С НЕЗАПАМЯТНЫХ времен лунные затмения привлекали внимание человека и служили поводом для различных суеверных толкований и мистических представлений, поддерживаемых защитниками религии. Фантазия невежественных людей приписывала временное потемнение Луны то чудовищу-дракону, пытающемуся
проглотить небесное светило, то козням дьявола. У многих народов были широко распространены суеверные страхи, связанные с поверием, будто затмения предвещают всякого рода бедствия и несчастия. Среди отсталой части населения капиталистических стран подобные взгляды бытуют и сейчас.
Однако уже в древности ученые сумели установить действительную причину лунного затмения. Они правильно считали, что Луна — это темное шарообразное тело, которое сияет за счет отражения солнечных лучей, и, что затмение происходит тогда, когда земля загораживает от Луны Солнце. Последнее гораздо больше нашей планеты. Поэтому часть пространства, заслоняемого земным шаром от лучей дневного светила, имеет форму конуса. Сквозь этот конус земной тени и проходит Луна во время затмения.
Ученые древнего мира не только объясняли, но и предсказывали лунные затмения, правда, весьма приблизительно. Развитие впоследствии небесной механики (науки о движении небесных тел под действием всемирного тяготения) позволило астрономам с большой точностью пред вычислять это явление на много лет вперед. Теперь даты затмений в текущем году, часы и минуты их начала, и конца приводятся в любом календаре.
Может показаться, что коль скоро причина лунных затмений нам известна, они уже не представляют никакого научного интереса. Но это неверно. Дело в том, что тень предмета во многих случаях позволяет изучать его свойства. Так, по теням лунных гор астрономы определяют высоту их вершин и детали рельефа спутника нашей планеты. Во время войны отважные советские летчики-разведчики по форме тени иногда распознавали военные объекты, хитро замаскированные противником. Наблюдение тени Земли на том космическом экране, каким служит диск Луны, помогает исследованию земного шара и окружающей его атмосферы.
Обращаясь к истории, мы прежде всего должны вспомнить, что важнейший для познания мира факт шарообразности Земли был впервые подтвержден именно наблюдениями лунных затмений. Правда, в учебниках географии приводятся разные доказательства шарообразности Земли, однако строгий разбор показывает, что не все они достаточны. Например, кругосветные путешествия устанавливают лишь замкнутость земной поверхности и ничего. не говорят о форме Земли. Поэтому в древности и в средние века, когда в распоряжении ученых не было точных методов определения размеров и фигуры Земли, доставляемых современной геодезией, действительное доказательство Шарообразности нашей планеты могло опираться только на изучение формы земной тени.
Шар является единственной фигурой, которая при всяком положении по отношению к экрану дает тень в форме круга. При разных затмениях Земля бывает повернута относительно Луны различно. И все же граница тени всегда представляет собой дугу окружности. На это важнейшее обстоятельство указал еще Аристотель в IV веке до нашей эры, справедливо видевший в нем главное доказательство шарообразности Земли.
В наше время фигура Земли весьма точно исследуется методами геодезии. Что же касается лунных затмений, то наблюдения их дают очень ценный материал для изучения строения земной атмосферы.
Известно, что погруженная в земную тень Луна бывает слабо расцвечена в малиновые, вишневые и кирпичные тона. Откуда же берется это освещение лунной поверхности в то время, когда Солнце для Луны полностью заслонено Землей? Ответ на этот вопрос дал еще Кеплер.
Земля окружена атмосферой. Лучи света в воздушных слоях преломляются, что составляет явление атмосферной рефракции. Так, если светило стоит на самом горизонте, то направление его лучей изменяется на целых 35 минут дуги. Благодаря этому мы продолжаем видеть, например, Солнце некоторое время и после того, как оно в действительности оказывается под горизонтом. Луч света, который пересекает атмосферу, почти касаясь земной поверхности, пробегает толщу воздуха дважды сначала на пути от светила к Земле, а потом - от нашей планеты в мировое пространство. Следовательно, угол преломления для него будет уже 70 минут, то есть больше градуса. В результате солнечные лучи, огибающие земной шар с разных сторон, пересекаются на линии Солнце-Земля в точке, расположенной между Землей и Луной. Значит, та часть конуса земной тени, в которой находится спутник нашей планеты при затмении, озаряется преломившимися в атмосфере лучами Солнца, слабо освещающими и Луну.
