Н20+, зато имеет очень бо¬
гатый спектр в инфракрасной области. Спектр из¬
лучения воды и углекислого газа был зарегистри¬
рован аппаратом "Вега" (рис. 141). Методика про¬
ведения спектроскопического эксперимента позво¬
ляла зафиксировать одни лишь эмиссионные поло¬
сы газов, исключая источники непрерывного спек¬
тра излучения ядра и пылевой компоненты комы.
Последние обусловлены отражением и рассеянием
солнечного излучения.
3 А Н И М А 1 Е И Ь И А Я ОПТИКА

Кометы
Рис. 141
Инфракрасный спектр
излучения централь¬
ной области комы ко¬
меты Галлея
Однозначно интерпретированы полосы излучения
водяного пара с максимумом при X = 2,7 мкм и
углекислого газа, максимум которой лежит при
X = 4,3 мкм. Полоса с двумя максимумами, распо¬
ложенными между длинами волн 3,2 - 3,5 мкм,
может принадлежать органическим молекулам, так
как в этот спектральный интервал попадают часто¬
ты валентных симметричных и антисимметричных
колебаний связей С-Н. Структурный максимум
X = 3,6 мкм, возможно, обусловлен излучением
молекул формальдегида.
Подробные исследования спектра излучения хвос¬
та кометы Галлея в ближнем ультрафиолете и ви¬
димой области выполнен сотрудницей Главной ас¬
трономической обсерватории Национальной акаде¬
мии наук Украины ПК. Назарчук с помощью шести¬
метрового телескопа и телевизионного сканера
Российской академии наук. Исследуемый участок
хвоста был удален на расстояние 20 угловых се¬
кунд от ядра кометы. Полученные спектры пред¬
ставлены на рис. 142. Обращает на себя внимание
обилие узких линий и полос, которые принадлежат
электронным переходам атома натрия (известный
желтый дублет Na с длинами волн 5890 А и 5896 А);
электронно-колебательным переходам двухатом¬
ных дочерних молекул С2, CN, NH, возникших в
результате фотохимического распада более слож¬
ных материнских молекул; электронно-колебатель¬
ным переходам дочерней трехатомной молекулы
С3; колебательно-вращательным переходам мо¬
лекулы NH2 и однократно ионизированной молеку¬
лы воды Н20+.
Электронно-колебательный спектр воды лежит в
далекой ультрафиолетовой области. Его длинно¬
волновый край находится при X « 1850 А, поэтому
в видимой области могут наблюдаться только по¬
лосы обертонов и суммарных комбинаций нор¬
мальных колебаний, которые, кроме того, должны
взаимодействовать с вращениями молекулы, су¬
щественно усложняя структуру спектра. Из-за
очень низкой интенсивности они не могут бытъ за¬
регистрированы в спектрах комет.
На рис. 142 показано 2 группы полос, принадлежа¬
щих иону воды, и 5 групп, принадлежащих молеку¬
ле NH2. Структурно она не отличается от молекулы
воды, поэтому также характеризуется тремя основ¬
ными колебаниями, частоты которых в общем не¬
сколько выше частот молекулы Н20. Наблюдаемые
5 групп полос этой молекулы оказываются сме¬
щенными в коротковолновую облаетъ спектра от¬
носительно положений полос иона Н20+.
Приведенный на рис. 142 спектр из атомных ли¬
ний имеет только дублет натрия. Однако, это не
ЗАННМАТЕПЬНАИ ОПТИКА

Интенсивность 	► О	Интенсивность 	► Q	Интенсивность
Атмосферная и космическая оптика
Рис. 142
Спектр излучения кометы
Галлея в ближней
ультрафиолетовой (а)
и видимой областях(б,в)
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ ОПТИКА

означает, что хвост кометы Галлея не содержит
других химических элементов в виде нейтральных
атомов. Анализ ширин фраунгоферовых линий по¬
казал, что пронизывающее кометный хвост корот¬
коволновое солнечное излучение возбуждает в нем
свободные атомы водорода, которые переизлучают
энергию возбуждения в линиях бальмеровской се¬
рии. Аналогичный процесс происходит также с ато¬
мами калия и ионами кальция.
Наблюдение излучательных квантовых переходов,
осуществляющихся в головах и хвостах комет,-
чрезвычайно сложная в техническом отношении за¬
дача. Не исключено, что в составе кометы Галлея
присутствуют в свободном состоянии не только
атомы водорода, калия, натрия и ионы кальция, но
и атомы других элементов таблицы Менделеева.
Спектр, представленный на рис. 142, содержит
сотни максимумов. Конечно, это далеко не все, что
собрано обсерваториями мира, ведь мы использо¬
вали лишь данные Г. К. Назарчук.
Вскоре после прощания с кометой Галлея астроно¬
мам представилась возможность наблюдать за ко¬
метой Брорзена-Меткофа, у которой примерно та¬
кой же период обращения, как и у кометы Галлея,
но обращается она вокруг Солнца в противополож¬
ном направлении. Как могло случиться, что в од¬
ной зоне Солнечной системы возник такой фено¬
мен, одному Богу известно.
Противоположность движения обеих комет прояв¬
ляется не только в орбитальных, но и в физико-хи¬
мических характеристиках. Если у кометы Галлея
значительно содержание пылевой компоненты,
обусловливающей интенсивный непрерывный
спектр аэрозольного рассеяния, то комета Брорзе¬
на-Меткофа практически лишена его. В ее спект¬
ре обнаружено свыше 300 линий эмиссии, принад¬
лежащих молекулам С2, С3, CN, СН, NH2, ОН, ио¬
нам СО+, С02+, СН+, Н20+, атомарному и одно¬
кратно ионизированному атому натрия.
Однако, вернемся к ядру кометы Галлея.
Спектры излучения ядра и хвоста кометы Галлея
на различных расстояниях от головы регистриро¬
вались многими лабораториями мира, причем в
очень широком диапазоне частот.
По интенсивности упомянутых выше полос сделан
вывод, что вода является основной составляющей
частью ядра кометы Галлея. В полтора раза мень¬
ше в нем углекислого газа. Вьщвинута гипотеза,
что ядро представляет собой твердое образова¬
ние, где в кристаллическую решетку льда вкрапле¬
ны молекулы углекислоты.
Оболочка ядра, кома и хвост любой кометы только
"замешаны на воде", но имеют богатый химичес¬
кий состав. В ядре кометы Галлея обнаружены не
только химические соединения углерода, азота,
натрия, но так-же магния, серы, железа, серебра
и других элементов.
Читатель, наверняка, удивлен весьма скромными
размерами ядра кометы Галлея. Зная их, а также
среднюю плотность, легко подсчитать его полную
массу. Расчет дает числа от 5 • 1010 до 2 • 1011
тонн при средней плотности 0,1 -0,4 г/см3.
Низкое значение плотности также вызывает удив¬
ление. Немало пришлось ученым поломать головы,
чтобы оправдать его. Оно получено из детальных
количественных измерений газовых и пылевых по¬
токов, выбрасываемых ядром в результате нагрева
солнечными лучами. Поскольку близкие величины
получены независимо специалистами разных
стран, им можно верить.
Комета Галлея не молодая. Не раз ей пришлось рас¬
пускать пышный хвост, проходя вблизи Солнца. В
последнем полете только пылевого вещества в коли¬
честве 5-10 тонн ежесекундно уходило в космос, а
газовых вьщелений было в несколько раз больше.
Спрашивается, насколько же хватит таких полетов,
когда от ядра уже ничего не останется? Учитывая
изменение потерь вдоль орбиты, довольно точные
расчеты установили так называемое характерное
время жизни, в течение которого масса кометы
уменьшается в е раз (е = 2,718 - основание нату¬
ральных логарифмов). Оно оказалось равным
20000 лет. Следовательно, истинная продолжи¬
тельность ее существования должна значительно
превышать эту цифру.
Через 76-летний период комета Галлея вновь посе¬
тит околосолнечное пространство и ее смогут уви¬
деть новые поколения людей, некоторые вторично.
Пожелаем, чтобы таких счастливцев было как мож¬
но больше
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ О П Т Н К А

Атмосферная о космическая оптика
Столкновение кометы
ШумеПкер-Леви с Юпитером
Столкновение кометы с планетами — очень редкое
явление. Оно происходит не чаще, чем один раз в
тысячу лет. Поэтому событие космического мас¬
штаба, произошедшее в июле 1994 г., привлекло
внимание астрономических коллективов многих
стран мира. Процесс столкновения кометы Шумей¬
кер-Леви SL9 с Юпитером наблюдали все крупные
обсерватории мира. Для этого был задействован
космический телескоп Хаббла, космические аппа¬
раты Талилео”, "Улисс” и "Вояджер”. Был исполь¬
зован почти весь диапазон электромагнитных волн,
от рентгеновского излучения до радиоволн. Комета
была обнаружена в марте 1993 г. американскими
астрономами Керолайн и Юджином Шумейкерами
и Дэвидом Леви. Сразу после обнаружения ученые
занялись расчетами ее орбиты и систематически¬
ми наблюдениями. В ноябре того же года расчеты
были завершены. Стало ясно, что комета SL9
должна столкнуться с Юпитером. Такой вывод по¬
служил основанием для широкомасштабной подго¬
товки к непрерывным наблюдениям процесса
столкновения и его последствий.
Фотография кометы (рис. 143), полученная в мае
1994 г., запечатлела совокупность более 20-ти ко-
метных тел, образовавшихся из большого ядра
вследствие действия гравитационного поля Юпи¬
тера, когда в июле 1992 г. материнская комета
проходила мимо планеты на расстоянии, примерно
в 1,6 раза превышающем радиус планеты. Диамет¬
ры ядер образовавшихся дочерних комет находи¬
лись в интервале 0,64-4,0 км.
Таким образом, миф о том, как комета разрывает
планету (рис. 130) нашел реальное подтверждение
с точностью до наоборот: планета разорвала коме¬
ту на 22 куска.
Главный вопрос, на который должны были отве¬
тить ученые, заключался в том, что представляло
собой материнское тело кометы - ледяной кон¬
гломерат или песчаный рой, т.е. совокупность
множества мелких ядер (примерно сотни метров
и меньше), которые удерживались вместе собст¬
венным гравитационным полем. Длительное об¬
суждение результатов наблюдений и расчетных
данных все же не позволили получить окончатель¬
ный ответ на поставленный вопрос и ученые еди¬
нодушно по исторически сложившейся традиции
решили объект SL9 считать кометой, хотя ряд
факторов свидетельствовал и в пользу астероида.
Например, для комет характерно излучение ради¬
кала ОН на длине волны 3090 А, которое от¬
сутствовало во внутренней коме SL9. Возможно,
это связано с большим расстоянием (более 5-ти
астрономических единиц) от Солнца и слабым ис¬
парением льда. Но тогда непонятно, почему не
зарегистрировано излучение CS и С02+, возника¬
ющих из гораздо более летучих чем вода веществ
CS2 и С02. Не зарегистрировано также излучение
радикала CN на длине волны 3785 А. Таким обра¬
зом, много загадочного остается в отношении
этой кометы.
Во время падения осколков на поверхность Юпи¬
тера записывались кривые блеска на различных
длинах волн инфракрасного, видимого и ультрафи¬
олетового диапазонов с помощью приборов, уста¬
новленных на космическом аппарате Галилео, а
также на наземных обсерваториях.
В момент падения осколков отмечаются вспышки
блеска на всех использованных оптических часто¬
тах. Продолжительность вспышки составляет
Размеры фрагментов кометы SL9
Фрагмент ABCDEFG1G2HKL
Диаметр	1,4	1,7	2,1	1,4	2,8	2,1	0,8	4,0	3,0	3,8	3,5
Фрагмент N Р2 P1 Q2 Q1 R S Т	U V W
Диаметр	1,4	0,85	3,0	3,0	4,0	2,5	2,9	0,64	0,9	1,35	2,4
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ О П Т И К А

