Одним з необхідних умов існування життя на Землі є наявність певного не тільки теплового, але і світлового режиму.
Сонячний світловий потік, що надходить на зовнішню межу атмосфери, створює там освітленість: 135 000 лк. У земній атмосфері частину світлового потоку розсіюється і бере участь у створенні освітленості Землі розсіяним світлом. Земна поверхня отримує, таким чином, сонячне світло у вигляді прямого світла сонячних променів і в вигляді розсіяного світла, що надходить від небосхилу, який, в свою чергу, складається зі світла, розсіяного самою атмосферою, і світла, розсіяного усіма хмарами, наявними на небі.
Прямий і розсіяне сонячне світло, досягаючи поверхні Землі, відбиваються від неї і надходять назад в атмосферу. Тут вони знову беруть участь в розсіянні, і частина їх знову повертається до земної поверхні, збільшуючи її освітленість. Роль кожного з джерел і величина його вкладу в загальну освітленість Землі визначаються часом доби (положенням Сонця на небозводі), хмарністю, прозорістю атмосфери і відбивною здатністю (альбедо) підстильної земної поверхні.
У денні години Земля висвітлюється трьома джерелами. При ясному або малохмарна небі головним є Сонце. Діапазон зміни освітленості прямим сонячним світлом надзвичайно великий: від нуля в моменти сходу і заходу Сонця до декількох десятків тисяч люкс (і навіть до 100 тис. Лк) близько полудня. Освітленість розсіяним світлом протягом дня змінюється значно менше. Вона становить близько 500лк в моменти, близькі до сходу або заходу, і не перевищує в середньому 13-15 тис. Лк в околополуденние годинник при безхмарному небі.
На освітленість розсіяним світлом великий вплив мають хмари - їх кількість, форма, розташування на небосхилі. Високі купчасті, шаруваті купчасті або просто купчасті хмари, що покривають все або значну частину неба, при вільному від них сонячному диску і при великих висотах Сонця можуть в два-три рази збільшити освітленість розсіяним світлом. У той же час низькі щільні хмари шаруватих форм (шарувато-дощові, шаруваті і ін.) При малих висотах Сонця зменшують освітленість в кілька разів. Внесок в освітленість відбитого світлового потоку визначається величиною альбедо підстильної поверхні. У різних ґрунтових і рослинних покривів альбедо мінливе. Його величина коливається від 6-10 до 30-40%.
Найбільший вплив на збільшення освітленості земної поверхні надає сніговий покрив. Альбедо сухого свіжого снігу наближається до 100%. У забрудненого і вологого снігу альбедо знижується майже до 30%. Відбитий від снігового покриву світловий потік сприяє збільшенню освітленості розсіяним світлом. Найбільш значне збільшення освітленості за рахунок відображення від снігового покриву відбувається при наявності слоістообразних форм хмар при великих висотах Сонця. У цих умовах розсіяний світловий потік, що пішов через хмару і досяг Землі, багаторазово відбиваючись від поверхні снігу і нижньої кромки хмар, збільшує освітленість відбитим світлом в два-три рази.
Такі умови мають місце в арктичних районах влітку. У середніх широтах, наприклад в Санкт-Петербурзі, хмари влітку збільшують освітленість в середньому на 50-60%, а взимку, навпаки, зменшують її на 20%. Це пояснюється тим, що влітку в Санкт-Петербурзі висоти Сонця великі і переважають хмари купчастих форм, що збільшують освітленість. Взимку ж висоти Сонця малі і найчастіше спостерігаються хмари шаруватих форм, які зменшують освітленість.
Освітленість прямими сонячними променями і розсіяним світлом разом прийнято називати сумарною освітленістю.
Після заходу Сонця земна поверхня висвітлюється розсіяним світлом, що виходить від тієї частини небосхилу, яка ще освітлена сонячними променями. У міру занурення Сонця під горизонт освітленість Землі спочатку зменшується швидко, потім все повільніше і повільніше, і поступово настає повна нічна темрява. Перехід від дня до ночі і від ночі до дня на Землі, завдяки наявності атмосфери і її здатності розсіювати світло, відбувається не миттєво з заходом Сонця, а розтягується на деякий проміжок часу, званий сутінками.
Одна межа сутінків певна - вона характеризується моментами сходу або заходу Сонця. Друга межа - час настання повної нічної темряви - невизначена. У зв'язку з цим розрізняють кілька видів сутінків в залежності від глибини занурення Сонця і рівня освітленості на Землі.
Цивільні сутінки починаються з моменту заходу Сонця і закінчуються при глибині занурення Сонця 6-8 °. В цивільному житті настає ніч, звідси і назва сутінків. На небі стають видно найяскравіші зірки.
Сутінки морські, або навігаційні, починаються з кінця цивільних сутінків і закінчуються при глибині занурення Сонця 12 °. В кінці цих сутінків освітленість зменшується настільки, що суднові штурмани не можуть орієнтуватися по неосвітлених предметів на березі. Можна чітко розрізняти тільки лінію горизонту. В цей час повинні включатися всі сигнальні і розпізнавальні вогні на березі і на воді (маяки, бакени і т.д.)
