В ночь новолуния я проснулся около полуночи, чтобы убедиться, что действительно вижу вещи. И действительно вижу.
В самую темную ночь месяца, без лунного света, я все еще мог видеть черные силуэты деревьев на горизонте. Я видел травянистые поля, заметно менее темные, чем деревья. Я видел серое небо, еще более бледное, чем трава. Небо вовсе не было черным.
На Гавайях регулируют и сокращают световое загрязнение, чтобы сохранить условия для того, чтобы обсерватории на вершинах гор могли продолжать исследовать космос. Когда я переехал на Большой остров два года назад, друзья говорили мне, что я буду впечатлен темнотой ночного неба.
На меня произвело впечатление противоположное. Гавайские ночные небеса не погружают вас в тьму, они окутывают вас особым светом. Звезд видно бесчисленное количество, но точки света не просачиваются сквозь фон черной как смоль, или эбеновой, или обсидиановой тьмы. Небо — это не особенно темно-серое. Кроме нескольких ночей в месяц, за несколько часов до восхода солнца я могу безопасно ходить или бегать по сельским дорогам, где нет уличного освещения.
Только недавно, во время поездки, чтобы увидеть полное солнечное затмение, мне открылось, насколько важно рассеивание в атмосфере для ряда оптических эффектов. Эти рассеянные мысли могут вызвать лишь рассеянные аплодисменты, но я задумался о том, как отражение света мелкими частицами помогает объяснить, почему...
- мы видим солнечные лучи и лазерные шоу,
- полное солнечное затмение создает сумерки, а не полную темноту,
ночное небо не совсем черное, - светлеет до восхода солнца,
- закаты красочные,
- изменение облаков может смягчить глобальное потепление.
Когда мы видим солнечный луч, проникающий через пыльную комнату, или цветные лазерные лучи, скользящие по дымной сцене, нам кажется, что мы видим луч яркости или струю цвета, тянущуюся от источника к далекой точке. Частицы в воздухе рассеивают фотоны во всех направлениях, но мы видим те фотоны, которые, исходя из источника света, отражаются перпендикулярно этому пути мелкими частицами пыли или сажи в воздухе, на фоторецепторы в глубине наших глаз.
Наши сетчатки регистрируют только свет, который физически доходит до них. Мы не видим луч света, мы видим только те фотоны, которые были отклонены от луча и попали на наши сетчатки.
Без частиц в воздухе, отражающих часть света, мы не видим луч света, мы видим только объект, на который падает луч. Даже тогда мы визуализируем этот объект только в той мере, в какой он отражает свет в наши глаза. Сила источника света, текстура и пигментация объекта и рецепторы в нашей сетчатке определяют яркость и цвет нашего визуального восприятия объекта.
Видимость света только благодаря отражению объясняет, почему космическое пространство темное, за исключением случаев, когда солнечный свет, звездный свет или какой-либо другой источник света отражается от объекта.
Не все черно-белое
Если вы находитесь прямо на пути полноты во время солнечного затмения, луна находится между вами и солнцем и отражает все свет назад к солнцу, вызывая полную темноту (за исключением звездного света). Но поскольку частицы в верхней атмосфере отражают некоторые из этих фотонов обратно на Землю, общий опыт затмения — это темные сумерки, а не кромешная тьма.
Точно так же в большинство ночей некоторый свет от луны и звезд рассеивается частицами в атмосфере, слегка осветляя фон, так что звезды и луна выглядят на фоне темно-серого, а не черного неба.
Мне нравится, когда фильмы делают вид, что ночь совершенно темная до момента восхода солнца, когда на первом луче света разыгрывается дуэль или другое климаксное событие. На самом деле небо начинает светлеть примерно за 30 минут до появления края солнца на горизонте, но этот период сумерек может длиться час или дольше в зависимости от вашей широты, местного светового загрязнения и вашей восприимчивости. Свет, отраженный частицами в атмосфере, освещает небо задолго до того, как становятся видны лучи солнца.
Мелкие атмосферные частицы и водяной пар отражают разные длины волн света в разной степени. Частицы подходящего размера могут отражать коротковолновый фиолетовый и синий свет обратно в космос, оставляя больше длинноволновых оранжевых и красных длин волн, продолжающих движение через воздух к нашим глазам. Это создает яркие цвета неба на восходе, закате или во время дымных лесных пожаров, богатых частицами.
Атмосферные частицы отражают не только свет, но и другие формы солнечного излучения. Ученые используют термин "альбедо" для обозначения доли света, отражаемого поверхностью и атмосферой планеты. Впрыскивание химикатов в атмосферу для изменения альбедо нашей планеты серьезно рассматривается как способ отражать больше тепла и света обратно в космос, вдали от Земли, чтобы уменьшить воздействие глобального потепления.
Глазами зрителя
Камеры могут зафиксировать эффекты рассеивания света в атмосфере значительно иначе, чем наши глаза. Это отражает, насколько сильно наши зрачки адаптируются к световым условиям без особого сознательного внимания.
Когда мы щуримся, выходя из хорошо освещенного здания на улицу, на полуденный свет, мы можем предположить, что солнечный свет всего в два-три раза ярче. Даже в облачный день на улице обычно в сто раз ярче, чем в обычном искусственном освещении в помещении. Мы не осознаем, насколько наш зрачок расширяется в темноте и сужается в ярком свете, чтобы регулировать количество света, попадающего на наши сетчатки.
До цифровых камер фотографу приходилось регулировать диафрагму (или F-стоп) для разных световых условий. Было очень легко переэкспонировать (выгоревший белый) весь рулон пленки или недоэкспонировать его (все неотличимо темное).
Довольно парадоксально, современные камеры мобильных телефонов обычно создают противоположную проблему. Они работают как наши зрачки на стероидах, мгновенно и в широком диапазоне интенсивности света регулируют освещение почти для любого снимка.
Многие люди, которые снимали серию фотографий или видео во время недавнего солнечного затмения, были разочарованы своими изображениями. Камеры так хорошо «корректировали» изменения интенсивности света, что серия снимков выглядела примерно одинаково — полностью скрывая и упуская впечатляющий переход от полудня к темным сумеркам, который испытали наши человеческие глаза. Аналогично, без изменения заводских настроек камеры попытки сфотографировать ночное небо часто приводят к выгоревшим, белым лунным пятнам или впечатляюще черным фоном неба, которое не фиксирует то, что видели наши глаза.
Вместо того, чтобы отменять поэтическую лицензию тех, кто утверждает, что ночное небо черное как смоль, давайте используем науку, чтобы помочь нам оценить, как рассеивание в атмосфере освещает красоту и величие жизни на Земле. И, возможно, психологию, чтобы исследовать, что затемняет наши впечатления о мире и сводит наши описания к черно-белым.