1-2 с., за исключением временных изменений яр¬
кости вспышек, зафиксированных на частотах ин¬
фракрасного диапазона. Так, кривая блеска, полу¬
ченная на длине волны Х= 9450 А, имеет полуши¬
рину более 20 с.
После максимума блеска интенсивность вспышки
на различных длинах волн меняется по-разному, но
общая длительность излучения не превышает 50 с.
Поскольку интенсивность всех вспышек от различ¬
ных осколков кометы SL9 регистрировались на
различных длинах волн, укладывающихся в широ¬
кий спектральный диапазон, можно было по фор¬
муле Планка оценить температуру излучающей об¬
ласти. Она оказалась близкой к 10 000 К, пример¬
но на 4000 К превышающей температуру фотосфе¬
ры Солнца.
Удар каждого осколка сопровождался выбросом ве¬
щества в атмосферу планеты на высоту от 2,5 до 3,5
км, который в течение примерно 33 минут оседал до
нулевого уровня. Наиболее крупные осколки вызы¬
вали значительные изменения в атмосфере Юпите¬
ра, сохранявшиеся в течение нескольких месяцев.
Сфотографированные в различных длинах волн
пятна, возникшие в местах столкновений осколков
с поверхностью планеты, оказались более яркими,
чем невозмущенные участки поверхности.
Исследования спектров излучения показали, что
наиболее интенсивными были линии метана, кото¬
рые генерировались на высоте 250 - 300 км, а так¬
же таких углеводородов, как С2Н2, С2Н4, С2Н6, кис¬
лородсодержащих, — СО, Н20, OCS, — и серосо¬
держащих, — H2S, CS, S2, — молекул. Некоторые из
перечисленных соединений синтезировались в про¬
цессе соударений осколков с поверхностью Юпите¬
ра и зарегистрированы в его атмосфере впервые.
Кроме молекулярного, зафиксировано также свече¬
ние отдельных атомов и атомарных ионов. Источник
излучения щелочных металлов Na, К, U находился на
высоте, превышающей 250 км. В интервале высот
200 - 300 км обнаружено излучение нейтральных и
ионизированных атомов Mg, Si, Fe. Их появление на
таких высотах можно объяснитъ торможением в ат¬
мосфере Юпитера пылевой комы объекта SL9. Уче¬
ные определили, что размер пылинок поредка 1 мкм.
Более мелкие уносятся солнечным ветром или, бу¬
дучи электрически заряженными, захватываются
магнитным полем Юпитера и уносятся к его полю¬
сам. Торможение одномикронных пылинок происхо¬
дит на высотах 200 — 300 км. Здесь возбуждаются
их атомно-молекулярные компоненты, которые, пе¬
реходя в нормальное состояние, высвечивают.
Другим источником атомов может бытъ процесс ис¬
парения осколков кометы в атмосфере Юпитера. По
существующим оценкам, километровый осколок те¬
ряет на высоте, превышающей 200 км от поверхно¬
сти Юпитера, порядка 10 тысяч тонн своей массы.
Что касается появления молекулярных соединений
на высоте 200 - 300 км, то они могут быть синте¬
зированы при взрыве куска кометы в более плот¬
ных слоях атмосферы, а затем выброшены удар¬
ной волной в верхние слои •
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ ІІТИНА

Атмосферная п космическая оптика
Метеоры
и метеориты
Падающие звезды
ассказ о бесхвостых небесных пришельцах,
крупные представители которых характеризу¬
ются не только температурным излучением, но
также вызывают аномальные оптические явления в
широких просторах земной атмосферы, мы начнем
с терминологии.
Космос поставляет в атмосферу Земли разнооб¬
разнейшие по величине и химическому составу те¬
ла. Это частицы пыли, песка, мелкий и крупный
щебень, валуны метровых и более крупных разме¬
ров, являющиеся осколками астероидов.
Мелкие объекты, попадая в атмосферу, полностью
сгорают. Их называют метеорами. Крупные же не
успевают полностью сгореть и выпадают на Землю
оплавленными кусками развалившегося на неко¬
тором расстоянии от нее метеоритного тела. Их
называют метеоритами.
Метеоры известны в народе под названием «падаю¬
щих звезд». Терпеливый человек в безоблачную ночь,
к тому же до восхода Луны, имеет почти стопроцент¬
ную вероятность увидеть, по крайней мере, одну «па¬
дающую звезду». Смотришь в бездонное небо, запол¬
ненное мерцающими звезддми, и вдруг, откуда не
возьмись, яркая несколько изогнутая стрела прочер¬
чивает небо. Создается впечатление, что это одна из
ранее неподвижных звезд внезапно сорвалась с наси¬
женного места и устремилась к Земле.
Один из авторов настоящей книги в школьные го¬
ды занимался ночным выпасом лошадей и имел
возможность множество раз любоваться этим кра¬
сивым и тогда загадочным зрелищем. Пастухи да¬
же иногда устраивали соревнования, кто больше
за ночь засечет «падающих звезд». В то время мы
даже не могли предполагать возможность возник¬
новения «звездного дождя», подобного выпавшему
в 1872 г. у берегов Флориды (рис. 144).
Метеоритная частица, влетая в атмосферу Земли
со скоростью в несколько десятков километров в
Рис. 144
Метеорный "дождь",
выпавший у берегов
Флориды в 1872 г.
2
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ
В Н Т И К А

Метеоры о метеориты
секунду, испытывает торможение, в результате ко¬
торого ее температура достигает нескольких тысяч
градусов и она буквально сгорает. Кинетическая
энергия движения частицы превращается в тепло¬
вую, которая частично идет на ионизацию атомов
и молекул воздуха, а также их возбуждение. По¬
этому яркий светлый след на фоне ночного неба -
это не только тепловое излучение частицы, но так¬
же излучение, вызванное рекомбинацией электро¬
нов и ионов и квантовыми переходами возбужден¬
ных атомов и молекул в нормальное состояние.
Первые упоминания о наблюдениях метеоров со¬
держатся в древнекитайских хрониках и египетских
папирусах первого и второго тысячелетия до новой
эры. Древнерусские летописцы о них заговорили
Столкновение метеоритов
с Землей
Конкретный метеоритный сюжет с материальным
воплощением происшедшего — рассказ о том, как
сибиряк Яков Медведев, охотясь на дикого зверя,
обнаружил в 1749 г. на берегу Енисея железную
глыбу с оплавленной поверхностью. Видимо, мас¬
са была слишком велика, а скорость не очень, и
метеор не смог полностью сгореть. Яков Медведев
был не только охотник, но и кузнец. Не пропадать
же даровому железу в таежной глуши. С трудом
притащив глыбу к своей усадьбе, кузнец попытал¬
ся разогреть ее в горне и разделить на части, что¬
бы выковать из них необходимые для хозяйства
предметы. Поскольку его попытки не увенчались
успехом, глыба оставалась лежатъ у здания кузни¬
цы неиспользованной в течение более десятка лет.
Возможно, так она пролежала бы и до наших дней,
если бы случайно не попалась на глаза члену Пе¬
тербургской академии наук П.С. Палласу. Уникаль¬
ный железный самородок был перевезен в Петер¬
бург и занял свое место в музее.
Метеориты выпадают не только на Землю. Их сле¬
ды в виде кратеров самых различных размеров об¬
наружены также на других планетах Солнечной си¬
стемы и их спутниках. Когда размеры кратера ве-
примерно на тысячу лет позже. Являясь весьма ча¬
стым явлением природы, метеоры широко исполь¬
зовались в различных народных преданиях. Даже у
одного и того же народа «падающие звезды» ассо¬
циируются то с полетом душ умерших, то с наме¬
ком на необходимость совершить молитву, выпол¬
няющую роль ключа к небесным воротам, открыва¬
ющимся для души покойника, или с отражением
обычных земных событий.
Весьма прозаичный взглад на «падающие звезды»
у племени Pilleges. Его люди «падающую звезду»
отождествляют с экскрементом подлинной звезды,
не задумываясь над тем, что при огромном коли¬
честве звезд, воспринимаемых глазами человека,
таких «экскрементов» почему-то очень мало •
лики, подчас трудно определить, чем он вызван,
вулканической деятельностью, падением крупного
метеорита или кометы. Мелкие кратеры, прежде
всего давнего происхождения, самоликвидирова¬
лись вследствие непрерывно протекающих при¬
родных процессов, однако, наиболее крупные, во¬
ронки от которых достигают диаметров от несколь¬
ких до десятков и сотен километров, сохраняются
тысячелетиями. Например, в северной Сибири
вблизи устья реки Попигай находится метеоритный
кратер диаметром почти в 100 км. За 30 миллио¬
нов лет, именно такой возраст приписывают ему
ученые, он основательно обмелел, а первоначаль¬
ная глубина этого кратера оценивается в 30 км.
Предположительно Попигайский кратер образован
метеоритом — астероидом диаметром в несколько
километров. Можно представитъ себе, как содрог¬
нулась Земля от удара такого тела.
Процесс столкновения метеорита с планетой не за¬
канчивается образованием воронки. Выброшенная
порода с большой скоростью устремляется ввысь,
расплываясь в веде темного гриба, захватывающе¬
го огромное пространство, подымаясь на сотни ки¬
лометров от уровня моря. Скорости мелких частиц
могут достигать космических значений. После
взрыва они уже не смогут выпасть на Землю. Одна¬
ко, основная масса, разносимая взрывной волной
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ О П Т И К А

