Закат как нелинейный процесс, непредсказуемые сумерки и другие неожиданные свойства повседневных явлений Когда я рассказал друзьям, что делаю прибор для определения длины дня, они очень удивились: не судьба ли загуглить? Но меня интересовало другое.
Люди говорят «какой темный день» или «утром, оказывается, в пять часов уже светло», имея в виду, казалось бы, субъективный, но на самом деле вполне конкретный параметр: освещенность здесь и сейчас.
На этой широте, в этот день года, с этими облаками, с этим горизонтом, застроенным домами или всегда облачным из-за городского смога, с окнами, выходящими на восток или юг.
Сумерки могут быть легкими или яркими, под влиянием вулканической, космической или искусственной пыли.
Мощные облака и смог сокращают день на десятки минут: Солнце взошло, но еще темно.
А рефракция атмосферы может задержать закат или ускорить его восход на десять минут. Почему бы просто не измерить в минутах и часах время от одного светового порога до другого? Прибор оказался дешевым, но в этой истории самое интересное не само устройство, а природные явления, влияющие на освещенность.
Начнем с них.
Долой диктатуру 55-й параллели
24 декабря 2020 года сервис Яндекс.Погода сообщил, что в моем городе Солнце взошло в 8 часов 58 минут, зашло в 15 часов 59 минут, и длина дня составила, следовательно (простое вычитание) 7 часов 1 минута.
Вроде бы все ясно.
Но 24 декабря стало ясно, где я живу.
А 25 декабря (продолжительность дня те же 7 часов 1 минута, солнцестояние, правда) была метель и было пасмурно.
Конечно, день 24 декабря мне показался «длиннее», чем 25-го.
Инструментальные измерения (подробнее о них ниже) подтверждают субъективное ощущение: 25 декабря, где я живу, было на 42 минуты темнее, чем 24-го.
Фактически сервисы, привязанные к вашей геолокации, уже сотворили чудо: в эпоху отрывных бумажных календарей восходы и закаты публиковались для широты Москвы, 55 градусов, и гражданам огромной страны приходилось ориентироваться по этим цифрам.
.
Насколько это неточно? В календаре на 1 декабря 1986 года (только что наткнулся на скан этой страницы в Интернете) указано, что продолжительность дня составляет 7 часов 25 минут. Давайте возьмем программу-планетарий (самая распространенная — Stellarium, но мне понравилась древняя программа Starcalc) и убедимся, что в Москве так и есть.
А вот в Сочи (43 градуса широты) уже 9 часов 13 минут. На Крайнем Севере 1 декабря вообще не было дня.
Это «средний показатель по больнице».
Скриншот программы Starcalc Но каковы моменты, от которых мы отсчитываем начало дня и ночи, то есть собственно восход и заход солнца? С ними совсем непросто.
Избегая горизонта
Вечер 18 мая 2019 года был невероятно ясным.В нашем климате это редкость: на западе облака любят группироваться, а вечеров с ясными закатами в году бывает не более десятка, а в 2020 году таких вечеров не было и пяти.
Я никогда не упускаю возможности сфотографировать эталонный закат, так как в моем распоряжении есть эталонный горизонт, близкий к математическому (линия 90 градусов от зенита).
Первое фото было сделано в 20:45, когда Солнце как будто коснулось горизонта.
Но кажется, что чем ближе к горизонту, тем больше нижний край Солнца стал выгибаться и как бы избегал его касаться.
На второй фотографии, сделанной в 20:47, Солнце кажется разрезанным пополам.
Точно сказать невозможно, поскольку светило превратилось в замысловатую приплюснутую фигуру.
Значит, за две минуты светило прошло половину диаметра, значит, и вторую половину оно пройдет за две? Ничего подобного: третье фото сделано в 20:52, и еще четыре минуты после этого свет больно горел и был виден сквозь дальний лес.
Вхождение оказалось нелинейным процессом! 
Солнце касается горизонта нижним краем.
Условный астрономический закат (центр Солнца пересекает горизонт) 
Верхний край Солнца пытается скрыться за горизонтом Вечером того же дня интернет-сервисы сообщили, что Солнце исчезнет в 20:40. Хм, в это время я еще видел полный диск, который и не собирался прятаться за горизонт. Starcalc показывает закат в 20:43. Лучше, но нет. И только сервис suncalc.org точно объявляет 20 часов 47 минут. Сразу понятно, что «заход» он трактует так, как принято в астрономии: момент, когда центр звезды пересекает горизонт. Но и в другие дни он тоже может ошибаться.
