6.32. Дрожание и мерцание звезд

Почему, когда вы смотрите на какой-то удаленный предмет через воздух над костром или над нагретой поверхностью (например, над освещенной солнцем дорогой), его изображение подрагивает? Почему вблизи, над дорогой перед вами, такие искажения увидеть труднее, чем вдали?

Почему звезды мерцают? Почему летом они мерцают сильнее, чем зимой? Почему иногда их цвет меняется? Почему Луна и планеты не мерцают? Мерцают ли звезды, если смотреть на них из космоса?

ОТВЕТ • Дрожание — результат турбулентного движения воздуха над нагретой поверхностью. Когда лучи света, исходящие от предмета, на который мы смотрим, проходят через турбулентную область, где плотность воздуха непрерывно меняется, они преломляются в случайных направлениях, и этот предмет кажется дрожащим и искаженным.

Чтобы дрожание было заметно, лучи света должны пройти длинный путь сквозь разогретый и движущийся турбулентно воздух. Если смотреть прямо вниз на горячую поверхность, например на тротуар себе под ноги, лучи, создающие изображение, проходят слишком короткий путь через турбулентный воздух, и дрожание незаметно. Если же смотреть на поверхность под углом, путь лучей через турбулентную область гораздо длиннее, и дрожание можно увидеть. Обычно это требование означает, что нагретая поверхность должна быть далеко. Например, это может быть отдаленный участок шоссе. И даже тогда дрожание может быть незаметно, если дорога слишком ровная. Дрожание гораздо заметнее, если на дороге есть ухабы.

Иногда можно заметить аналогичный эффект: на белой плоской поверхности появляются мимолетные тусклые тени. Это результат преломления падающего солнечного света на неоднородностях воздуха. В результате такого преломления солнечный свет может фокусироваться, что приводит к появлению сравнительно яркого пятна, а иногда вспышка настолько яркая, что после того, как она затухнет, нам кажется, что осталось темное пятно. Нестабильность, связанная с потоком теплого воздуха, движущегося снизу, под холодным воздухом, тоже может стать причиной дрожания и образования тусклых теней. Поскольку теплый воздух менее плотный, чем холодный, граница, разделяющая области с разными температурами, нестабильна. Она принимает форму волны, где-то фокусируя свет.

С аналогичными изменениями коэффициента преломления света из-за турбулентностей в атмосфере связано кажущееся слабое дрожание звезд на небе, которые как будто быстро и незначительно меняют свое положение. Мы видим это кажущееся движение, поскольку для нас звезды — это яркие точки на темном небе. Кроме того, эти изменения коэффициента преломления меняют фазу достигающих нас световых волн, идущих от звезд. Когда воспринимаемые наблюдателем световые волны совпадают по фазе (синхронны), имеет место конструктивная интерференция, и звезды кажутся ярче, а если эти волны не в фазе, интерференция деструктивная, и звезды становятся более тусклыми.

Наша зрительная система объединяет в единое целое все изображения звезды, какой она ее воспринимает за короткий промежуток времени, но изменение ее положения и интенсивности свечения все же заметно. Если смотреть на звезды из космоса, они не мерцают, но глаз не является идеальным оптическим устройством, они по-прежнему будут казаться точками, имеющими малые, но не бесконечно малые размеры.

Луна и планеты слишком большие, и поэтому они не мерцают. Хотя каждая точка, скажем, Луны подрагивает наподобие звезды, но она не является отдельной светлой точкой на темном фоне, поэтому ее дрожание незаметно.

Летом звезды мерцают сильнее, так как в это время года атмосфера более нестабильна, поскольку днем ее дополнительно нагревает солнце.

Если звезда находится вблизи чистого горизонта, ее цвет тоже может постоянно меняться. Свет от звезды проходит длинный путь через атмосферу и при рассеянии на молекулах воздуха, пыли и взвешенных частицах теряет некоторые входящие в его состав цвета. Поэтому мы видим свет, идущий от звезды, не того цвета, каким он исходно был. Постоянные изменения, происходящие при рассеянии, меняют цвет звезд, какими мы их видим.