Атмосферная о космическая оптика
во всех направлениях, в конечном итоге опускается
на Землю, образуя так называемые тектитовые по¬
ля. При взрыве массивного астероида или кометы
они покрывают тонким слоем почти все континен¬
ты, чему способствуют воздушные потоки,
имеющие на различных высотах различные направ¬
ления и скорости, вплоть до сотен км/час.
Читателям, по-видимому, известно, что 65 млн лет
тому назад наша планета испытала трудно объясни¬
мые катастрофические изменения в составе фауны:
нацело исчезли летающие ящеры, динозавры и ряд
других, ныне ископаемых животных. Это произошло
не в один день: процесс вымирания продолжался
около 200 лет. Возможно, кому-нибудь покажется,
что это долго, но в масштабах эволюционных пери¬
одов возникновения и развития жизни на Земле та¬
кой интервал не больше, чем мгновение.
Надо было искать причину происшедшего, которая
могла быть зарыта, в прямом смысле этого слова,
только в Земле.
За дело взялись геологи, палеонтологи, физики,
астрономы и специалисты смежных областей на¬
уки. Большой вклад в решение проблемы внесли
американские ученые - отец и сын Л. И В. Альва¬
ресы. Первый - известный физик, удостоенный в
1968 году Нобелевской премии за открытие корот-
коживущих нестабильных элементарных частиц,
так называемых резонансов; второй - геолог. Их
интересовал обнаруженный в морских осадочных
породах химический элемент иридий, попадающий
на Землю из космоса вместе с частицами косми¬
ческой пыли. Среди известковых наслоений, обра¬
зующихся из черепашек отмирающих простейших
морских организмов, палеонтологическими иссле¬
дованиями установлено наличие прослойки глины
толщиной около 1 см, в которой содержание ири¬
дия в 30 раз больше, чем в соседних слоях оса¬
дочных пород. Кроме иридия, в этой прослойке
обнаружены и другие космогенные элементы: ос¬
мий, палладий, рений, платина, рутений, никель,
кобальт.
К настоящему времени прослойка с повышенной
концентрацией иридия обнаружена уже в 56-ти
пунктах Земного шара. Ее нашли в глубинах Тихого
океана, на территории США, на полуострове Ман¬
гышлак и в других местах.
Как объяснить появление подобной особенности,
не увязав ее с космической катастрофой, возник¬
шей 65 млн лет тому назад? Именно таким возрас¬
том оценивают геологи упомянутый слой, а пале¬
онтологи — исчезновение многих видов животных.
Видимо, это совпадение не случайно.
Встреча крупного космического тела, - астероида
или кометы, - с планетой приводит к выбросу в
космическое пространство огромных массивов пы¬
ли, способной опоясать толстым непроницаемым
для солнечного излучения облаком все околозем¬
ное пространство. Сохраняясь на протяжении мно¬
гих лет (некоторые ученые полагают, что это могло
продолжаться около 100 лет) оно сводит к мини¬
муму процессы фотосинтеза, без которого не мо¬
гут существовать растения и фитопланктон -
единственная кормовая база большинства назем¬
ных и морских животных.
Путем анализа состава осадочных пород установ¬
лено отсутствие в них на протяжении 15-ти тысяч
лет светолюбивой микрофауны, причем в тех на¬
слоениях, которые непосредственно примыкают к
сантиметровому слою с повышенной концентраци¬
ей иридия. В них зафиксированы остатки исключи¬
тельно придонной фауны, не требующей для свое¬
го развития солнечного света.
К описанной причине исчезновения многочислен¬
ных животных можно добавить еще одну. Если с
Землей столкнулся не астероид, а комета, в атмо¬
сферу попало обильное количество отравляющих
газов, в частности цианистых соединений, о нали¬
чии которых в вдрах и хвостах комет свидетельст¬
вуют их спектры.
Рассказывая о кометах, мы уже говорили, что по¬
добные встречи маловероятны. Но они были и не
исключены в будущем, не только с кометами, но и
с астероидами. Несмотря на то, что астрономы
всегда успокаивают людей, зная орбиты всех от¬
крытых комет и астероидов, их появление вызыва¬
ет много тревожных пересудов и серьезных опа¬
сений. Особенно, если кто-либо из научных авто-
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ О Н Т И К А

Метеоры и метеориты
ритетов в своей популярной лекции и даже в част¬
ном разговоре допустит неосторожное высказыва¬
ние о возможных последствиях столкновения кос¬
мического тела с Землей. Не так давно, а именно
в 1968 г., мир наполнился слухами о предстоящем
столкновении Земли с астероидом Икар. Его диа¬
метр около 1 км, а масса несколько миллионов
тонн. Попади такая «глыба» на Землю со скоро¬
стью, значительно превышающей вторую космиче¬
скую, она оставила бы память о себе на миллионы
последующих лет. По оценкам, выделившаяся при
взрыве энергия сравнима с энергией тысячи во¬
дородных бомб. К счастью, Икар пролетел на рас¬
стоянии 6,4 млн. км от Земли, и все закончилось
прекращением тревожных слухов.
Близкое к Земле прохождение астероида сравни¬
тельно крупных размеров зарегистрировано в 1937 г.
Это был Гермес, пролетевший на расстоянии всего
1 млн км от Земли. В 1992 еще ближе, - на рас¬
стоянии всего 100 тысяч км, - пролетал неболь¬
шой астероид диаметром в несколько метров •
Сикотэ-Алинский метеорит
В 20-м веке отмечено два крупных космических со¬
бытия с участием Земли. Одно из них произошло
утром 12 февраля 1947 г. по местному времени в
Приморском крае России в одном из западных от¬
рогов Сихотэ-Алинского хребта. Здесь выпал самый
крупный железный метеорит, прохождение которого
в атмосфере посчастливилось наблюдать многим
жителям Приморского края. Среди них случайно
оказался и художник Д. Медведев. По свежим впе¬
чатлениям на фоне деревенского ландшафта он
изобразил дымный трек метеорита с ярким свече¬
нием болида во главе (рис. 145). Болидом называ¬
ют крупную «падающую звезду», только частично
сгоревшую при торможении в воздухе. Возни¬
кающие при движении тепловые нагрузки и сопро¬
тивление воздуха приводят обычно к разрушению
метеорного тела еще до столкновения с Землей.
Так произошло и с Сихотэ-Алинским метеоритом:
он раздробился на тысячи больших и малых облом¬
ков, выпавших на площади 3 км2 и образовавших
множество мелких и крупных воронок с максималь¬
ным диаметром около 30 м. Общая масса собран¬
ных осколков железа составила примерно 37 тонн, а
первоначальную массу академик В.Г. Фесенков оце¬
нил в полторы-две тысячи тонн. Очевидцы расска¬
зывали, что след пылевого облака сохранялся в те¬
чение нескольких часов после падения метеорита.
К сожалению, подобные явления возникают неожи¬
данно и протекают очень быстро. Поэтому нет воз¬
можности зарегистрировать спектр болида и окру-
Рис. 145
След Сихотэ-Алинского метеорита
жающей его оболочки из атмосферных газов и па¬
ров метеорного вещества •
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ ОПТИКА
241

Атмосферная п космическая оптика
Тунгусский метеорит
Значительно больше извлечено информации по
аномальным оптическим явлениям в земной атмо¬
сфере, наблюдавшимся продолжительное время
после падения Тунгусского метеорита. Это собы¬
тие произошло утром 30 июня 1908 г. в бассейне
реки Подкаменная Тунгуска, вдали от населенных
пунктов. По анализу замеров направлений пример¬
но 150 тысяч древесных стволов на всей площади
лесоповала, вызванного взрывом, установлено на¬
правление движения космического тела. Из него
следует вывод: опоздай он на 4 часа, катастрофа
произошла бы над Санкт-Петербургом. Так что ко¬
метобоязнь людей вполне обоснованна.
Последние 4 месяца пути Тунгусского метеорита
до встречи с Землей, а также часть земной орбиты
того времени показаны на рис. 146. На следую¬
щем рис. 147 художник изобразил последователь¬
ное сближение объекта с Землей. Приделанный к
нему небольшой хвост должен означать, что он мог
быть кометой, хотя многолетние дискуссии,
продолжающиеся и по сей день, не дают твердого
ответа на вопрос, что представлял собой так назы¬
ваемый Тунгусский метеорит. Отсутствие воронки
и частиц твердого вещества в районе лесоповала,
поисками которых в 1922 г. занимался Л.А. Кулик,
могло свидетельствовать о взрыве ледяной глыбы
с вкрапленной в нее космической пылью, рассеян¬
ной взрывом на огромном пространстве.
Некоторые ученые даже называют конкретного со¬
участника события: это был осколок кометы Энке,
распавшейся в свое время на отдельные фрагменты
под воздействием гравитационного поля Юпитера.
Неудачные первоначальные попытки отыскать в
местах лесоповала космическое вещество не оста¬
новили ученых. Годы спустя в грунте были обнару¬
жены микроскопические шарики, по химическому
составу которых американский химик Р. Ганапати
установил их неземную природу. Пользуясь собст¬
венными и данными других исследователей, он
пришел к выводу о метеоритной природе тунгус¬
ского тела. Об этом свидетельствовало присутст¬
вие в упомянутых шариках иридия и сопутствую¬
щих ему никеля и кобальта в соотношениях, харак¬
терных для метеоритных тел.
По мнению Ганапати, Тунгусский метеорит был ка¬
менным, имел массу не миллиард тонн, как предпо¬
лагал В. Г. Фесенков, а только 7 млн и средний раз¬
мер 150 м. Но эти цифры также оказались завы¬
шенными. Заметим, что результаты химического ана-
Рис. 146
Последние часы
полета Тунгусского
метеорита
242
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ 0 П Т Н К А