Прозрачность воздуха для световых лучей разной длины волны различна. Ослабление света при прохождении через газ совершается главным образом за счет рассеяния световых квант на молекулах или, вернее, на сгущениях молекул этого газа. Рассеяние же обратно пропорционально четвертой степени длины волны. К примеру крайние фиолетовые лучи, волна которых вдвое короче, чем у крайних красных, рассеиваются в 16 раз сильнее. Этим объясняется то, что лучи заходящего Солнца, прошедшие длинный путь в воздухе, теряют много синих и фиолетовых лучей, и в итоге оказываются красными. Но тот свет, который попадает на Луну во время затмения, как мы уже говорили, пронизывает толщу атмосферы дважды и потому еще в большей мере лишается своей сине-фиолетовой части. Отсюда и красноватая окраска спутника нашей планеты при затмении.
Точные наблюдения показывают, что радиус земной тени всегда бывает на 2 процента больше, чем это следует из размера Земли. Очевидно, что такую прибавку дает атмосфера. Конечно, нижние слои воздуха, содержащие облака и тучи, могут образовывать тень. Но 2 процента от земного радиуса это более 120 километров. На такой высоте атмосфера всегда прозрачна. Как же может она отбрасывать густую тень?
Тень не всегда получается из-за поглощения лучей непрозрачным предметом; в некоторых случаях она возникает вследствие преломления лучей в очень прозрачном веществе. Возьмите вогнутое стекло, которое ставится в очках для близоруких. Если смотреть насквозь, то оно очень прозрачно. Но если его поместить перед стенкой, освещенной Солнцем, то оно даст совсем темную тень. Так получается потому, что, хорошо пропуская свет сквозь себя, вогнутое стекло в то же время направляет солнечные лучи в стороны; пучок параллельных лучей превращается в пучок лучей расходящихся. В итоге непосредственно на линии пучка остается мало света и стекло дает тень.
Нечто подобное происходит и в земной атмосфере. Плотность воздуха быстро убывает с высотой, а это ведет к уменьшению его преломляющей способности. Два соседних солнечных луча, которые до вступления в атмосферу идут параллельно, в воздухе на разных высотах над земной поверхностью преломятся на разные. углы и дальше окажутся расходящимися. Количество несомой ими световой энергии останется неизменным, но распределяться оно будет на большей площади и сила освещения будет соответственно убывать. Таким образом, непрозрачность атмосферы вызывается быстрым снижением преломляющей способности воздуха с высотой. Это обстоятельство позволяет по размерам земной тени и по изменению яркости у ее края судить о строении самых высоких слоев газовой оболочки нашей планеты.
Для того, чтобы воспользоваться затмениями Луны, как средством исследования земной атмосферы, нужно было разработать очень сложную теорию-и вывести формулы, позволяющие вычислить яркость лунного диска в разных точках земной тени и полутени в зависимости от свойств воздуха на различных высотах. Эту трудную задачу решил академик В. Г. Фесенков. Теперь по степени освещенности погруженной в тень Луны можно решить и обратную задачу, то есть установить плотность и преломляющую способность разных слоев атмосферы, а также содержание в них ряда газов.
Окраска лунного диска в ходе затмения изменяется ввиду того, что отдельные зоны тени освещаются лучами неодинаковой интенсивности и различного спектрального состава. Обычно наружная часть тени бывает сравнительно светлой и сероватой. Неоднократно отмечали на ее внешней границе зеленоватые и голубоватые тона. Средняя зона тени значительно темнее и в ней отчетливо видны бурые или вишнево-красные тона. Наконец, центральная часть тени бывает самой темной и всегда окрашенной в густой вишневый или малиновый цвет. Иногда эта часть выглядит резко ограниченной, создавая впечатление темного ядра тени.