Скриншот сайта SunCalc.org Дело, конечно, в рефракции.
Мы смотрим на небо через атмосферу, и она преломляет свет. Атмосферная рефракция словно поднимает светила над горизонтом.
Вы все еще видите Солнце, но на самом деле его уже нет. Интернет-сервисы не врут: Солнце на самом деле зашло ровно в 20:40, и все это время мы наблюдали своеобразный мираж, призрак Солнца.
Считается, что в зените рефракция равна нулю (свет поглощается атмосферой, но луч света не отклоняется).
На горизонте средняя рефракция составляет 35 угловых минут. Все дело в том, что градиент рефракции у горизонта тоже огромен: верхняя точка Солнца не так устремляется вверх, как нижняя, и форма солнечного диска искажается.
При этом отклонения наблюдаемой картины от «средней» колоссальны.
Луч зрения вблизи горизонта пробивает «слоеный пирог» из разнонагретых слоев воздуха.
Когда-нибудь понаблюдайте за заходом такой яркой звезды или планеты, как Венера: она то стремится к горизонту, то внезапно подпрыгивает вверх или в сторону.
Интернет-сервисы этого просто не учитывают. В Starcalc можно ввести давление и температуру воздуха, что я и сделал (разумеется, эти данные я записывал по мере наблюдения).
Результат оказался лучше.
Suncalc.org видимо использует крутой алгоритм и учитывает мою высоту.
Последним тоже нельзя пренебрегать: например, на вершине башни Бурдж-Халифа (585 метров) Солнце садится на 2-3 минуты позже, чем у подножия.
Этот сервис допускает ошибку при наличии ярко выраженной аномалии.
Например, в июле того же 2019 года из-за температурной инверсии можно было увидеть объекты, висящие над горизонтом, на расстоянии 70-100 км.
«Миражи» были настолько часты, что я даже перестал обращать на них внимание.
Огни на расстоянии 120 км видны на горизонте летом 2019 года.
Кажется, нет ничего «проще» восхода и заката.
Но только наблюдения дадут точный момент для вашей местности.
Посчитать можно, но сложно.
Сага "Сумерки
После захода солнца наступают сумерки, а с ними все еще менее определенно.Взгляните как-нибудь на классические «Сумерки» Джорджа Розенберга (1963), чтобы почувствовать всю сложность проблемы.
В двух словах картина такая: Солнце прячется за горизонт, но оно по-прежнему освещает атмосферу, и оно освещает нас.
Преобладают два типа рассеяния: на атомах воздуха (рэлеевское) и на твердых частицах.
Чем он темнее, тем важнее второй механизм.
Это хорошо видно по причудливым изменениям поляризации утреннего сектора (поэкспериментируйте как-нибудь с полярифильтрами).
Цвета заката определяются как преломлением света, так и, когда наступает темнота, собственным свечением атмосферы, например, желтыми линиями натрия.
Однажды мне удалось сфотографировать свечение линий натрия в спектре заката, и я был очень удивлен, так как тогда еще не знал об этом эффекте.
Линии самоизлучения атмосферы, сфотографированные самодельным спектроскопом Чем дальше идешь, тем выше поднимается сектор земной тени со стороны, противоположной закату.
Его окружает красноватый ореол («пояс Венеры»), который является проекцией атмосферного свечения на саму атмосферу (да, именно так!).
В X веке арабский астроном аль-Хасан, наблюдая момент пересечения тени Земли зенита, установил, что высота атмосферы составляет 34,7 км.
Хороший результат — атмосфера, конечно, простирается выше, но в виде «плохо очищенного вакуума».
Появление земной тени и «пояса Венеры» в области, противоположной закату.
В Википедии вы прочтете, что сумерки бывают гражданскими (от заката до высоты Солнца минус 6 градусов), навигационными (минус 6-минус 12 градусов) и астрономическими (минус 12-минус 18 градусов).
Конец гражданских сумерек определяется появлением первых звезд (но не ярких планет) и тем, что «больше ничего не прочитаешь».
Навигация – это время, «пока капитан корабля видит берега», то есть попросту способность человека различать контуры крупных предметов.
Астрономические сумерки для обычного человека – это уже «ночь».
В действительности не бывает двух одинаковых сумерек, и все эти цифры условны.