Метеоры и метеориты
лиза шариков, проведенного Р. Ганапати, в опреде¬
ленной степени подтверждаются обнаруженными в
слоях льда Антарщцы, относящихся к 1909-1912 гг.,
частиц с аномально высокой концентрации иридия.
За истекшие 90 лет учеными и энтузиастами-любите-
лями проделана огромная работа по установлению
таких параметров неизвестного небесного тела, как
скорость вхождения в атмосферу, ее замедление до
момента взрыва, масса и вьщеленная энергия. К со¬
жалению, ничего нельзя сказать о спектральном со¬
ставе излучения вспышки болода: все происходило,
как и в случае Сихотэ-Алинского метеорита, слишком
далеко от астрономических обсерваторий, системати¬
чески ведущих визуальные и спектроскопические на¬
блюдения. К тому же имел место эффект внезапности
и скоротечности свершившегося. По рассказам оче¬
видцев, вспышка взорвавшегося посланца неба была
настолько яркой, что по свечению атмосферы наблю¬
далась на расстояниях в сотни километров.
Использовав газодинамическую модель с некото¬
рыми предположениями о плотности объекта и его
кометном происхождении, В.П.Коробейников,
П.И.Чушкин и Л.В.Шуршалов определили не толь¬
ко траекторию, но также материальные, кинетичес¬
кие и энергетические характеристики объекта. По¬
лучены следующие значения: начальная точка
взрыва находилась на высоте 6,5 км, вццелившая-
ся энергия составляла 1016 Дж, скорость вхожде¬
ния в атмосферу 22,7 км/с, масса 233 тысячи тонн,
радиус тела 45,4 м. Полная выделившаяся энергия
соответствует 15 млн тонн тротилового эквивален¬
та, что в 1000 раз больше, чем при взрыве атом¬
ной бомбы, сброшенной над Хиросимой. Взрывная
и баллистическая ударные волны привели к лесо¬
повалу на территории более 4 000 км2, причем
воздушная волна обошла весь земной шар. Даже
удалось зарегистрировать возмущения магнитного
поля Земли. В северных широтах, от места взрыва
до Атлантического океана, на протяжении несколь¬
ких суток наблюдалось аномальное свечение ноч¬
ного неба, яркость которого позволяла фотографи¬
ровать. Потревоженные птицы и звери потеряли в
эти дни сон. По данным имеющихся наблюдений,
зафиксированы примерные границы свечения. На
ЗА8ИМАТЕ111ДЯ ОПТИКА

Атмосферная и космическая оптика
юге она проходит по линии Ташкент - француз¬
ский город Бордо. На востоке - по меридиану г.
Енисейск. На западе полностью охватывает Бри¬
танские острова. В записях метеорологических
станций и астрономических обсерваторий других
регионов земного шара, включая Южную и Север¬
ную Америку, аномального свечения ночного неба
не наблюдалось.
Первую, как оказалось впоследствии совершенно
правильную, гипотезу о причине свечения, высказал
в 1932 г. Л А Кулик, много лет отдавший изучению
Тунгусского феномена. Он объяснил это явление по¬
паданием в земную атмосферу больших скоплений
космической пыли. Его гипотезу поддержали метео¬
ролог Л. Апостолов и академик В.И. Вернадский.
Однако оставались без ответа вопросы. Почему бы¬
ла столь высокой яркость свечения на расстояниях в
тысячи километров от места взрыва? Какова приро¬
да свечения? Является оно собственным излучением
традиционных компонент атмосферы, рассеянием
солнечного излучения на частицах космической пы¬
ли или же имеет какую-либо иную природу?
Эти вопросы детально обсуждаются ВА Бронштэ-
ном. На них нелегко было ответить, т.к. кроме упо¬
мянутых механизмов, некоторые специалисты на¬
ходили в аномальном свечении нечто общее с по¬
лярными сияниями или со свечением серебристых
облаков. Значительную помощь во вскрытии меха¬
низма свечения оказали уже те первоначальные
сведения, которые были зафиксированы метеоро¬
логами, систематически следившими за изменени¬
ями яркости неба, а также данные, при которых
получены фотоснимки. Одну фотографию сделал в
полночь 30 июня 1908 г. в гавани Гринвича англи¬
чанин Д.Э. Эванс, а вторую в 22 часа 30 минут то¬
го же дня на одной из улиц сибирского города На-
ровчата В.П.России. Сохранились данные о типе
использованных фотопленок, времени экспозиции
и светосиле фотографических объектов.
Определив по фотографическим данным яркость
ночного неба в памятную ночь, Б.А. Бронштейн по¬
лучил значение, превышающее обычную яркость
ночного неба в тех же пунктах в конце июня того
же года в 25-30 раз!
Характерно, что фотографические данные и инст¬
рументальные измерения яркости в городах Бордо,
Лейдене и пригороде Гамбурга дали значения, от¬
личающиеся лишь в 10 раз, что можно объяснить
большими расстояниями между названными пунк¬
тами и отсутствием полного совпадения метеоро¬
логических условий в них.
Для объяснения высокой яркости свечения, осо¬
бенно над Западной Европой, необходима высокая
концентрация пылевых частиц. Она возникла бла¬
годаря небольшому углу входа космического тела в
атмосферу (10° -15°), в результате чего большин¬
ство пылевых частиц попали в так называемый
«коридор входа» - пространство, в котором они
движутся параллельно поверхности Земли.
В 1974 г. сотрудники Института эксперименталь¬
ной метеорологии В.Н. Лебединец, А. В. Манохина
и В.Б.Шушкова выполнили расчет траекторий час¬
тиц различной массы. По их результатам, самые
мелкие пылинки весом 10'13 г, попав в «коридор
входа», несмотря на тормозящее действие атмо¬
сферы, в течение четверти суток могли достичь
западной границы наблюдаемого свечения. Тормо¬
жение скорости оказалось благоприятным для уп¬
лотнения частиц. Оно возрастало также благодаря
их оседанию под действием силы тяжести. Высота
«коридора входа» максимальна для самых мелких
частиц (например, 180 км при массе 10 13 г) и
уменьшается с ростом массы, составляя 100 км
при массе 10 6 г. Пыль, прошедшая выше «коридо¬
ра входа», уйдет в космическое пространство, а
оказавшаяся ниже его — выпадет на поверхность
Земли. В транспортировке космической пыли на
большие расстояния от места взрыва определен¬
ную роль играют воздушные течения.
Итак, большая яркость аномального свечения
обусловлена высокой концентрацией космической
пыли, образовавшейся в результате взрыва Тунгус¬
ского объекта. Ученым хорошо известен спект¬
ральный состав собственного излучения компонен¬
тов земной атмосферы, в каком бы веде оно не
проявлялось. Об этом мы рассказывали раньше.
Оказалось, что оно составляло лишь малую толику
наблюдаемого в памятную ночь 30 июня 1908 г.
Львиную долю давало рассеяние аэрозольного ти¬
па на частицах «тунгусской» пыли •
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ V 1 Т И I А

Гравитационные линзы
Гравитационные
линзы
Эйнштейн и открытие
гравитаципннпй линзы
Прогуливаясь по саду, Исаак Ньютон мысленно
прорабатывал одну из тревоживших его про¬
блем. Вдруг к его ногам упало яблоко. Неожи¬
данный глухой звук удара заставил вздрогнуть уче¬
ного и переключиться на осмысливание происшед¬
шего. Это было началом длительных размышлений,
сопровождавшихся затем математическими расче¬
тами, которые завершились формулировкой закона
всемирного тяготения. В соответствии с этим зако¬
ном все тела, большие и малые, испытывают вза¬
имное притяжение друг к другу. Почему же возни¬
кает оно? Вопрос, на который не сразу был найден
правильный ответ. Теперь мы уже знаем, что каж¬
дое тело создает свое гравитационное поле, т.е. по¬
ле тяжести, подобно электрическому заряду, созда¬
ющему вокруг себя электрическое поле.
Гравитационное поле проявляется не только во
взаимодействии тел. Как показал Эйнштейн,
оно способно оказывать влияние и на электро¬
магнитные волны, в том числе и видимое излу¬
чение.
Однако, это влияние будет ощутимым только при
огромной массе тела, такой, например, как масса
Солнца и больше. В соответствии с теорией Эйн¬
штейна, световой луч, проходящий мимо массив¬
ной звезды, должен испытывать отклонение в на¬
правлении космического тела (рис. 148). Впервые
экспериментально это явление обнаружил в 1919 г.
Эддингтон.
Искривление луча в гравитационном поле натолк¬
нуло ученых на мысль о возможности фокусировки
световых лучей далеких космических излучателей
другими космическими телами, находящимися к
нам ближе. Последние преобразуют проходящий
мимо световой пучок подобно обычной собираю¬
щей линзе. Разница лишь в том, что обычная лин¬
за прозрачна для падающих на нее лучей, следова¬
тельно, фокусирует только те лучи, которые непо¬
средственно пронизывают ее, и совершенно не
оказывает влияния на проходящие мимо.
Гравитационная линза может быть непрозрачной и
частично прозрачной. Первая фокусирует только
проходящие мимо лучи, попадающие же на ее по¬
верхность отражаются или поглощаются. Очень не
просто было обнаружить гравитационную линзу.
Это радостное для астрофизиков событие произо¬
шло через 70 лет после наблюдения Эддингтоном
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ НПТИКА

Атмосферная и космическая оптика
Рис. 149
Фокусировка параллельного
пучка лучей гравитационной
(сверху) и оптической линзой
искривления светового луча. Началось все с систе¬
матических наблюдений звезды в созвездии Боль¬
шой Медведицы. Она давала слабенькое голубова¬
тое свечение и привлекала астрономов именно
тем, что составляла пару, т.е. было подозрение,
что это двойная звезда. Впервые она была обнару¬
жена в 1950 г. по фотографии участка неба, т.к.
из-за низкой светимости простым глазом невидна.
Фотография не раскрыла природу удвоения. Толь¬
ко тщательный анализ спектра привел к заключе¬
нию, что это одна звезда, а удвоение произошло
из-за действия гравитационной линзы: в некото¬
ром роде возник "космический мираж".
Вслед за первой были обнаружены и другие кос¬
мические линзы, которые можно уподобить гигант¬
ским телескопам, предоставляющим новые воз¬
можности для изучения космических образований.
В отличие от обычной оптической линзы гравита¬
ционная линза не собирает идущие мимо нее лучи
в одной точке - фокусе, а имеет бесчисленное
множество фокусов (рис. 149). Самое короткое
фокусное расстояние будет у лучей, прошедших у
самой поверхности линзы. С увеличением рассто¬
яния в направлении, перпендикулярном к светово¬
му потоку, фокусное расстояние также увеличива¬
ется. Благодаря тому, что фокус гравитационной
линзы "размазан" по полуоси X на большом про¬
тяжении, яркость изображенного ею источника из¬
лучения не уменьшается с удалением от линзы, а
увеличивается. Правда, резкость изображения за¬
метно хуже, чем в оптической линзе вблизи фоку¬
са, однако в последнем случае незначительное
смещение экрана от фокуса тут же приводит к
сильному размытию изображения и уменьшению
контраста
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ ОПТИКА

