Общая картина сумеречных явлений

Г.В.Розенберг

Параграф 2 из введения
к книге "Сумерки"
Физматгиз, 1963

Под сумерками понимают весь комплекс оптических явлений, совершающихся в атмосфере, когда Солнце находится вблизи горизонта, т. е. в период времени, разделяющий дневные условия освещения от ночи.

Основным фактором, определяющим ход этих явлений, служит рассеяние солнечного света в земной атмосфере и связанное с ним ослабление прямых лучей Солнца. Когда последнее склоняется к горизонту, то путь его лучей сквозь атмосферу увеличивается, и их яркость ослабевает, что ведет к уменьшению освещенности земной поверхности как прямым светом Солнца, так и светом, рассеянным атмосферой. В дневных условиях эта зависимость освещенности от высоты Солнца над горизонтом невелика. Но когда Солнце опускается до 5-10^o над горизонтом, процесс убывания освещенности резко ускоряется. Наступление ускоренного убывания освещенности и следует считать началом сумерек.

Одновременно начинает уменьшаться и относительная роль быстро ослабевающих прямых лучей Солнца в освещении земной поверхности. Источником освещения все в большей степени становится атмосфера, пронизываемая лучами заходящего Солнца. С момента захода Солнца она остается единственным источником света. Но постепенно тень Земли поднимается выше, захватывая все увеличивающуюся часть атмосферы. Ее нижние слои, утонувшие в земной тени, уже не вносят своего вклада в яркость неба и рассеянный свет поступает от все более и более высоких слоев, еще освещаемых прямыми солнечными лучами. А так как плотность воздуха, а с ней и коэффициент рассеяния быстро убывают с высотой, то солнечный свет рассеивается все слабее, яркость неба уменьшается, а вместе с тем падает и освещенность земной поверхности. При погружении Солнца примерно на 10-15^o под горизонт начинает сказываться уже собственное свечение высоких слоев атмосферы и свет звезд - освещенность постепенно приближается к ночной. Переход к ночи завершается обычно при глубине Солнца 17-19^o под горизонтом, но иногда, при повышенной замутненности атмосферы, затягивается до 22-23^o. При этом, как правило, обнаруживается слабый минимум освещенности и яркости неба при погружении Солнца под горизонт на 20-23^o. Таким образом, границы сумеречного периода сильно размыты и сдвигаются в зависимости от атмосферных условий. Длительность сумерек определяется быстротой, с которой Солнце опускается под горизонт, т. е. географической широтой и временем года. В течение сумерек освещенность земной поверхности изменяется почти в миллиард раз - от W = 10⁵ лк днем до 10^-4 лк ночью.

Осредненная зависимость освещенности (в люксах) горизонтальной площадки .от зенитного расстояния Солнца.

На рисунке приведена осредненная зависимость освещенности Е горизонтальной площадки от зенитного расстояния Солнца t. Данные на рисунке относятся к безоблачному небу летом. Наличие снега слегка (в 1,5-2 раза) повышает освещенность при больших погружениях Солнца под горизонт и почти не сказывается в светлой части сумерек. Гораздо более заметное влияние на освещенность оказывает характер облачности. Как правило, присутствие облаков вызывает уменьшение освещенности порой (при пасмурной погоде) на порядок, .однако почти не сказывается на ее зависимости от погружения Солнца.

Исходя из практической потребности оценивать условия видимости в различное время суток, исторически сложилась традиция разделять сумерки на три стадии в зависимости от величины сумеречной освещенности (см. рисунок). Наиболее светлая часть сумерек, когда естественное освещение на открытом месте обеспечивает возможность выполнения любых работ, включая чтение, получила название "гражданских" сумерек. В отношении установления их границы нет полного единогласия - эту границу связывают с глубинами погружения Солнца под горизонт от 6 до 8^o. Однако в последнее время большинство авторов склоняется к первой цифре. Затем наступают "морские", или "навигационные" сумерки, во время которых темнота уже скрадывает мелкие детали, но силуэты крупных объектов, например береговой линии, видны достаточно отчетливо. В качестве их границ принимают углы погружения Солнца под горизонт 6 и 12^o, причем к концу морских сумерек сохраняется возможность отчетливо различать только линию горизонта. Наконец, морские сумерки сменяются "астрономическими", продолжающимися до погружения Солнца под горизонт на 18^o, т. е. до наступления ночи. В этот период условия освещения почти не отличаются от ночных, но небо еще заметно освещено, что препятствует астрономическим измерениям. Уровни освещенности, соответствующие границам между различными стадиями сумерек, составляют в среднем 2,5 лк при угле погружения Солнца под горизонт 1 = 6^o, 6^.10^-3 лк при 1 = 12^o и 6^.10^-4 лк при S = 18^o.

Лунные сумерки

Лунные сумерки, наступающие при приближении лунного диска к горизонту, во всем подобны солнечным, однако гораздо бледнее. Яркость лунного освещения колеблется в зависимости от возраста Луны между 10^-9 (при новолунии) и 2^.10^-8 (при полнолунии) яркости солнечного освещения при одинаковом положении светил на небосводе. Таким образом, уровень освещенности в полнолуние при высокой Луне соответствует примерно середине солнечных морских сумерек, а конец лунных астрономических сумерек (опять-таки в полнолуние) практически совпадает с моментом захода Луны. Однако на яркости неба присутствие Луны должно сказываться до ее погружения под горизонт (в полнолуние) примерно до 5-7^o.

Изменение вида неба в сумерках

Обратимся теперь к картине неба и ее изменениям в процессе протекания сумерек. Ниже мы подробно рассмотрим данные фотометрических, спектральных и поляризационных исследований сумеречного неба. Здесь же ограничимся только качественной картиной, которая облегчит нам дальнейшее обсуждение ее деталей.