Распределение яркости и цвета вдоль радиуса тени находит полное объяснение в современной теории лунных затмений. Дело в том, что крайняя зона тени озаряется солнечными лучами, преломленными в высоких слоях стратосферы. Поскольку величина преломления почти одинакова для световых волн различной длины и поглощения их в данном случае не происходит, наружные части тени получают серый, лишенный окраски цвет. Средняя зона освещается в значительной мере светом, прошедшим через нижнюю часть земной атмосферы-тропосферу. Там синие и фиолетовые лучи рассеиваются уже довольно сильно, что дает красноватую окраску. В область же ядра тени проникают только те лучи, которые преломляются в самых нижних, примыкающих к земной поверхности слоях воздуха. В их толще полностью задерживаются не только синие, но и зеленые, и даже желтые лучи. Поэтому в сторону Луны пропускается ничтожный остаток красных лучей, чем и определяется слабая яркость, и густой красный цвет ядра тени.
Большой интерес представляют зеленые оттенки края тени. По поводу их происхождения среди ученых идет спор. Некоторые считают, что тут мы имеем перед собою интереснейшее проявление озона земной атмосферы. Слой этого газа; пересекаемый горизонтально направленным лучом, дает полосы поглощения, как в сине-фиолетовом конце, так и в оранжево-красной части спектра. Таким образом, наименее ослабляются зеленые лучи, что и придает лунному диску соответствующий оттенок. Конечно, если бы дело обстояло именно так, то уже простейшие наблюдения окраски во время затмения могли бы дать много полезного для изучения слоя озона в нашей атмосфере, а специальные спектрофотометрические измерения позволили бы вести точный учет этого газа. Однако на происхождение зеленой окраски края тени существует и другая точка зрения. Некоторые факты дают основание считать эту окраску нереальной. Физиологам давно известно явление цветового контраста, состоящее в том, что небольшой серый предмет, расположенный на ярком красном фоне, представляется нашему зрению зеленоватым. В условиях наблюдения лунного затмения можно ожидать появления фиктивной, то есть мнимой, окраски именно такого происхождения узкая серая зона только кажется зеленоватой из-за того, что примыкает к красным внутренним частям тени.
Давно было замечено, что картина распределения яркости и цвета в земной тени от затмения к затмению меняется. Бывают «темные» затмения, когда уже в средних частях тени Луна едва видна, а в зоне ядра становится совсем невидимой. Случаются, и «светлые» затмения, когда обычные густо-красные оттенки заменяются светло-оранжевыми тонами. Замечали также, что распределение яркости и цвета по разным радиусам тени неодинаково, и, что наиболее темная часть ядра не совпадает с геометрическим центром тени. Все эти изменения отражают перемены в состоянии газовой оболочки Земли. Поэтому их изучение представляет большой интерес. для познания физических свойств земной атмосферы.
Очень важно иметь характеристики, как общей яркости погруженной в тень Луны, так и распределения яркости, и цвета по отдельным зонам тени для каждого затмения. До некоторой степени это можно сделать на основе самых элементарных глазомерных наблюдений. Более точные результаты получаются при специальных фотометрических измерениях света лунного диска в целом и яркости отдельных его участков. Методика таких исследований была подробно разработана советскими учеными Н. П. Барабашевым в Харькове, А. В. Марковым в Пулкове и В. В. Шароновым в Ленинграде. Каждое лунное затмение, видимое на территории нашей страны, тщательно наблюдается разными способами. Поставлен вопрос о создании специальной «службы» лунных затмений, чтобы все обсерватории изучали каждое затмение по строго одинаковой программе.