Астрономічні сутінки починаються з кінця навігаційних сутінків і закінчуються при глибині занурення Сонця 18 °. До цього часу зникають сліди зорі, на небі з'являються все зірки (неозброєним оком видно зірки 6-ї величини) і можна виконувати будь-які астрономічні спостереження.
При ясному небі освітленість земної поверхні до моменту заходу Сонця становить близько 1000лк, до кінця цивільних сутінків вона зменшується до кількох люкс (1-4), до кінця навігаційних - до тисячних часток люкса ( »0006) і до кінця астрономічних - до десятитисячних доль люкса . Таким чином, протягом сутінків освітленість земної поверхні змінюється в десятки і сотні мільйонів разів.
Як же висвітлюється земна поверхня під час сутінків? На рис. 1.48 SS ¢ - потік сонячних променів. Він висвітлює Землю і атмосферу. Захід Сонця відбувається в точці E торкання променями земної поверхні. Дотична EB є кордоном світла і тіні і називається термінатором. Частина атмосфери, що лежить вище термінатора, ще освітлена прямими сонячними променями і бере участь в розсіянні сонячного світла.
Ріс.1.48. Освітленість Землі в сутінки
Вона посилає розсіяне світло в усі напрямки, в тому числі і до спостерігача в точку А. Частина атмосфери, розташована нижче термінатора, виявилася в тіні Землі і в розсіянні сонячного світла вже не бере. У точці А. де знаходиться спостерігач, вже почалися сутінки, Сонце занурилося під горизонт на кут h. чисельно рівний центральному куту # 966 ;. Висоту нижньої межі атмосфери, ще освітленій сонячними променями і посилає розсіяне світло під час сутінків, можна обчислити за формулами
а) в напрямку на зеніт. (1.21)
в) в напрямку на горизонт. (1.22)
де R = 6371км - середній радіус Землі.
У міру занурення Сонця під горизонт термінатор піднімається вище і вище, і частина атмосфери, ще освітлена сонячними променями, зменшується, а тому і освітленість в точці А поступово знижується, переходячи в нічну темряву.
У табл.8 наведено числові значення висот в кінці різних видів сутінків. З таблиці випливає, що після закінчення астрономічних сутінків шари атмосфери вище 76км в напрямку на горизонт і вище 325км в напрямку на зеніт ще висвітлюються прямими сонячними променями і посилають розсіяне світло до земної поверхні.
Висоти в напрямку, в км
Спостереження за зміною яскравості неба під час сутінків вперше були використані відомим арабським вченим середньовіччя Альгазеном (965-1039) для визначення висоти самої атмосфери. Різке спадання яскравості неба, за його припущенням, має відповідати кордоні атмосфери. Визначивши цей момент, він встановив, що атмосфера простягається до висот 26-31км. Такий результат для того часу слід вважати хорошим, так як вище міститься не більше 0,1% всієї маси атмосфери.
У нічні години земна поверхня висвітлюється поруч джерел. Серед них найпотужнішим, відповісти тому, хто найбільше світла на Землю, є Місяць. У безмісячні ночі земна поверхня отримує світло, що виходить від нічного неба. Загальне світло, що надходить від усіх джерел за відсутності Місяця, називають світінням нічного неба.
Максимальна освітленість, яку створює повний Місяць, що знаходиться в зеніті при середній прозорості атмосфери, становить близько 0,25лк. Зазвичай освітленість місячним світлом, якщо Місяць не в зеніті, не перевищує 0,1лк, а вперше і останньої чвертях становить лише 0,03-0,04лк. Яскравість місячного диска створюється відбитим сонячним світлом. Місячна освітленість складає 0, 0002-0,0003% сонячної.
Ріс.1.49. Сузір'я зимового неба, видатні на широті 40 ° с.ш.
У ясні безмісячні ночі на небосхилі видно скупчення зірок у вигляді світлої смуги з нерівними краями, ніби розлите по темному небі молоко. Це Чумацький Шлях або наша Галактика (в перекладі з грецького означає «молочний»). На ріс.1.49 Чумацький Шлях зображений вигнутою смугою, що складається з величезної кількості зірок. В області Чумацького Шляху знаходиться переважна більшість яскравих зірок.
Для оцінки блиску зірок, видимих неозброєним оком, давньогрецький вчений Гіппарх (2в. До н.е.) ввів спеціальну шкалу зоряних величин. Всі зірки, видимі неозброєним оком, за ступенем їх яскравості були поділені на шість розрядів або величин. Зірки першої величини є найяскравішими. Яскравість зірок другої величини приблизно в 2,5 рази менше ніж зірок першої величини і т.д. Така шкала величин була потім поширена і на зірки, видимі збройним оком, приймаючи, що яскравість зірки (n +1) величини повинна бути приблизно в 2,5 рази менше яскравості зірки n -й величини. Зірки 13-й, 14-й і т. Д. Величин становлять Чумацький Шлях. Сучасна шкала зоряних величин будується так, щоб різниці в 5 зоряних величин відповідало зміна освітленості, що створюється зіркою, в 100 разів.