Приближаясь к горизонту, Солнце не только теряет яркость, но и начинает постепенно менять свой цвет - в его спектре во все возрастающей степени подавляется коротковолновая часть. Суть этого явления, качественно объясненного еще в 1840 г. Форбсом, состоит в том, что спектральная зависимость прозрачности атмосферы, вообще говоря, возрастающей с увеличением длины волны, становится особенно ощутимой, когда удлиняется путь солнечных лучей сквозь атмосферу. Одновременно начинает окрашиваться и небо. В окрестности Солнца оно приобретает желтоватые и оранжевые тона, а над противосолнечной частью горизонта появляется бледная полоса со слабо выраженной гаммой цветов.

К моменту захода Солнца, уже принявшего темно-красный цвет, вдоль солнечного горизонта вытягивается яркая полоса зари, окраска которой изменяется снизу вверх от оранжево-желтой до зеленовато голубой. Над ней раскидывается округлое яркое почти неокрашенное сияние. В то же время у противоположного горизонта начинает медленно подниматься синевато-серый тусклый сегмент тени Земли, окаймленный розовым поясом ("Пояс Венеры").

По мере того как Солнце опускается глубже под горизонт, окраска околосолнечной стороны неба становится насыщеннее; у самого горизонта небо густо краснеет, а у вершины надсолнечного сияния, на высоте 20-25^o над горизонтом, возникает быстро расплывающееся розовое пятно - так называемый "пурпурный свет", достигающий наибольшего развития при глубине Солнца под горизонтом около 4-5^o. Облака и вершины гор заливают алые и пурпурные тона, а если облака или высокие горы находятся за горизонтом, то их тени протягиваются по ярко окрашенному небу от горизонта к горизонту в виде отчетливых радиальных полос ("Лучи Будды"). Тем временем тень Земли быстро надвигается на небо, ее очертания становятся расплывчатыми, а розовое окаймление еле заметным.

К концу гражданских сумерек пурпурный свет затухает, облака темнеют, их силуэты отчетливо выступают на фоне блекнущего неба и только у горизонта, там где скрылось Солнце, сохраняется яркий разноцветный сегмент зари. Но и он постепенно сокращается и бледнеет и к началу астрономических сумерек превращается в зеленовато-белесую узкую полосу. К концу астрономических сумерек исчезает и она - наступает ночь. Однако, по некоторым данным, и ночью сохраняется слабое свечение атмосферы, обусловленное рассеянием (по-видимому, многократным) света Солнца и получившее название "ночных сумерек". Оно сосредоточено в узком сегменте у горизонта и перемещается по азимуту вместе с Солнцем в течение всей ночи. Высота этого свечения над Солнцем достигает 40-55^o и при больших погружениях Солнца под горизонт оно исчезает. Поскольку свечение это очень слабое и на него налагаются зодиакальный свет и собственное свечение земной атмосферы, ночные сумерки остаются пока совершенно неизученными и сам факт их существования надежно не подтвержден.

Описанную нами картину (многие детали которой мы опустили) следует рассматривать лишь как типичную для ясной погоды. В действительности характер течения сумерек подвержен широким вариациям. При повышенной замутненности воздуха цвета зари обычно бывают блеклыми, особенно у горизонта, где вместо красных и оранжевых тонов иногда появляется только слабая бурая окраска. Нередко одновременные заревые явления развиваются по-разному в различных участках неба. Каждые сумерки обладают неповторимой индивидуальностью, и это следует рассматривать как одну из наиболее характерных их черт.

С несомненностью, картина сумеречных явлений целиком определяется оптической структурой атмосферы - как ее приземных, так и высоких слоев. Однако ее связь с метеорологическими процессами, как мы увидим ниже, значительно сложнее, чем это может показаться с первого взгляда. Именно в этом лежит причина безуспешности длительных поисков прямой корреляции сумеречных явлений с погодой.

Крайняя индивидуальность течения сумерек и многообразие сопровождающих их оптических явлений вытекают из того фундаментального факта, что разные параметры сумеречной картины по-разному зависят от различных оптических характеристик атмосферы. Спектральный, высотный, горизонтальный и угловой ход оптических свойств атмосферы - в первую очередь ее коэффициентов ослабления и рассеяния - по-разному проявляется в зависимости от зенитного расстояния Солнца, направления наблюдения и высоты наблюдателя. При этом как регулярные изменения сумеречной картины, так и ее вариации достигают гигантских масштабов по сравнению с их аналогами в дневных условиях. Рядом с относительно статичным днем сумерки предстают перед нами, как стремительный процесс, пространственное и временное сканирование которого - фотометрическое, спектральное и поляризационное - открывает путь к регулярному исследованию оптической структуры атмосферы и ее вариаций раздельно на различных уровнях. Именно в этом состоит основное отличие сумеречных исследований атмосферы от изучения ее в дневных условиях, когда сравнительно небольшой диапазон изменчивости резко ограничивает разрешающую способность интегральных оптических методов и делает их мало плодотворными с точки зрения познания оптической структуры самой атмосферы.

Публикации с ключевыми словами: Сумерки - атмосферные явления - сумеречные лучи Публикации со словами: Сумерки - атмосферные явления - сумеречные лучи
См. также: Столбы света над Внутренней Монголией Ювяскуля на небе Снежная буря 1938 года в Верхнем Мичигане "СТИВ" и Млечный Путь пересекаются над сельской дорогой Сумерки как цветок Свечение неба над Францией Лунные сумеречные лучи над Данией Все публикации на ту же тему >>