Например, во время метеорных дождей сумерки заметно ярче из-за запыления атмосферы космической пылью.
Крупные вулканы и пыльные бури где-то в Сахаре освещают небо по всей планете.
На пике активности серебристые облака светятся не хуже Луны: например, летом 2020 года, когда эти облака проявляли аномальную активность, я даже фотографировал тени таких ночных облаков.
Тень моей руки от серебристых облаков летом 2020 года.
Яркие сумерки – это полноценная часть «дня», потому что светло! Но предсказать, какие сумерки будут здесь сегодня, практически невозможно.
Эффект особенно заметен летом.
Формально в средних широтах летом не бывает «ночи» (Солнце не опускается ниже минус 10 градусов).
На самом деле «темные» сумерки даже в июне создают ощущение глубокой ночи.
А яркие создают «белые ночи», как, например, в июне 2004 года, когда можно было читать всю ночь, то есть гражданские сумерки как будто не заканчивались.
Добавим этому рисунку немного цвета (точнее серости): плотные тучи полностью съедают сумерки и сокращают световой день на часы.
Из транзисторов и палочек
Однажды я разбирался в завалах и нашел простые китайские часы с циферблатом.Мелькнула мысль: хорошо бы их запитать не от аккумулятора, а от солнечной панели.
Самый простой, из садового светильника.
Ночью ставишь часы на 12. Утром загорается батарейка и часы начинают тикать.
Когда они останавливаются вечером, они показывают реальную продолжительность светового дня.
Понятно, что в такой простоте схема работать не будет. Солнечная панель генерирует от милливольт в сумерках до более двух вольт на свету.
Кварцевый генератор в часах хочет получать стабильные 1,5 Вольта.
Однако я поставил задачу так: схема должна включать в себя аналоговые часы и простую солнечную панель (не фотодиод, не фоторезистор), без микроконтроллеров и прочих Ардуино.
Почему это? Почему нет? Купить какой-нибудь самопишущий люксметр – это вообще не проблема.
Но это не круто.
На ум сразу пришел транзисторный переключатель.
Но транзистор открывается при 0,3-0,5 вольта.
Часы ожили, когда уже заметно рассвело.
Погуглив, я обнаружил подростка из сельской Америки, который сделал нечто подобное для научной ярмарки и шаг за шагом описал свое испытание.
В результате он использовал весь источник питания садового светильника.
Вечером в схеме загорелся светодиод. Он активировал фоторезистор, который остановил часы через реле.
Красиво, но нельзя ли было проще? Решение мне подсказал видеоблогер Дмитрий Компанец из Владивостока (жаль, конечно, что я сам не додумался): каскад из транзисторов.
Сигнал сначала усиливается, и только потом транзисторный ключ открывается.
Транзисторы я взял от старой эконом-лампы.
Я не то чтобы копил деньги, я просто валялся без дела.
Принципиальная схема устройства Дальше калибровка.
Это было сделано на ясном закате.
Три транзистора и три аккумулятора сработали при высоте Солнца минус 3 градуса в помещении и минус 6 градусов (именно гражданские сумерки) на улице.
Отличный результат. Плохая новость заключается в том, что эффективность китайских солнечных панелей сильно варьируется от продукта к продукту, даже внутри партий.
Если вы решите повторить, вам придется откалибровать устройство по вашему экземпляру.
На самом деле, что произошло В результате получилось полезное устройство, что-то вроде гелиографа.
Их до сих пор можно найти здесь и там в обсерваториях.
Утром стеклянный шарик, а затем бумажную ленту.
Солнце, если ярко светит, выжигает след на бумаге, если не светит, то не прожигает. Вечером исследователь достает ленту, подписывает дату и сдает в архив.
Представляет интерес длинная серия показаний нашего прибора.
Такой серии у меня пока нет, но результаты показательны.
Облака, как и ожидалось, крадут часы света, и что поражает, так это то, насколько меняются сумерки от ночи к ночи.
Теги: #астрономия #Популярная наука #Сделай сам или сделай сам #астрофизика #атмосфера #сумерки #рефракция #фотометрия #фотометр
-
Метеор
19 Oct, 24 -
Основы Работы Почтальона Для Самых Маленьких
19 Oct, 24 -
Задержка Курсора 32 Миллисекунды В Mac Os X
19 Oct, 24 -
О Выборе Установщика
19 Oct, 24 -
Добавьте В «Избранное» На Хабре.
19 Oct, 24