Перша спроба підрахувати загальну кількість зірок була здійснена ще в кінці 18 століття основоположником зоряної астрономії англійським астрономом У. Гершелем (1738-1822). У 50-60гг. минулого століття роботи за підрахунками числа зірок були завершені з усією можливою ретельністю на сучасних телескопах голландцем Б.Я. Боком і його учнями в Гарвардському університеті (США).
Перші спроби оцінити участь всіх зірок в освітленні земної поверхні вночі були зроблені ще в 1901р. американським астрономом С. Ньюкомбом (1835-1909). За його підрахунками виявилося, що всі зірки, разом узяті, не можуть створити і половини освітленості, що спостерігається на Землі в безмісячну ніч. Підрахунками освітленості займалися і пізніше, але майже у всіх випадках виявлялося, що світла зірок явно недостатньо. Було висловлено припущення про наявність багатьох неяскравих зірок, недоступних спостереженню, але посилають своє світло на Землю. Однак подальші дослідження спростували це припущення. У міру вдосконалення телескопів уточнювалися і уявлення про кількість зірок кожної зоряної величини і про їх красі.
Неозброєним оком високо в горах можна побачити зірки до 6-зоряної величини, на рівні моря - до 5-ї, а в сучасні телескопи - до величини 18,8. На всьому небосхилі налічується зірок: 5-й величини - 1620, яскравіше 6-й - 4850 і яскравіше - 18,8 - близько 5 × 10 8. Це, на перший погляд, неймовірно велика кількість - півмільярда, як тепер встановлено астрофізиками, становить менше 2% від загального числа зірок, які є в нашій Галактиці. Загальна кількість зірок у Галактиці оцінюється в 3 × 10 10. Участь найяскравіших зірок 1-й і 2-й величини в освітленні земної поверхні становить менше 1%.
Якби раптом все яскраві зірки згасли, то ми б навіть не помітили, що стало темніше. Зірок великих зоряних величин багато, але вони знаходяться далеко від нас, і зі збільшенням номера зоряної величини зменшується їх роль у висвітленні Землі. З усіх зірок основну освітленість на Землі створюють зірки 10-15-й величини, не видимі оком.
Середня поверхнева яскравість зоряного неба, яка вийшла б, якщо всі зірки розподілити рівномірно по небу, складе 5 × 10 -14 яскравості Сонця. Зірки розподілені по небу нерівномірно. Велика їх частина знаходиться в області Чумацького Шляху, тому яскравість неба в Чумацькому Шляху приблизно в 9 разів більше, ніж у галактичного полюса. Роль планет у висвітленні земної поверхні мізерно мала.
Якщо зірки забезпечують менше половини спостерігається освітленості, то виникає питання, який же джерело створює іншу освітленість земної поверхні в безмісячну ніч? Відкриття цього джерела належить англійському астроному Слайфер. У 1919р. на підставі своїх спостережень він зробив висновок, що щоночі весь небосхил випромінює безперервне світло, подібне світлу полярних сяйв. Так було відкрито нічний світіння атмосфери.
Сонячні промені пронизують всю атмосферу, але світіння виникає тільки в певному шарі. Пояснюється це тим, що яскравість світіння буде тим більше, чим більша щільність повітря і чим більше інтенсивність ультрафіолетового випромінювання Сонця. Обидва ці фактори, що визначають світіння повітря, змінюються дуже швидко і як раз в протилежних напрямках.
Щільність повітря і його тиск дуже швидко зменшуються в міру підняття над земною поверхнею. Середній тиск повітря в стандартній атмосфері біля поверхні Землі на рівні моря одно 1013гПа, на висоті близько 5 км воно зменшується вдвічі, а на висоті 100 км тиск вимірюється вже десятитисячними частками гектопаскаля. Склад повітря, який ми маємо у поверхні Землі, зберігається незмінним тільки до висот порядку 80-100км. Щільність ультрафіолетового потоку від Сонця з висотою зростає. Тому на деякій висоті, в якомусь досить тонкому шарі, створюються найбільш сприятливі умови, коли ще достатні і щільність повітря і інтенсивність випромінювання.
Освітленість земної поверхні в безмісячні ночі при ясній погоді змінюється від 0,0005 до 0,001лк. У похмуру дощову погоду освітленість може зменшуватися в 10 і більше разів. У великих містах за рахунок штучних джерел світла, що відбивається хмарами, освітленість може досягати 1лк.
Кількісне співвідношення між зоряним світлом і нічним свіченням атмосфери змінюється протягом ночі, може сильно змінюватися від однієї ночі до іншої, а також різниться в залежності від ділянки небосхилу.