Гравитационные линзы
Точечный источник
Если источник излучения, гравитационная линза
(ГЛ) и наблюдатель находятся на одной прямой,
причем сама линза представляет собой сферичес¬
кое образование с одинаковым распределением
плотности вещества по всем радиусам сферы, то
расчеты дают изображение источника в виде раз¬
мытого кольца с центром на указанной прямой
(рис. 150). Радиус кольца можно определить по
формуле:
т=Ѵѵ. ©
где гд - так называемый гравитационный радиус
линзы, L - расстояние от линзы до точки наблюде¬
ния. Гравитационный радиус:
rg = 2GM/с2,	©
где G - гравитационная постоянная, М - масса
линзы, с - скорость света в пустоте. Кольцо по¬
явится на расстояниях
при условии, что его радиус Rбольше радиуса
линзы-звезды, а также при большом удалении к.
излучающего космического тела от линзы. Источ¬
ники, для которых^ меньше /?2/лд, вообще не бу¬
дут вцдны, т.к. фокальная полуось х > л^іп для них
не существует: изгиб лучей будет недостаточным,
чтобы пересечься в какой-либо точке на оси X
Проследим за изменением положения источника
излучения и его видимостью при изменении поло¬
жения наблюдателя. На расстояниях х< xmjn он
совсем не просматривается, при xmin появляется в
вцде светлого кольца, примыкающего к звезде;
при х> xmin диаметр кольца больше диаметра
звезды-линзы.
Если линзой считать Солнце, то для очень удален¬
ных источников и земного наблюдателя угловой за¬
зор между линзой и кольцом составит всего 0,44 се-
куццы. Самые лучшие оптические телескопы способ¬
ны его обнаружить с большим трудом. Несколько
легче сделать это, наблюдая из космического кораб¬
ля, когда отсутствуют атмосферные помехи.
До сих пор мы рассматривали симметричную кар¬
тину: далекая звезда, ГЯ в виде шарообразного
Рис. 150
Изображение грави¬
тационной линзой
точечного источника
излучения
3 А Н Н М А Т Е Л Ь Н А Я О П Т Н К А

Атмосферная и космическая оптика
г- S
і
S
S.
'2
образования и глаз наблюдателя находились на
одной прямой. Но в большинстве случаев реали¬
зуется иная ситуация: источник не находится на
оси ГЛ - наблюдатель. Тогда возникают два изо¬
Протяженный источник
Пусть имеет место симметричный случай, но ис¬
точник излучения S представляет собой круг, что
может случиться, если через ГЛ рассматривать не
звезду, а туманность или галактику сферической
симметрии. Тогда изображение имеет вид кольца,
но не бесконечно узкого, как при наблюдении звез¬
ды, а конечной ширины (рис. 152а).
Смещение кругового источника относительно оси
линза - наблюдатель сопровождается деформаци¬
ей кольца. Теперь оно имеет вид двух серповид¬
ных лунок, несимметрично смещенных относитель¬
но линии наблюдения (рис. 152б). Такая картина
наблюдается, когда смещение равно радиусу ис¬
точника. Если же оно превышает величину радиу¬
са, серповидные лунки превращаются в изогнутые
Рис. 151
Изображение гравита¬
ционной линзой точеч¬
ного источника, не на¬
ходящегося на прямой
наблюдатель — ГЛ
бражения источника излучения, не симметрично
расположенных относительно центра ГЛ, одно
внутри кольца, а другое - с внешней стороны
(рис. 151)
овалы или эллипсы (рис.152в). Ничего подобного
не получается для обычных оптических линз.
Интересно рассмотреть несколько примеров теоре¬
тически сформированных изображений линейно
протяженных источников. Они дают дополнитель¬
ные аргументы о принципиальном различии в пове¬
дении оптических и гравитационных линз. Их изоб¬
ражения показаны на рис. 153 и 154. Эти картинки
позволяют констатировать, что при самых различ¬
ных по форме и структуре источниках их изображе¬
ния отражают кольцеобразную структуру.
К 1990 г. зарегистрировано до десятка ГЛ и обна¬
ружены не только "удвоения" звезд, но и светящи¬
еся дуги от некоторых галактик. Наблюдение коль¬
цеобразной структуры изображений ученые наде¬
ются получить после создания телескопов доста¬
точно высокой разрешающей способности •
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ ОПТИКА

Гравитационные линзы
Э
Рис. 153
Изображение ГЛ решетки
в виде прямых линий:
а — предмет,
б — изображение
Э
Рис. 154
Изображение случайно
ориентированных отрезков прямых:
а — предмет, б — изображение
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ ОПТИКА

Атмосферная и космическая оптика
Гравитационные линзы
другого типа
Прозрачная ГЛ
Выше дано описание сферических непрозрачных
гравитационных линз. В качестве них выступают
массивные звезды. Но ведь мощные гравитацион¬
ные поля способны создавать также звездные
скопления или целые галактики. У них весьма ве¬
лика неоднородность распределения вещества.
Есть участки, через которые лучи от еще более
удаленных космических тел приходят на землю без
ослабления, попадая в промежутки между звезда¬
ми и туманностями. Такая линза, в некотором
смысле, будет подобна оптической. Лучше назы¬
вать ее частично-прозрачной, т.к. оптическая лин¬
за является полностью прозрачной. В симметрич¬
ном случае, в зависимости от расстояния наблюда¬
тель - ГЛ, в вцде изображения будем иметь светя¬
щуюся точку или кольцо и точку. При смещении
наблюдателя (или источника излучения) кольцо
разрывается на две части, стягивающиеся в точки,
находящиеся на противоположных сторонах линзы;
несколько смещается и точечное изображение от¬
носительно первоначально симметричного случая.
ГЛ, не нападающие сферической симметрией
В реальных случаях ГЛ чаще всего не имеют сфе¬
рической симметрии, т.к. галактики и звездные
скопления имеют самые разнообразные формы.
Даже звезды не являются идеальными сферами.
Тем не менее, при теоретическом рассмотрении
образования изображений ГЛ с отсутствием сим¬
метрии в распределении ее вещества приходится
допускать наличие некоторых симметричных эле¬
ментов. В противном случае, решение задачи на¬
талкивается на непреодолимые трудности.
Первой моделью ГЛ, не обладающей сферической
симметрией, но не лишенной полностью элементов
симметрии, является сфероадная ГЛ. На рис. 155
ее сечение представлено в виде овала. Там же
представлены изображения кругового источника,
Рис. 155
Изображение объемного источника S
сферической симметрии, не находяще¬
гося на прямой наблюдатель — ГЛ — объ¬
ект, даваемое ГЛ сфероидной формы
смещенного от оси центр ГЛ - наблюдатель. Как
видим, их четыре. Все они напоминают овалы, 3
из которых расположены справа от вертикальной
оси (2,1, 4), разделяющей ГЛ на две равных час¬
ти, а один (3) - слева.
На рис. 156, кроме симметричных случаев четырех
изображений точечного источника излучений, при¬
ведено два случая несимметричного расположения
последнего. На верхнем рисунке источник О сме¬
щен вправо в положение О'. Это приводит к сме¬
щению в том же направлении всех четырех изоб¬
ражений. Причем, а зависимости от расстояния
ОО'изображения 2, 1,4 могут даже слиться в одно
-2', Г, 4'.
На нижнем рисунке источник О'смещен вверх от¬
носительно симметричного расположения 0. Но¬
вые положения изображения, как и на верхнем ри¬
сунке, обозначены цифрами со штрихами. При
значительном смещении 00' изображения 3', Г,
4' сливаются в одно.
Если источник неточечный, то, как показано на
рис. 155, изображения будут иметь вид деформи¬
рованных эллипсов. С увеличением размера источ-
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ 1 П Т И К А

Гравитаціонные линзы
Рис. 156
Изображение ГЛ точечного
источника при симметричном
и несимметричном
расположении относительно
центра ГЛ сфероидного типа
ника увеличиваются также размеры изображений,
пока не сольются в сплошное кольцо.
Расчеты выполнены также для ГЛ в виде криволи¬
нейного ромба. Источник, попадающий в различ¬
ные участки такого ромба, может давать через
линзу от одного до пяти изображений. Для види¬
мой с ребра спиральной галактики в зависимости
от относительного положения источника также на¬
блюдается от одного до пяти изображений.
Вращающаяся галантна
При вращении космического образования даже
сферической симметрии происходит его деформа¬
ция, понижающая симметрию и размывающая фо¬
кус линзы в пятно. Точечный источник, дающий
кольцевое изображение в отсутствие вращения,
при его наличии дает изображение разорванного
кольца и стягивание возникающих дуг в две точки.
Для протяженного источника кольцо - изображе¬
ние определенной ширины при вращении ГЛ при¬
обретает узкие перемычки, которые могут сужать¬
ся и, наконец, разрываться.
Вращение ГЛ в единственном случае не влияет на
структуру изображения, когда источник находится
на оси вращения. Однако, дело не только в струк¬
туре изображения. При вращении гравитационной
массы вместе с отклонением происходит и закру¬
чивание луча, с которым связан еще один эффект
— вращение испытывает также плоскость поляри-
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ 1ІТХІА
251

