Видны ли звезды днем? - Владимир Сурдин

Видны ли звезды днем?

Существует старое и довольно распространенное убеждение, что днем из глубокого колодца можно увидеть звезды. Время от времени это утверждают вполне авторитетные авторы. Более двух тысячелетий назад древнегреческий философ Аристотель писал, что звезды могут быть видны днем из глубокой пещеры. Позже римский ученый Плиний повторил то же самое, заменив пещеру колодцем. Немало писателей упоминало об этом в своих произведениях: помните, у Киплинга — "звезды видны в полдень со дна глубокого ущелья". А Роберт Болл в своей книге "Star-Land" (Бостон, 1889 г.) дает подробные рекомендации, как наблюдать днем звезды со дна высокой печной трубы, объясняя эту возможность тем, что в темной печной трубе зрение человека становится более острым. Итак, видны ли звезды днем? Сознаюсь, у меня не было до сих пор возможности спуститься в очень глубокий колодец или залезть в высоченную трубу.

Однако в разные времена находились любознательные люди, пытавшиеся обнаружить "эффект колодца". Знаменитый немецкий естествоиспытатель и путешественник Александр Гумбольдт, пытаясь увидеть звезды днем, спускался в глубокие шахты Сибири и Америки, но безрезультатно. В наши дни тоже есть беспокойные головы.

Например, журналист газеты "Комсомольская правда" Леонид Репин в номере от 24 мая 1978 года писал: "Говорят, что и среди бела дня можно увидеть звезды на небе, если спуститься в глубокий колодец. Однажды я решил проверить, правда ли это, спустился в шестидесятиметровый колодец, а звезд так и не смог разглядеть. Только маленький квадратик ослепительно синего неба". Вот еще одно свидетельство. Опытный любитель астрономии из города Спрингфилд (штат Массачусетс, США) Ричард Сандерсон так описывает свои наблюдения в журнале Skeptical Inquirer (1992 год, том 17, стр. 74): "Как-то лет двадцать назад, когда я работал практикантом в планетарии спрингфилдского Музея науки, мы с коллегами стали спорить об этом древнем поверии.

Наш спор услышал директор музея Франк Коркош и предложил разрешить его экспериментально. Он отвел нас в подвал музея, где начиналась высокая и узкая печная труба. В ней была маленькая дверца, в которую мы смогли просунуть свои головы. Я помню чувство возбуждения от перспективы среди бела дня увидеть ночные светила. Посмотрев вдоль дымохода наверх, я увидел сияющий кружок голубого неба на фоне непроницаемой черноты печного нутра. От окружающей темноты зрачки моих глаз расширились, и клочок неба заблестел еще ярче. Я сразу понял, что с помощью этого "прибора" мне не удастся увидеть звезды днем. Когда мы выбрались из музейного подвала, директор Коркош заметил, что только одну звезду можно наблюдать днем в хорошую погоду: это — Солнце". Итак, свидетели утверждают, что звезды днем из глубокого колодца, равно как и из высокой трубы, не видны. Однако не будем торопиться с выводами: сквозь некоторые трубы увидеть днем звезды все-таки можно.

В данном случае речь идет об астрономических трубах — телескопах. В чем же тут дело? Почему "труба с линзами" позволяет видеть звезды днем, а простая труба — нет?

Прежде всего, давайте подумаем, почему звезды днем не видны? Ответ довольно очевиден: просто потому, что от рассеянного атмосферой солнечного света дневное небо яркое. Если по какой-то причине этот фон ослабнет, например, произойдет полное солнечное затмение, то яркие звезды и планеты будут прекрасно видны днем. Также хорошо они видны в открытом космическом пространстве или с поверхности Луны, где небо абсолютно черное, и никакого светового фона нет. Почему же рассеянный в земной атмосфере солнечный свет скрывает от нас звезды? Ведь их собственный свет при этом не ослабевает. Чтобы понять это, нужно представить себе механизм нашего зрения. Как известно, главная линза, зрачок, создает изображение на задней стенке поверхности глаза, покрытой светочувствительным слоем — сетчаткой, которая состоит из большого числа элементарных приемников света — колбочек и палочек. Они по-разному чувствительны к свету, но для нас это сейчас не важно, и поэтому для простоты будем все их называть колбочками. Важно же то, что каждая колбочка передает в мозг информацию о потоке падающего не нее света, а мозг синтезирует из этих отдельных сообщений (сигналов) цельную картину увиденного. Глаз — очень сложный приемник информации, и в некотором роде он подобен "умному" электронному устройству, например, радиоприемнику. У него есть система автоматической регулировки усиления, которая снижает чувствительность глаза при ярком свете и повышает ее в темноте. Есть у него и система шумоподавления, которая сглаживает случайные колебания светового потока, как по времени, так и по поверхности сетчатки. Эта система имеет определенные пороговые характеристики, поэтому глаз не замечает быстрых изменений изображения (принцип кино) и малых флуктуаций яркости. Когда мы наблюдаем звезду ночью, поток света от нее на одну колбочку хоть и мал, но существенно превосходит поток от темного неба, падающий на соседние колбочки. Поэтому мозг фиксирует это как значимый сигнал. Но днем на колбочки падает так много света от неба, что небольшая добавка в виде света звезды, приходящаяся на один из этих элементов, не ощущается и "списывается" на флуктуации. Довольно легко убедиться, что именно яркий фон неба скрывает от нас звезды. Вот какой эксперимент по этому поводу советует провести Яков Перельман в своей "Занимательной астрономии" ("Гостехиздат", 1949 г., стр. 155): "Несложный опыт может наглядно прояснить исчезновение звезд при дневном небе. Для его проведения в боковой стенке картонного ящика пробивают несколько дырочек, расположенных наподобие какого-нибудь созвездия, а снаружи наклеивают лист белой бумаги. Ящик помещают в темную комнату и освещают изнутри: на пробитой стенке явственно выступают тогда освещенные изнутри дырочки — это звезды на ночном небе. Но стоит только, не прекращая освещения изнутри, зажечь в комнате достаточно яркую лампу — и искусственные звезды на листке бумаги бесследно исчезают: это "дневной свет" гасит звезды". Звезда может стать видимой на фоне дневного неба только в том случае, если поток света от нее будет сравним с потоком от площадки неба, которую зрачок проецирует на одну колбочку. Замечу, что угловой размер этой площадки называется разрешающей способностью человеческого глаза и составляет около 1 угловой минуты.

