Яркость неба

Яркость неба относится к визуальному восприятию неба и тому , как оно рассеивает и рассеивает свет. Тот факт, что небо ночью не совсем темное, легко заметить. Если бы источники света (например, Луна и световое загрязнение ) были удалены с ночного неба только прямой звездный свет , был бы виден .

Яркость неба сильно меняется в течение дня, и основная причина также различается. В дневное время , когда Солнце находится над горизонтом, прямое рассеяние солнечного света является доминирующим источником света. В сумерках (продолжительность после захода солнца или перед восходом солнца до или после соответственно полной темноты ночи) ситуация сложнее и требуется дальнейшая дифференциация.

Сумерки (как сумерки , так и рассвет ) разделены на три сегмента по 6°, которые отмечают положение Солнца под горизонтом. Во время гражданских сумерек центр солнечного диска оказывается на расстоянии от 1/4° до 6° ниже горизонта. В морские сумерки Солнца высота составляет от –6° до –12°. В астрономические сумерки Солнце находится между –12° и –18°. Когда глубина Солнца превышает 18°, небо обычно достигает максимальной темноты.

Источниками собственной яркости ночного неба являются свечение воздуха , непрямое рассеяние солнечного света , рассеяние звездного света и световое загрязнение . ^[1]

Свечение воздуха

Когда физик Андерс Ангстрем исследовал спектр северного сияния , он обнаружил, что даже в те ночи, когда полярное сияние отсутствовало, его характерная зеленая линия все еще присутствовала. Лишь в 1920-х годах ученые начали идентифицировать и понимать эмиссионные линии в полярных сияниях и самом небе, а также то, что их вызывает. Наблюдаемая зеленая линия Ангстрема на самом деле представляет собой линию излучения с длиной волны 557,7 нм, вызванную рекомбинацией кислорода в верхних слоях атмосферы.

Свечение воздуха — это собирательное название различных процессов в верхних слоях атмосферы, которые приводят к испусканию фотонов, движущей силой которых является в первую очередь УФ-излучение Солнца. Несколько эмиссионных линий являются доминирующими: зеленая линия кислорода при 557,7 нм, желтый дублет натрия при 589,0 и 589,6 нм и красные линии кислорода при 630,0 и 636,4 нм.

Эмиссии натрия происходят из тонкого слоя натрия толщиной примерно 10 км на высоте 90–100 км, над мезопаузой и в D-слое ионосферы . Красные линии кислорода берут начало на высоте около 300 км, в F-слое. Выбросы зеленого кислорода более пространственно распределены. Как натрий попадает на высоту мезосферы, пока не совсем понятно, но считается, что это сочетание восходящего переноса морской соли и метеоритной пыли.

В дневное время преобладают выбросы натрия и красного кислорода, которые примерно в 1000 раз ярче, чем ночные выбросы, поскольку в дневное время верхние слои атмосферы полностью подвергаются солнечному УФ-излучению. Однако эффект незаметен для человеческого глаза, поскольку блики прямо рассеянного солнечного света затмевают и затемняют его.

Косвенное рассеяние солнечного света

Количество воздуха, все еще освещенное после захода солнца, на горизонте. Нормализовано так, что зенит равен 1 воздушной массе.

Косвенно рассеянный солнечный свет исходит с двух направлений. Из самой атмосферы и из космоса. В первом случае Солнце только что зашло, но все еще напрямую освещает верхние слои атмосферы. Поскольку количество рассеянного солнечного света пропорционально количеству рассеивателей (т.е. молекул воздуха) на луче зрения, интенсивность этого света быстро уменьшается по мере того, как Солнце опускается ниже горизонта и освещает меньшую часть атмосферы.

Когда высота Солнца <-6°, 99% атмосферы в зените находится в тени Земли, и наступает рассеяние второго порядка. Однако на горизонте 35% атмосферы вдоль луча зрения все еще освещено напрямую, и продолжает освещаться до тех пор, пока солнце не достигнет -12°. От -12° до -18° еще освещены только самые верхние части атмосферы вдоль горизонта, непосредственно над местом, где находится Солнце. После этого всякое прямое освещение прекращается и наступает астрономическая тьма.

Вторым источником солнечного света является зодиакальный свет , который возникает в результате отражения и рассеяния солнечного света на межпланетной пыли. Зодиакальный свет довольно сильно различается по интенсивности в зависимости от положения Земли, местоположения наблюдателя, времени года, а также состава и распределения отражающей пыли.

Рассеянный свет от внеземных источников

Молекулы воздуха рассеивают не только солнечный свет. Звездный свет и рассеянный свет Млечного Пути также рассеиваются в воздухе, и обнаружено, что звезды до V звездной величины вносят свой вклад в рассеянный звездный свет.

Другие источники, такие как галактики и туманности, не вносят существенного вклада.