Атмосферная о космическая оптика
зации электромагнитной волны. Для обычных
звезд, подобных Солнцу, угол поворота очень мал.
Даже для белых карликов, плотность вещества в
которых почти в миллион раз превышает плотность
Солнца, он достигает всего одной угловой секун¬
ды.
Закручивание светового луча не происходит, если
он распространяется в экваториальной плоскости,
испытывающей вращение ГЛ. Такой же результат
дает теория, если направление луча перпендикуляр¬
но оси вращения, а источник и наблюдатель распо¬
ложены симметрично относительно ГЛ, поскольку
направление поворота плоскости поляризации при
подходе к ГЛ и после нее противоположны.
При деформации изображения, вызванного враще¬
нием ГЛ, и наличии поляризации источника можно
кое-что сказать о параметрах ГЛ, например, опре¬
делить ее массу. Но для этого необходимо знать
расстояния до источника и ГЛ, а также угловые ко¬
ординаты изображений. Если линза сама излучает,
расстояние до нее определяется по красному сме¬
щению спектральных линий.
Задача установления параметров ГЛ не из легких и
решена в основном теоретически. Чтобы восполь¬
зоваться теорией, необходимо провести некоторые
измерения. Кроме перечисленных выше величин,
дополнительно надо определить изменение запаз¬
дывания сигналов для вращающейся ГЛ по сравне¬
нию с невращающейся. По-видимому, чаще всего
эта поправка будет за пределами точности изме¬
рений. Действительно, запаздывание посланного
до Меркурия сигнала из-за действия гравитацион¬
ного поля Солнца составляет 200 мкс. Это очень
большая и легко измеримая величина. Но поправ¬
ка на вращение Солнца вокруг своей оси не пре¬
вышает 2 • 10 10 с. Однако, для ГЛ, располагаю¬
щей массой на много порядков превышающей
массу Солнца, этой поправкой пренебречь нельзя.
Когда пишутся эти строки, экспериментальная аст¬
рофизика еще не располагает необходимой аппа¬
ратурой для определения с достаточной точностью
всех исходных данных, позволяющих дать деталь¬
ный паспорт ГЛ.
Гравитационные линзы, рожденные
черными дырами
Дыра в обычном представлении - это отвер¬
стие, через которое можно наблюдать за окру¬
жающей местностью, если дыра проделана в
каком-нибудь экране, или наливать жидкость,
если она открывает доступ в какой-нибудь со¬
суд. Во втором случае дыру можно назвать чер¬
ной или темной, когда стенки сосуда непро¬
зрачны для видимого света. В общем, дыра -
это отсутствие материального, это ничто. Но
оказывается в астрономии черная дыра - это
прямо противоположное понятие. Материя не
только не отсутствует, но обладает огромной
массой, сосредоточенной в малом объеме. Есть
предположение, что в центре ядер галактик су¬
ществуют черные дыры с массой 108 — 109 сол¬
нечных масс.
Звезды, как и люди. Рождаются, проходят раз¬
личные стадии развития и умирают. "Трупы" раз¬
личных звезд могут очень сильно отличаться.
Черная дыра и является примером такого "тру¬
па". Она возникает из звезды, масса которой по
крайней мере в два раза превышает массу Солн¬
ца, в результате так называемого гравитационно¬
го коллапса. Когда в недрах звезды заканчивают¬
ся ядерные реакции из-за последовательного вы¬
горания водорода, гелия и других легких элемен¬
тов, вследствие действия силы тяжести звезда
сжимается и этому сжатию не может противосто¬
ять ее внутреннее давление. Как говорят астро¬
физики, нарушается гидродинамическая устойчи¬
вость звезды. Сжатие продолжается до тех пор,
пока вся ее масса не будет сосредоточена в сфе¬
ре, радиус которой меньше гравитационного ра¬
диуса. Он чрезвычайно мал. Например, для
Солнца гд и 3 км, в то время как его истинный
радиус составляет 695 500 км. Можно пред¬
ставить себе огромную плотность вещества, со¬
средоточенного в черной дыре. Читателю пред¬
лагается рассчитать плотность Солнца в состоя¬
нии черной дыры, если средняя его плотность в
обычном состоянии всего 1,4 г/ см3.
ЗАІИМДТЕЯЬІДЯ ОПТИКА

Гравитационные линзы
Рис. 157
Искривление и захват
лучей черной дырой
Какими же лучами создается изображение уда¬
ленного источника излучения, попадающими в
поле действия ГЛ, которую образует черная ды¬
ра? Оказывается только теми, которые проходят
на солидном расстоянии от ее поверхности.
Центральная часть ГЛ, возникающей вокруг
черной дыры, искривляет траектории лучей на¬
столько сильно, что некоторые из них вообще
не могут выйти за ее пределы, а некоторые бу¬
дут многократно огибать звезду, приближаясь к
стационарной орбите. Найдутся и такие, кото¬
рые, обогнув звезду, навсегда уйдут от нее
(рис.158).
Расчеты показывают, что критическое расстояние
от центра черной дыры по перпендикуляру к лучу,
разделяющее лучи на поглощаемые и не поглоща¬
емые ею, вычисляются по следующей простой
формуле:
Ч = 2’58-Ѵ
Это расстояние считают радиусом черной дыры.
При L < ^ , лучи пересекают стационарную ор¬
биту и, совершив несколько оборотов, поглоща¬
ются звездой. Если /.немного превышает L^,
луч сделает один или несколько оборотов и уй¬
дет от звезды.
Описанное распределение лучей, попавших в поле
действия ГЛ от далекого протяженного источника
излучения, приводит к заключению, что черная
дыра будет видна наблюдателю в виде темного
пятна с радиусом, равным І^р. Это пятно окружено
светящимся ореолом, получившем название фо¬
тонной сферы.
Для вращающейся черной дыры не безразлично,
с какой стороны подходит к ней луч, будет ли его
направление совпадать с направлением вращения
или окажется противоположным ему. Хотя в об¬
щем картина искривления лучей получается сход¬
ной, некоторые различия все же имеются. Напри¬
мер, лучи, идущие по направлению вращения,
подходят ближе к центру притяжения, а попадаю¬
щие в гравитационное поле под углом к оси вра¬
щения описывают спираль вокруг ГЛ и покидают
ее. Разумеется, если их расстояние превышает
критическое (рис. 158)*
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ ОПТИКА

Атмосферная и космическая оптика
Микролинзы в ГЛ-галактиш.
Отождествление макролинз
Галактика, выступающая в роли ГЛ, содержит, как
правило, большое число звезд, каедая из которых
может действовать как ГЛ малого диаметра. Туже
роль могут играть и небольшие звездные скопле¬
ния, попадающие в состав галактики-линзы. Они
получили название микролинз. До тех пор, пока та¬
кие объекты не попадают на луч зрения наблюдате¬
ля, их возмущающее действие можно учитывать пу¬
тем усреднения гравитационного поля по всей мак¬
ролинзе. Однако, такое упрощение недопустимо,
когда вблизи макроизображения находится одна
или несколько микролинз. Из-за теоретических
трудностей в таких случаях обращаются к числен¬
ным расчетам, прибегая к быстродействующим
компьютерам. Такой подход позволил внести кор¬
рективы в "идеальное" изображение источника, ис¬
каженное макролинзой, в отношении его формы и
распределения интенсивности. При этом задача
рассматривалась для ряда сочетаний различных па¬
раметров макро- и микролинз и изменения разме¬
ров источника излучения. Остается эксперимен¬
тальная проверка рассчитанных особенностей в
изображениях большой ГЛ, вносимых действиями
микролинз. На сегодняшний день из 9-ти наблю¬
денных образованных гравитационными линзами
изображений только в одном случае высказано
предположение о проявлении микролинзового эф¬
фекта. Он относится к первому космическому ииях
большой ГЛ, вносимых действиями микролинз. На
сегодняшний день из 9-ти наблюденных образован¬
ных гравитационными линзами изображений только
в одном случае высказано предположение о прояв¬
лении микролинзового эффекта. Он относится к
первому космическому излучателю, изображения
которого, сформированные гравитационной фокуси¬
ровкой, были получены на фотопленке еще в 1950 г.
По фотографии можно было судить о наличии двух,
расположенных друг от друга на расстояниии около
6" источников. Их спектры удалось получить лишь в
1979 г. В том же году астрономы Уолш Карсвелл и
Вейман занимались отождествлением изображений
оптических и радиоизлучателей. В результате сопо¬
ставления полученных данных можно было сделать
вывод о наличии двух изображений одного и того
же квазара, мощного источника электромагнитного
излучения.
Квазары - наиболее удаленные космические обра¬
зования, отображаемые на фотоснимках в виде
звезд. Отсюда и название квазар. Оно происходит
от сокращенного английского словосочетания qua-
sistellar radio source, т.е. квазизвездный источник
радиоизлучения или quasar.
По идентичности оптических спектров обоих изоб¬
ражений квазара можно было судитъ об их общем
происхождении. Привлечение радиоастрономичес¬
ких данных усилило уверенность ученых в правиль¬
ной интерпретации наблюдаемой картины.
Более четким критерием для отождествления ГЛ
является когерентность сформированных ею изоб¬
ражений. Отсутствие когерентности указывает на
различную природу изображений. Правда, крите¬
рий когерентности справедлив для точечного ис¬
точника излучения. Дополнительным условием
должно быть отсутствие неоднородностей в самой
ГЛ, в частности отсутствие микролинз. В случае
протяженного источника необходимо пользоваться
специальными светофильтрами, обладающими
очень узкими полосами пропускания. Станет ли
критерий когерентности рабочим методом, покажет
будущее, а пока что пользуются сравнением спект¬
ров как в оптическом, так и в радиодиапазоне.
А как же обстоят дела с обнаружением самой ГЛ,
дающей два изображения квазара? Как только уче¬
ные прониклись уверенностью в принадлежности
двух наблюдаемых изображений одному и тому же
квазару, тут же началась охота за линзой. В том же
1979 году она была обнаружена двумя группами
астрономов и дано ее описание. Это оказалась га¬
лактика эллиптической формы, выделяющаяся
среди скопления галактик своей высокой яркос¬
тью. Последующие наблюдения и построения тео¬
ретических моделей привели к выводу о частичной
прозрачности ГЛ. Но тогда должно наблюдаться
еще одно, третье изображение квазара. Оно было
обнаружено в начале 80-х годов с помощью меж-
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ 0 Н Т Н К А