Из всех звездообразных объектов лишь Венера иногда видна на дневном небе. Увидеть ее непросто: небо должно быть идеально чистым, и нужно приблизительно знать, в каком месте на небе в данный момент она находится. Все остальные планеты и звезды имеют блеск значительно слабее, чем у Венеры, поэтому найти их без телескопа днем совершенно невозможно. Впрочем, некоторые астрономы утверждают, что при идеальных условиях им удавалось днем наблюдать Юпитер, который в несколько раз слабее Венеры. Но вот ярчайшую звезду нашего небосвода Сириус пока еще никому не удавалось наблюдать днем с уровня моря. Правда, говорят, что ее видели высоко в горах, на фоне темно-фиолетового неба. Что же делает телескоп, позволяя нам без труда наблюдать днем ночные светила? Очевидно, объектив телескопа собирает значительно больше света, чем зрачок глаза. Но в этом смысле изображения звезды и неба равноценны — при наблюдении в телескоп поток света от них в глаз увеличивается в одинаковое число раз, приблизительно равное отношению площади объектива к площади зрачка. В данном случае гораздо важнее другое — телескоп улучшает разрешающую способность глаза: ведь он увеличивает угловой размер наблюдаемых объектов. При этом та площадка, что при наблюдениях невооруженным глазом проецируется на одну колбочку, в телескоп проецируется сразу на несколько колбочек, и значит на каждую из них приходится пропорционально меньше света (например, если телескоп увеличивает угловой диаметр объектов в А раз, то наблюдаемая яркость неба уменьшается в А2 раз). Однако звезда имеет очень малый угловой размер, и ее свет по-прежнему попадает на одну колбочку. Таким образом, свет звезды уже кажется "солидным" на фоне уменьшенной яркости неба. И она становится заметной. Что же получается: бери телескоп с большим увеличением и можешь рассматривать днем самые слабые звезды? Нет, это не так. Земная атмосфера неоднородна, поэтому изображение звезды размывается и имеет вполне определенный угловой размер, хотя и очень малый. Ночью, при хорошей погоде, высоко в горах он составляет около 1 угл. сек. А днем на уровне моря — не менее 2–3 угл. сек. Поэтому максимальное увеличение, которое мы можем использовать, будет определяться таким образом, чтобы звезда по-прежнему оставалась точечным источником. Оно равно примерно 30–60 крат. В более сильном увеличении смысла нет: изображение звезды будет проецироваться сразу на несколько колбочек, и станет ослабевать так же, как и яркость неба. Давайте оценим, насколько слабые звезды становятся видны днем при помощи телескопа. В ясную погоду дневное небо имеет яркость примерно –5m на квадратную минуту дуги, то есть приблизительно на одну колбочку. Блеск Венеры около –4m. Поэтому будем считать, что звезда становится видна, если ее блеск не более чем на одну звездную величину меньше поверхностной яркости неба с квадратной минуты. Используя телескоп с увеличением, скажем, 45 крат, мы добьемся уменьшения яркости фона неба по сравнению с яркостью звезды в 452 (примерно в 2000 раз), то есть примерно на 8m. Значит, в поле зрения телескопа яркость неба снизится до +3m с квадратной минуты и тем самым нам станут доступны звезды до +4m. Опыт астрономических наблюдений показывает, что это действительно так. С телескопом мы разобрались, теперь вернемся к колодцу. Может ли колодец уменьшить яркость неба для находящегося внутри него наблюдателя так, чтобы из него можно было увидеть звезды? В принципе, чисто геометрически, может, перекрыв все поле зрения за исключением маленькой области, поток света от которой будет сравним с потоком света от звезды. Но для этого сидящему на дне колодца наблюдателю отверстие должно быть видно под углом менее одной минуты. При диаметре колодца в 1 м его глубина должна быть более 1/sin1´=3.4 км! При этом отверстие колодца наблюдателю будет видно лишь как светлая точка, яркость которой увеличится лишь на мгновение, если какая либо звезда пройдет точно через зенит. При всем желании трудно считать данную процедуру "наблюдением звездного неба". Высокая труба также может быть использована при наблюдениях звездного неба днем. Ведь она создает воздушный канал, в котором практически нет рассеянного солнечного света. И если эта труба пройдет через всю толщу атмосферы, то сквозь нее мы в любое время суток сможем увидеть звезды! Однако стоит учесть, что практически вся масса воздуха заключена в приземном слое атмосферы толщиной около 20 км. Длинная же должна быть труба! Таким образом, поверие о наблюдении звезд днем из глубокого колодца, как, впрочем, и из высокой трубы, оказалось мифом. Однако откуда он взялся? Об этом можно лишь догадываться. Возможно, находясь на дне колодца или шахты, кто-то действительно заметил проходящую по небу Венеру. Но это очень маловероятно и в принципе возможно лишь в тропических странах, где Венера бывает видна в зените.