В чем же состоят причины колебаний в яркости лунных затмений? Несомненно, что яркость центральных частей тени зависит прежде всего от прозрачности нижних слоев земной атмосферы. Если там появляются облака, туман или пыль, то свет Солнца задерживается и ядро тени становится темнее. Однако столь простое объяснение неприменимо по отношению к наружным частям тени, так, как они освещаются солнечными лучами, проходящими сквозь всегда прозрачную стратосферу. Зато в последней часто меняется плотность газа, что влияет на преломление и обусловливает изменение освещения у края тени. Поэтому, наблюдая за яркостью лунных затмений, можно обнаруживать перемены в самых высоких слоях атмосферы, пока еще мало доступных для прямого исследования.
Есть основания предполагать, что яркость лунных затмений зависит и от различных воздействий космических факторов на газовую оболочку нашей планеты. В двадцатых годах текущего столетия много шума наделало сообщение французского астронома Данжона о том, что яркость лунных затмений связана с одиннадцатилетним периодом солнечных пятен. Существование подобной связи было бы довольно естественно, поскольку одиннадцатилетний ритм, с которым нарастает и угасает интенсивность различных процессов на поверхности дневного светила, вообще находит разнообразное отражение в явлениях земной атмосферы. Однако проверка взглядов Данжона, произведенная советскими исследователями на основании полученных ими фактических данных, не подтвердила предположений этого ученого.
За последнее время чешский астроном Линк и его ученики привели убедительные доводы в пользу того, что на яркости лунных затмений сказывается количество «падающих звезд». После обильного появления последних в виде так называемых метеорных потоков погруженная в тень Луна оказывается менее яркой, чем обычно. По-видимому, дело здесь в том, что космические частички, сгорающие в верхних слоях земной атмосферы и этим создающие эффект «падающих звезд» продуктами своего разрушения загрязняют атмосферу и усиливают в ней поглощение солнечных лучей.
Мы затронули здесь только некоторые проблемы, связанные с наблюдением земной тени на лунном диске. Но и сказанного достаточно для того, чтобы составить представление о важности изучения лунных затмений, которые еще не так давно служили источником нелепых предрассудков и суеверий, а ныне используются учеными для изучения верхних слоев земной атмосферы.
НА ВКЛАДКАХ
ПРИ ЛУННОМ затмении не происходит полного затемнения поверхности спутника нашей планеты лунный диск слабо освещается преломленными в различных слоях земной атмосферы солнечными лучами. По характеру окраски лунного диска во время затмения можно сделать немало важных выводов о строении и свойствах воздушной оболочки Земли. Значительных успехов добились в подобного рода исследованиях советские астрономы.
На состояние верхних слоев земной атмосферы влияет действие ряда космических факторов. С этим действием связывают тот факт, что лунные затмения бывают более светлыми и более темными. Так, затмение 17 декабря 1899 года было светлым (I), а затмение 11 апреля 1903 года относится к разряду темных (II).
РАДИОНАБЛЮДЕНИЕ СОЛНЦА
В 1944 году ученые установили, что одним из источников радиоволн, идущих к Земле из мирового пространства, является Солнце.
Радиоизлучение Солнца исследуется с помощью особых приборов-«радиотелескопов». К числу последних относится много-дипольная антенна (3). Она состоит из нескольких рядов одиночных антенн, подобных тем, которые применяются в телевидении, смонтированных на общей подвижной раме.
Для приема самых коротких волн применяются отражательные радиотелескопы (5 и 7), устроенные по принципу оптических телескопов - рефлекторов. Энергия радиоизлучения фокусируется в этих приборах параболическим зеркалом в одной точке, где расположена приемная антенна. В качестве отражателя может применяться и частая проволочная сетка, натянутая на раму параболической формы (1).
Радиоизлучение Солнца можно принимать на слух обычно оно носит характер «шума», трудно отличимого от шумов приемника. Для научных исследований к приемнику подключается специальный прибор-осциллограф (6). На экране электроннолучевой трубки осциллографа радиоизлучение Солнца отображается в виде пульсирующей полосы (2), ширина и яркость ее пропорциональны мощности принимаемого излучения.
Систематическое радионаблюдение дает ученым новый ценный материал о строении ближайшей к нам звезды - Солнца.