Гравитационные линзы
континентальных радиоинтерферометров. Как и
следовало ожидать, третье изображение распо¬
лагается между обнаруженными ранее изображе¬
ниями. Ничтожная интенсивность не позволила за¬
регистрировать его оптическими телескопами.
Очередное наблюдение родственных изображений
другого квазара состоялось в 1980 г. Сначала были
обнаружены три изображения, одно из которых оказа¬
лось двойным, затем зарегистрировано и пятое. Та¬
ким образом, можно было предположить, что линзо¬
вый эффект производится массивной галактикой, воз¬
можно спирального типа, однако, в настоящее время
еще недостаточно данных для окончательного ответа
на вопрос, какова структура данной ГЛ. Такой же вы¬
вод можно сделать и на основании наблюдаемых изо¬
бражений еще пяти квазаров. Какие космические объ¬
екты выступают в качестве ГЛ, покажет будущее.
Усиление граеииіаципиний линзы
Фокусирующее действие гравитационной линзы,
т.е. усиление светимости наблюдаемого объекта, в
первую очередь определяется ее массой и ком¬
пактностью. Слишком "рыхлая" линза, например, в
виде целой галактики, т.е. "прозрачная" гравита¬
ционная линза, обладает худшими параметрами по
сравнению с плотно упакованным образованием с
той же массой. Но, кроме главного фактора массы,
существуют и другие факторы, например, явление
дифракции, рассеяние световых волн на плаз¬
менных неоднородностях звездной среды, влияние
вращения гравитационной линзы, длина волны из¬
лучаемого объекта.
Учет дифракции показывает, что максимально воз¬
можный коэффициент усиления qmax на главной
фокальной оси гравитационной линзы пропорцио¬
нален гравитационному радиусу лд и обратно про¬
порционален длине волны излучения I:
4U - rg/X .
Длинноволновая граница фокусировки в значи¬
тельной мере определяется рассеянием на неод¬
нородностях космической плазмы, а неодинаковое
распределение массы по всем различным сечени-
Два последних случая наблюдения изображений
в ГЛ относятся к источникам в виде галактик,
т.е. к протяженным источникам излучения. По¬
водом для поисков линзового эффекта на такого
рода объектах послужила необъяснимо высокая
светимость некоторых радиогалактик, которую
можно объяснить только гравитационной фоку¬
сировкой.
Предварительные расчеты показали, что две из че¬
тырех ярких радиогалактик только в результате
действия ГЛ могли приобрести наблюдаемую
"сверхсветимость". Кроме этого, они должны об¬
разовать также множество изображений. Путем
анализа оптических спектров установлено несколь¬
ко гравитационных изображений обеих галактик и
высказаны некоторые предположения о строении
соответствующих ГЛ •
ям гравитационной линзы, т.е. отсутствие сфери¬
ческой симметрии такого распределения, обуслов¬
ливает в известной степени коротковолновую гра¬
ницу фокусировки /„mjn. Оказывается, в таком же
направлении действует и вращение гравитацион¬
ной линзы. А.А. Минаков рассмотрел этот вопрос
теоретически. Его вычисления привели к квадра¬
тичной зависимости между и углом поворота а
фокальной плоскости гравитационной линзы, вы¬
званным ее вращением:
K»*a2L.
где а — угол поворота фокальной плоскости лин¬
зы, L — расстояние до наблюдателя.
Представив себе Солнце в веде гравитационной
линзы, расчеты А.А. Минакова для земного наблю¬
дателя дают значение Xmin = 10 5 см или 1000 А,
т.е. глубокий ультрафиолет, граничащий с мягкими
рентгеновскими лучами. Коэффициент усиления
qmx получил в тех же расчетах значение -1011.
Введу того, что ос уменьшается с уменьшением
скорости вращения звезды, Xmin также уменьша¬
ется и наименьшего значения достигает, когда она
вдруг перестает вращаться. Выходит, вращение
гравитационной линзы только увеличивает мини-
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ І8ТИ1А

Атмосферная о космическая оптика
мальную длину волны еще собираемого на данном
расстоянии L от нее электромагнитного излучения.
Фокусировка более коротких волн как для вращаю¬
щихся, так и для невращающихся гравитационных
линз будет осуществляться на больших расстояни¬
ях. Такой результат можно комментировать следу¬
ющим образом. Захват электромагнитной волны
гравитационным полем небесного тела тем легче
(при прочих равных условиях), чем больше длина
волны, т.к. протяженность участка взаимодействия
этих двух агентов возрастает с ростом X. Именно
поэтому длинные радиоволны невозможно заста¬
витъ оторваться от Земли. Для длинных радиоволн
не существует "мертвого" пространства. Чем коро¬
че радиоволны, тем легче обеспечить их четкую
направленность.
Тот же результат на языке квантов света поясняет¬
ся, возможно, проще: чем меньше длина волны,
тем больше энергия hv кванта электромагнитного
излучения, тем больше его импульс, а, значит, со¬
противление гравитационному воздействию.
Из изложенного ясно, что гравитационная линза
обладает хроматической аберрацией, которая за¬
ключается в том, что лучи разных длин волн соби¬
раются в различных точках оптической оси. Ближе
к гравитационной линзе расположен фокус крас¬
ных лучей, дальше всего — фокус фиолетовых.
Хроматическая аберрация обычной стеклянной
линзы имеет противоположный знак: ближе к ней
собираются коротковолновые лучи.
И все же трудно ожидать, чтобы в одной из фо¬
кальных плоскостей для условно выделенной дли¬
ны волны мы получили радужное изображение ка¬
кого-либо светящегося космического образования.
Ведь кроме хроматической аберрации гравитаци¬
онная линза обладает огромной сферической
аберрацией: чем больше расстояние до луча, про¬
ходящего мимо гравитационной линзы, тем даль¬
ше от нее расположен фокус (рис. 149). Действие
обеих аберраций приводит к перемешиванию раз¬
личных цветов видимого спектра, и наблюдатель
видит неокрашенный космический объект •

Литература
Аванесов ГА, Мороз В.И. Ядро кометы Галлея // Наука и чело¬
вечество. - М., 1988. - С. 400.
Арго Ф. Гром и молния. - Санкт-Петербург, 1859.
Бари Дж. Шаровая и чечеточная молния. - М., 1988. - 288 с.
Барсегян А.Ж. Армянские хроники ХІ-ХІІ в.в. о солнечной актив¬
ности// Природа. - 1988, № 10. - С. 32-34.
Бербиджю Дж. Почему только модель расширяющейся Вселен¬
ной?// В мире науки. - 1992, №4. - С. 95-96.
Блиох П.Б., Минаков А.А. Гравитационные линзы. - К., 1989. -
240 с.
Бронштейн В.А. Почему светилось небо после Тунгусского взры
ва // Природа. - 1993. - № 9.
Банке В., Лопухин В.М., Савин В.А. Проблемы солнечных элект¬
ростанций //УФН. - 1977. - Т.123, вып.4. - С. 633-655.
Варваров Н.А. //Техника молодежи. - 1960, № 3. - 34 с.
Войцеховский Б.В., Войцеховский Б.Б. Свечение в потоке заря
женных капель // Письма в ЖЭТФ. - 1976. - Т.23, вып.1.
Гаврилов В. Световые явления ватмосфере. - М., 1952. - 96 с.
Гейдон А., Пирс Р. Отождествление молекулярных спектров. -
М., 1949.- 240 с.
Герцберг Г. Спектры и строение двухатомных молекул. -
М., 1949.-404 с.
Герцберг Г. Колебательные и вращательные спектры многоатом¬
ных молекул. - М., 1949. - 648 с.
Герцберг Г. Электронные спектры многоатомных молекул. -
М., 1969.-772 с.
Герцберг Г. Атомные спектры и строение атомов. - М., 1948. - 280 с.
Гетман В.С. Внуки Солнца. - М., 1989. - 176 с.
Глазер П.Э. Перспективы спутниковой солнечной энергетики //
ТИИЭР. - 1977. - Т.65, № 8. - С. 67-85.
Глушко В.П. Реактивные двигатели ГДЛ - ОКБ. - М., 1975.
Губарев В. Серебристые облака // Наука и жизнь. - 1978, №11.
Дуков Б.М. Петро Миколаевич Лебедев. - К., 1952. - 110 с.
Евсюков Е., Комисаров С. Колесницы на земле и в небесах //
Атеист, чтения. - 1985. - № 14. - 104 с.
Ельяшевич МА Атомная и молекулярная спектроскопия. - М.,
1962.- 892 с.
Зверева С.В. В мире солнечного света. - М., 1988. - 156 с.
Иванченков А.С. Визуальные наблюдения с борта станции ІСа-
лют - 6І // Наука и человечество. - 1981.-400 с.
Имянитов И., Тихий Д. За гранью законов науки. - М., 1980. -
190 с.
КингУ. Облака: взгляд с исследовательского самолета // Наука и
человечество. - 1982. - 400 с.
Комаров В.Н. Новая занимательная астрономия. - М., 1972. -
280 с.
Котляков В.М. Природные льды планеты // Наука и человечест¬
во. - 1980. - С. 91-122.
Коул К., Похотелов ОА Плазменные бури в магнитосфере Зем¬
ли// Наука и человечество. - 1981.
Крат ВА Новые представления о фотосфере Солнца// Наука и
человечество. - 1978. - С. 219-227.
Кудрявцев П.С. История физики. - М., 1956. -Т. 1. -560 с; М.,
1956. - Т.2.-487 с.
Кульский Л А, Даль В.В., Ленчина Л.Г. Вода знакомая и загадоч¬
ная. - К., 1982. - 120 с.
Лазарев А.И., Авакян С.В., Севастьянов В.И. Ореол вокруг кос¬
мических аппаратов// Природа. - 1989. - № 2. - С. 100-102.
Лазарев А.И., Леонов АА Оптические наблюдения с пилотируе¬
мого космического корабля ІВосход-2І// Опт.мех.пром. -
1973,-№7.
Ландсберг Г. Оптика. - М., 1976. - 926 с.
Лебединец В.Н. Органическое вещество в межпланетном простран¬
стве // Труды Института экспериментальной метеорологии. Оптика
атмосферы. - 1991. - Вып. 24 (150). - С. 3-13.
Левитт И. За пределами известного мира : от белых карликов до
квазаров. - М., 1978. - 174 с.
Лицднер Г. Картины современной физики. - М., 1977. - 370 с.
Масевич А.Г., Илл М., Касименко Т.В. Модель земной атмосфе¬
ры строит астроном // Наука и человечество. - 1990. -
С. 291-301.
Матье М.Э. Египетские мифы. - М. Л., 1956. - 172 с.
Мезенцев В. Есть ли чудеса в природе? - М., 1956. - 172 с.
Минаков АА Влияние вращения Земли на гравитационную фо¬
кусировку электромагнитного излучения // Известия вузов. Ра¬
диофизика. - 1981. - Т. 24, № 3.
Миннарт М. Свет и цвет в природе. - М., 1958. - 424 с.
Оуэн Т. Внешние планеты и их спутники // Наука и человечество.
- 1990. - С. 270-285.
Перельман Я.И. Межпланетные путешествия: полеты в небесное
пространство идостижение небесных светил. - Л., 1923.
Петров Г.И. Солнечный ветер // Наука и человечество. - 1970. -
С.400.
Полякова Е.Н. Космический полет с солнечным парусом. -
М„ 1986.-304 с.
Пономарев А.И. Под знаком кванта. - М., 1989. - 366 с.
ЗАНИМАТЕЛЬНАЯ ПНТНКА