Суммарная яркость всех звезд была впервые измерена Бернсом в 1899 году, и в результате расчетов выяснилось, что общая яркость, достигающая Земли, эквивалентна яркости 2000 звезд первой величины. ^[2] с последующими измерениями другими. ^[3]

Световое загрязнение

Световое загрязнение является постоянно растущим источником яркости неба в городских районах . В густонаселенных районах, где нет строгого контроля за световым загрязнением, все ночное небо обычно в 5–50 раз ярче, чем было бы, если бы все освещение было выключено, и очень часто влияние светового загрязнения намного больше, чем влияние естественных источников ( включая лунный свет). Из-за урбанизации и светового загрязнения треть человечества, и большинство жителей развитых стран, не могут увидеть Млечный Путь . ^[4]

Сумерки

Когда Солнце только что зашло, яркость неба быстро уменьшается, что позволяет наблюдать свечение воздуха, которое возникает на таких больших высотах, что они все еще полностью освещены солнцем, пока Солнце не опустится более чем на 12 ° ниже горизонта. В это время преобладают желтые излучения слоя натрия и красные излучения кислородных линий с длиной волны 630 нм, которые способствуют появлению пурпурного цвета, который иногда наблюдается во время гражданских и морских сумерек.

После того, как Солнце также зашло на эти высоты в конце морских сумерек, интенсивность света, исходящего от ранее упомянутых линий, уменьшается, пока кислородно-зеленый цвет не останется доминирующим источником.

Когда наступает астрономическая тьма, доминирует зеленая линия кислорода с длиной волны 557,7 нм, и происходит атмосферное рассеяние звездного света.

Дифференциальное преломление приводит к доминированию различных частей спектра, создавая золотой час и синий час .

Относительные вклады

В следующей таблице дан относительный и абсолютный вклад в яркость ночного неба в зените в совершенно темную ночь в средних широтах без лунного света и при отсутствии какого-либо светового загрязнения .

**Яркость ночного неба**
Причина	Яркость поверхности [S ₁₀ ]	Процент
Свечение воздуха	145	65
Зодиакальный свет	60	27
Рассеянный звездный свет	~15	7

(Единица S ₁₀ определяется как поверхностная яркость звезды, чья V-величина равна 10, а свет размыт на один квадратный градус, или 27,78 магнитных угловых секунд. ⁻².)

Таким образом, общая яркость неба в зените составляет ~ 220 S ₁₀ или 21,9 магн./угл. сек² в V-диапазоне. Обратите внимание, что вклад свечения воздуха и зодиакального света меняется в зависимости от времени года, солнечного цикла и широты наблюдателя примерно следующим образом:

{\rm {Airglow}}/{\rm {S}}_{10}=145+108(S-0.8)

где S — поток солнечной энергии 10,7 см в МДж, синусоидально варьирующийся от 0,8 до 2,0 с 11-летним солнечным циклом, что дает верхний вклад ~270 S ₁₀ в максимуме солнечной активности.

Интенсивность зодиакального света зависит от эклиптической широты и долготы наблюдаемой точки неба относительно Солнца. При эклиптических долготах, отличающихся от солнечной более чем на 90 градусов, соотношение равно

{\rm {ZodiacalLight}}/{\rm {S}}_{10}=140-90\sin(|\beta |)

где β — широта эклиптики и меньше 60°, при широте больше 60° вклад указан в таблице. Вдоль плоскости эклиптики наблюдается усиление зодиакального света, где он намного ярче вблизи Солнца и со вторичным максимумом напротив Солнца на 180 градусах долготы (gegenschein ) .

В крайних случаях естественная яркость неба в зените может достигать ~ 21,0 магн./угл. сек., что примерно вдвое превышает номинальные условия.

См. также

Ссылки

^ Ф. Патат. «Яркость ночного неба» . ЭСО . Проверено 27 ноября 2015 г.
^ Бернс, Г.Дж., «Общее количество звездного света и яркость неба», Обсерватория, Том. 33 , с. 123–129, март 1910 г.; доступно в Системе астрофизических данных SAO/NASA (получено 27 ноября 2015 г.)
^ Интема, Л., «О яркости неба и общем количестве звездного света», Публикации Астрономической лаборатории Каптейна в Гронингене, том. 22 , стр. 1-55 (1909); доступно в Системе астрофизических данных SAO/NASA (получено 27 ноября 2015 г.)
^ Дэвис, Никола (10 июня 2016 г.). «Млечный Путь больше не виден трети человечества, как показывает атлас светового загрязнения» . Хранитель . Проверено 11 июля 2016 г.

[1] Ф. Патат. «Яркость ночного неба» . ЭСО . Проверено 27 ноября 2015 г.

[2] Бернс, Г.Дж., «Общее количество звездного света и яркость неба», Обсерватория, Том. 33 , с. 123–129, март 1910 г.; доступно в Системе астрофизических данных SAO/NASA (получено 27 ноября 2015 г.)

[3] Интема, Л., «О яркости неба и общем количестве звездного света», Публикации Астрономической лаборатории Каптейна в Гронингене, том. 22 , стр. 1-55 (1909); доступно в Системе астрофизических данных SAO/NASA (получено 27 ноября 2015 г.)

[4] Дэвис, Никола (10 июня 2016 г.). «Млечный Путь больше не виден трети человечества, как показывает атлас светового загрязнения» . Хранитель . Проверено 11 июля 2016 г.

[1]

[2]

[3]

[4]