Однажды меня задали такой вопрос:
Смысл вопроса, как я понял, заключался в следующем. Шарообразное тело в случае его освещения источником света, расположенным сзади от наблюдателя, должно создавать наибольшую яркость в районе центра, а по мере приближения к краю яркость шара должна плавно уменьшаться. Освещённый шар должен выглядеть вот так:
А между тем в полнолуние, когда диск полностью освещён, мы не видим затемнений по краям, вся поверхность луны выглядит равномерно освещённой.
Попробуем разобраться, из-за чего так происходит. Связано это с особым отражением лунного грунта. Лучи света, попадающие в центр, отражаются назад к Солнцу, но и лучи, попадающие в край лунного шара, тоже отражаются назад, отчего мы видим Луну в полнолуние плоской, как некую монету, но не как шар. Такой вид отражения называется оппозиционным и наблюдается у рыхлых поверхностей.
Вы со школы помните, что лучи света могут отражаться по-разному в зависимости от характера поверхности. Отражение может быть зеркальным (схема "а" и "б" на рисунке), когда угол падения точно (идеальное зеркало) или приблизительно (неидеальное зеркало) равен углу отражения. Кроме того, отражение от поверхности может быть диффузным, равномерно во всем стороны (схема "в" на рисунке) - так ведёт себя белая бумага, матовая краска, кожа человека.
Конечно, может быть одновременное сочетание и зеркального и диффузного отражения (схема "г") - так ведёт себя, например, покрытая лаком поверхность. Например, ровная деревянная поверхность отражает свет диффузно, а нанесённый на поверхность лак даёт зеркальный блик.
А кроме этого, отражение может быть обратное, оппозиционное - когда большая часть света отражается назад к источнику света (схема "д"). Материалы с таким видом отражения называют световозвращающими, и они хорошо вам знакомы вам по полоскам на спецодежде.
Это искусственно сделанные материалы, а в природе обратное отражение встречается у мелко изрыхлённых поверхностей, таких, как сухая почва, или трава в росе.
Эффект обратного отражения можно увидеть на гаревой дорожке стадиона. Поверхность беговых дорожек всегда рыхлая и пористая. В конце XIX века поверхность спортивных беговых дорожек представляла собой смесь песка и глины. Но в дождливую погоду наблюдалось проскальзывание - стабильность опоры на них была неудовлетворительной. Асфальтовое покрытие (в начале ХХ века) выдерживало неблагоприятную погоду, но было слишком твёрдым. Для соревнований по мотоспорту (на мотоциклах, спидвей) эти дорожки стали делать из мелко дроблёной кирпичной крошки, смешанной с коксом и золой. Такая гаревая дорожка была опробована на Олимпиаде 1904 года. Пористый материал позволял проводить соревнования при небольших осадках, быстро впитывал влагу и обладал хорошим сцеплением. Позже английская фирма «Руббер» предложила листовую резину с водопроводящими отверстиями. Было это уже в 30-е годы ХХ века. И это был настоящий прорыв. Затем стали появляться более современные покрытия на основе латекса или битума.
Все эти покрытия представляют собой мелко изрыхлённую поверхность.
Если встать спиной к солнцу и посмотреть на эту дорожку, то на беговой дорожке, при минимальной фазовом угле, вокруг тени головы будет наблюдаться высветление, а вся дорожка будет казаться неравномерно освещённой.
Фазовый угол определяется как угол между наблюдателем, наблюдаемым объектом и источником света.
Другими словами, больше всего света от беговой дорожки отражается назад, к источнику света, в сторону солнца. Грунт на Луне тоже рыхлый, и он обладает такой же особенностью оппозиционного отражения.
Поэтому когда НАСА создавало в павильоне имитацию лунной поверхности, то вокруг головы астронавта делало сферическое высветление - как бы эффект оппозиционного (обратного) отражения.
Правда, некоторые приняли этот эффект за недостаток фотографии и подумали, что неровность освещения вызвана прожектором с линзой Френеля, который даёт по центру яркое пятно и притемнение по краям. Нет, это не эффект прожектора. Это попытка сымитировать оппозиционное отражение.
Выступающий довольно часто в передачах про Луну Владислав Шевченко, заведующий отделом Луны и Планет ГАИШ (Государственного астрономического института им. П.К.Штернберга), говорил, что снимки НАСА - достоверные, поскольку на этих снимках виден эффект оппозиционного отражения, и этот эффект не встречается на Земле.
Простим учёному мужу незнание физики на уровне 9-10 класса, он же ведь смотрит в основном на Луну и не обращает внимание на земные процессы. А мы, кто больше смотрит вниз, а не наверх, знаем, что на Земле оппозиционное отражение встречается довольно часто. Сегодня-завтра попробую отыскать видео, которое смотрел раньше, где В.Шевченко говорит об оппозиционном эффекте на так называемых лунных снимках. (С первого захода видео найти не удалось).