Атмосферная п космическая оптика
Пугач А.Ф., Чурюмов К.И. Небо без чудес. - К., 1987. - 228 с.
Резников АЕ., ШварцбургАА Парусники эпохи гелиографичес-
ких открытий // Природа. - 1991, № 5. - 87 с.
Роч Ф., Гордон Дж. Свечение ночного неба. - М., 1977. - 150 с.
Севастьянов В.И. Научный поиск ІСалют-4І // Наука и человече¬
ство. - 1978. - С. 199-211.
Северный А.Б. Вспышки на Солнце // Наука и человечество. -
1970.-С. 400.
Сихоте-Алинский метеорит / БСЭ - М., 1956. - Т. 39. -
С. 89-90.
Смирнов Б.М. Проблемы шаровой молнии. - М., 1988. - 208 с.
Стаханов И.П. О физической природе шаровой молнии. -
М., 1985.- 208 с.
Стингл М. Тайны индийских пирамид. - М., 1982. - 247 с.
Сывороткин В .Л. Дегазация Земли и разрушение озонового слоя
// Природа. - 1993, № 9.
Тарасов Л.В., Тарасова А.Н. Беседы о преломлении света. -
М., 1982. - 176 с.
Тейлор Э.Б. Первобытная культура. - М., 1989. - 273 с.
Троицкий В.С. Экспериментальные свидетельства против Іболь
шого взрываі// УФН. - 1995. - Т. 165, № 6.
Уманский С.П. Космическая одиссея. - М., 1988. - 288 с.
Филиппков А.Х. Человек и стихия. - Л., 1976. - 156 с.
Физика космоса (маленькая энциклопедия)/ Под. ред. Сюняева
РА.-М., 1986.- 784с.
Фортов В.Е., Гнедин Ю.Н., Иванов М.Ф., Клумов БА Столкнове¬
ние кометы Шумайкер-Леви 9 с Юпитером // УФН. - 1996. - Т.
166, №4.-С. 391-422.
Харидзе Е.К., Бартая РА Источники астрофизической информа¬
ции - спектральная классификация звезд // Наука и человечест¬
во. - 1986. - С. 227-246.
Хаттаров В.У., Филюшкин В.В. Озон: прогнозы и реальности //
Наука и человечество. - 1990. - С. 149-156.
Хвостиков И.А. Свечение ночного неба. - М. Л., 1948. - 496 с.
Циолковский К.Э. Жизнь в межзвездной среде. - М., 1964. -63 с.
Чурюмов К.И. Кометы и их наблюдение. - М., 1980. - 160 с.
Шарма Р. На борту орбитального комплекса ІСоюз-Т-101 - ІСо
юз-Т-111 // Наука и человечество. - 1986. - С. 201-208.
ШеплиХ. Звезды и люди. - М., 1962. - 152 с.
Шифрин К.С. Рассеяние света в мутной среде. - М. Л., 1951. -
С. 288.
Яцкив Я.С., Костык Р.И., Щукина Н.Г. Спектральные исследова¬
ния Солнца// Наука и человечество. - М., 1986. - С. 215-225.
Finger G. and Kneubuhl F.K. Spectral Thermal Infrared Emission of
the Ferrestrial Atmosphere. // Infrared and millimeter waves. - 1984.
-Vol.12.-P.145-193.
Greenler R. Rainbows, halos, and glories. // Cambridge University
Press.- 1980.-P.195.
Krisher T.P., Anderson J.D., and Campbell J.K. Test of the
Gravitational Redshift Effect at Saturn. // Infrared Phys. - 1982. -
Vol. 22. - P. 277.
Naik Y.G. and Joshi R.M. Anti-Corones or Brocken Bows. // JOSA. -
1955.-Vol. 45, №9.-P.733-736.
Olson R.J.M. Fire and Ice. A History of Comets in Art. - NewYork.
Reichstein M. Kometen. Kosmische Vagabunden. - L.-J.-B., 1985.
- 208 p.
Verdet J.-P. The Sky, Mystery, Magic and Myth. - 1992. - 200 p.
Yeomans D.K. Comets. Achronological History of Observation. -
Science, Myth, and Folklore. - New York.
Zurchen Ch., Finger G., Kneubuhl F.K., Thieband F. and Vetsch H.
The influence of thermal and solar radiation on the energy consump¬
tion of buildings. // Infrared Phys. - 1982. - Vol. 22. - P. 277.
ЗАПИМАТЕІЬІАЯ ОПТИКА

Содержание
Введение 	3
Спектры атомов 	5
Планетарная модель атома. Атом водорода
и теория Бора 	5
Многоэлектронные атомы 	10
Пространственное квантование 	11
Молекулярные спектры	17
Введение 	17
Электронные состояния двухатомных молекул 	17
Колебания двухатомных молекул 	22
Вращение двухатомной молекулы 	24
Колебательно-вращательные спектры двухатомных
молекул 	25
Электронные спектры многоатомных молекул	27
Внутримолекулярные колебания С02, Н2и 05	29
Излучение абсолютно черного тела 	34
Скорость света 	38
Определение скорости света 	38
Скорость света, превышающая с	42
Фазовая и групповая скорости 	44
Явление Доплера	48
Характеристики волны 	48
Явление Доплера в акустике 	51
Эффект Доплера в оптике	53
Явление Доплера и ширина спектральных 	54
Явление Доплера в астрономии	56
Давление света	63
Что было известно до П.Н.Лебедева	63
Лебедев и его опыты с твердыми телами 	64
Давление света на газы	67
Атмосфера Земли	70
Модель земной атмосферы 	70
О чистоте атмосферы Земли 	72
Проблема озонных дыр в атмосфере Земли	74
Поверхность льда и озонная дыра 	76
Рассеяние света 	78
Молекулярное рассеяние 	78
Аэрозольное рассеяние	79
Рассеяние света дымом 	81
Поляризация рассеянного света	82
Голубое Солнце 	84
Радуги 	85
Историческое введение 	85
Главная радуга 	87
Вторичная радуга 	92
Поляризация лучей радуги 	93
Отраженная вертикальная радуга 	94
Горизонтальная радуга 	94
Лунная радуга 	97
Искусственные радуги	97
Корона и антикорона	99
Корона и венцы 	99
Кольцо Бишопа	100
Антикорона 	101
Брокенский призрак 	102
Нимбы 	103
Иризация облаков	104
Оптические явления в атмосфере, вызванные
рефракцией света	106
Атмосферная рефракция 	106
Мерцание Звезд 	110
Земная рефракция 	112
Рефракционное увеличение продолжительности дня ..112
Искажения и умножения солнечного и лунного дисков ..113
Зеленый луч	116
Рефракция и линия горизонта 	117
Нижние миражи 	119
Верхние миражи 	121
Фата Моргана	125
Солнце и Луна у горизонта 	126
Гало	128
Двадцатидвухградусное тало	128
46-градусное тало 	131
Ложные Солнца 	132
Солнечные столбы. Неокрашенное гало 	133
Комплекс тало, ложных солнц и дуг	134
Другие случаи наблюдения тало	136
Кресты и мечи 	137
Молния 	139
"Наука о молнии" Сенеки 	139
Линейная молния 	139

Шаровая молния 	142
Энергия шаровой молнии 	143
Визит шаровой молнии в Новосибирский
академгородок 	144
Температура шаровой молнии 	145
Строение и вещество шаровой молнии	147
Спектр свечения шаровой молнии 	148
Характер движения и размеры шаровой молнии .. .149
Скорость движения шаровой молнии 	150
Чечеточная молния 	152
Огни Святого Эльма 	153
Ночное свечение атмосферы 	155
Свечение натрия и кислорода 	155
Зодиакальный свет и противосияние 	159
Серебристые облака 	160
Полярные сияния и солнечная активность	164
Ореол вокруг космических аппаратов 	170
Наблюдение Земли из космоса	173
Тепловое излучение Земли 	173
Наблюдения и фотографирование земной
поверхности	175
Свет Луны 	178
Легенды и мифы о Луне 	178
Вклад Луны в освещенность Земли 	181
Лунные обсерватории и космодромы	182
Свет от планет 	185
Освещенность планет Солнцем 	185
Вспышки на Марсе	185
Большое красное пятно Юпитера 	188
Планеты группы Юпитера 	189
Солнце 	195
Легенды и мифы о Солнце 	195
Энергия Солнца 	199
Фотосфера, хромосфера и корона 	202
Солнечные вспышки и солнечный ветер	204
Спектр Солнца 	206
Использование солнечной энергии	210
Фотосинтез 	210
Первый солнечный генератор Архимеда 	213
Спутниковые солнечные электростанции (ССЭ) . .. .215
Корабли с солнечным парусом 	222
Излучение звезд	230
Температура, спектры и эволюция звезд	230
Свечение Сверхновых 	233
Излучение планетарных туманностей 	239
Фотометрический парадокс	240
Млечный путь	245
Кометы	247
История наблюдений комет 	247
Легенды и мифы	252
Литература и искусство	256
Строение комет 	259
Спектры комет 	260
Вспышки яркости комет	263
Комета Галлея 	265
Ядро кометы Галлея 	265
Столкновение кометы Шумейкер-Леви с Юпитером . .270
Метеоры и метеориты	274
Падающие звезды	274
Столкновение метеоритов с Землей	275
Сихотэ-Алинский метеорит 	278
Тунгусский метеорит 	278
Гравитационные линзы	282
Эйнштейн и открытие гравитационной линзы 	282
Точечный источник 	283
Протяженный источник 	284
Гравитационные линзы другого типа	285
Вращающаяся галактика 	286
Гравитационные линзы, рожденные черными дырами .287
Микролинзы в ГЛ - галактиках. Отождествление
макролинз 	288
Усиление гравитационной линзы 	290
Литература	293