Если во время съёмки на беговой дорожке поднять фотоаппарат, то световое пятно окажется выше тени головы, будет вокруг фотоаппарата. На одной линии оказывается солнце, сам фотоаппарат и тень от фотоаппарата. С точки зрения фотообъектива фазовый угол равен нулю, и поэтому мы видим высветление вокруг фотоаппарата. Если фотоаппарат опустить до уровня груди, то световое пятно соответственно спустится вниз (листайте, там две фотографии).
По легенде НАСА почти всё время фотоаппарат висел на кронштейне на груди астронавта и с этой высоты производилась фотосъёмка. А высветление на снимках почему-то делали вокруг головы.
Если просто наблюдать глазом, то высветление будет вокруг головы наблюдателя, поскольку в этом случае на одной линии оказывается солнце, голова наблюдателя (его глаза) и тень от головы.
Кроме того, эффект оппозиционного отражения можно видеть на траве, когда парашютисты камерой "гоу-про" снимают приближение к земле, и в кадр входит тень самого парашютиста прямо под ним. Вот например, полёт двух человек в вингсьюте. Снимает камера второго человека, который сзади. И вокруг его тени на траве виден светлый ореол. Центр этого ореола находится на голове, в точке крепления видеокамеры.
А вот приземляется парашютист (фото и видео), мы видим светлый ободок в районе тени головы, там, где видеокамера. Из-за того, что на экнш-камерах используется сверхширокоугольный объектив, тень вдали кажется совсем крошечной:
Издалека трава кажется почти ровным, слегка шерховатым ковром. Эффект оппозиционного отражения будет наблюдаться на этом "ковре" по мере приближения к земле до тех пор, пока не станет видна неоднородность фактуры травы. Оппозиционный эффект будет сильнее заметен, если на траве лежит утренняя роса.
Вот такую картинку отыскал автор канала ТТТ- Тепло Твердого Топлива:
Поверхность Луны тоже шерховатая и обладает явно выраженным оппозиционным эффектом. Солнце находится очень далеко от Луны (150 миллионов километров), в полнолуние лучи, падающие на центр лунного диска и на край, параллельны друг другу, и эти лучи отражаются в большей степени назад. Для наблюдателя на Земле отражённые лучи тоже являются практически параллельными - угол между центром и краем лунного диска составляет всего 1/4 градуса. Поэтому разные участки лунного диска кажутся одинаково освещёнными. И мы не видим притемнения на краях.
А когда вы смотрите на шар, который рисуют студенты-художники, то фазовый угол для центральной точки и краевой может отличаться на 10-15 градусов.
Это первое отличие шара Луны от гипсового шара - отсутствие притемнения на краях. Но есть и второе отличие - в момент полнолуния яркость Луны заметно возрастает. Такое явление называется "оппозиционный скачок", или эффекта Зелигера.
Когда-то давно, в 1887 году, астроном Х.Зелигер обнаружил резкое изменение яркости колец Сатурна. Он предположил, что причиной служит скрытие тени. На освещённой шерховатой и рыхлой поверхности при определённом угле падения видны тени, и эти тени снижают общий коэффициент яркости.
Частицы, из которых состоят кольца Сатурна, отбрасывают тени на расположенные за ними частицы. Когда же источник свет находится точно за спиной наблюдателя, тени скрываются, исчезают. Из-за этого повышается яркость колец Сатурна. Также и яркость Луны возрастает в момент полнолуния, это заметно, когда фазовый угол мене 5 градусов.
Однако, оказалось, что объяснить наблюдаемое резкое изменение яркости только сокрытием тени, не получается. Тогда было высказано предположение, что данный эффект связан с механизмом когерентного обратного рассеяния. Луна ведёт себя не так, как должно это происходить по закону Ламберта, выведенного в 1760 году для идеальных диффузных поверхностей.
Механизм обратного когерентного рассеяния предполагает усиление потока отражённого света при малых углах, в случае если размер отражающих частиц поверхности сравним с длиной волны света, а расстояние между ними больше длины волны. Тогда яркость увеличивается за счёт когерентного наложения отражённого и излучённого света.
На данный момент времени считается, что половину вклада в эффект резкого усиления яркости Луны вносит скрытие тени, а вторая половина эффекта образуется за счёт когерентного усиления отражённого света.
Возможно, в ближайшие годы придумают несколько другую точку зрения на механизм усиления яркости Луны (и других планет, да и комет тоже) при малом фазовом угле наблюдения. Как только учёные мужи опубликуют свои догадки, я тут же сообщу вам об этом.
*
С вами был кинооператор Л.Коновалов. До новых встреч!