Яркость неба - Sky brightness

Сияние воздуха стало видимым с борта МКС

Яркость неба относится к визуальное восприятие из небо и как это разбрасывает и распространяется свет. Тот факт, что небо не совсем темное на ночь хорошо виден. Если источники света (например, Луна и световое загрязнение ) были удалены из ночное небо, только прямые Звездный свет было бы видно.

Яркость неба сильно меняется в течение дня, и основная причина тоже меняется. В течение дневное время, когда солнце над горизонтом, прямое рассеяние из Солнечный свет является преобладающим источником света. В течение сумерки (продолжительность после закат солнца или раньше Восход солнца до или после, соответственно, полной темноты ночи) ситуация более сложная, и требуется дальнейшее дифференцирование.

Сумерки (оба Сумерки и Рассвет ) разделен на три сегмента по 6 °, которые отмечают положение Солнца ниже горизонта. В гражданские сумерки центр диска Солнца находится между 1/4 ° и 6 ° ниже горизонта. В морские сумерки, Солнце высота составляет от –6 ° до –12 °. В астрономические сумерки, Солнце находится между –12 ° и –18 °. Когда глубина Солнца превышает 18 °, небо обычно достигает максимальной темноты.

Источники собственной яркости ночного неба включают: свечение, косвенное рассеяние Солнечный свет, рассеяние Звездный свет, и световое загрязнение.^[1]

Свечение

Когда физик Андерс Ангстрём изучил спектр Северное сияние, он обнаружил, что даже в ночи, когда полярное сияние отсутствует, его характерная зеленая линия все еще присутствует. Только в 1920-х годах ученые начали выявлять и понимать эмиссионные линии в полярных сияниях и в самом небе, и что их вызвало. Наблюдаемая зеленая линия Ангстрема на самом деле является линией излучения с длиной волны 557,7 нм, вызванной рекомбинацией кислорода в верхних слоях атмосферы.

Свечение воздуха - это собирательное название различных процессов в верхних слоях атмосферы, которые приводят к испусканию фотонов, при этом движущая сила в основном УФ-излучение от солнца. Преобладают несколько линий излучения: зеленая линия кислорода при 557,7 нм, желтый дублет натрия при 589,0 и 589,6 нм и красные линии кислорода при 630,0 и 636,4 нм.

Выбросы натрия происходят из тонкого натриевый слой толщиной примерно 10 км на высоте 90–100 км над мезопауза а в D-слое ионосфера. Красные линии кислорода берут начало на высотах около 300 км в F-слое. Выбросы зеленого кислорода более пространственно распределены. Как натрий достигает высот в мезосфере, еще не совсем понятно, но считается, что это комбинация восходящего транспорта морская соль и метеоритный пыль.

В дневное время преобладают выбросы натрия и красного кислорода, которые примерно в 1000 раз ярче, чем ночные выбросы, потому что днем верхние слои атмосферы полностью подвергаются солнечному УФ-излучению. Однако этот эффект незаметен для человеческого глаза, так как блики прямо рассыпанный солнечный свет затмевает и затемняет его.

Непрямое рассеяние солнечного света

Количество воздуха, все еще освещенного после захода солнца на горизонте. Нормализовано так, что зенит равен 1 воздушной массе.

Косвенно рассеянный солнечный свет исходит с двух сторон. Из самой атмосферы и из космоса. В первом случае солнце только что село, но все еще напрямую освещает верхние слои атмосферы. Поскольку количество рассеянного солнечного света пропорционально количеству рассеивателей (то есть молекул воздуха) на линии взгляда, интенсивность этого света быстро уменьшается по мере того, как солнце опускается ниже горизонта и освещает меньше атмосферы.

Когда высота Солнца <-6 °, 99% атмосферы в зенит находится в тени Земли, и преобладает рассеяние второго порядка. Однако на горизонте 35% атмосферы на луче зрения все еще освещается напрямую, и продолжает светиться до тех пор, пока солнце не достигнет -12 °. От -12 ° до -18 ° по-прежнему освещаются только самые верхние части атмосферы вдоль горизонта, прямо над местом, где находится солнце. После этого прекращается прямое освещение и наступает астрономическая темнота.

Второй источник солнечного света - это зодиакальный свет, что вызвано отражением и рассеянием солнечного света на межпланетной пыли. Зодиакальный свет сильно различается по интенсивности в зависимости от положения Земли, местоположения наблюдателя, времени года, а также состава и распределения отражающей пыли.

Рассеянный свет от внеземных источников

Не только солнечный свет рассеивается молекулами в воздухе. Звездный свет и рассеянный свет Млечный Путь также рассеиваются по воздуху, и обнаружено, что звезды до V величина 16 вносят свой вклад в рассеянный свет звезд.

Другие источники, такие как галактики и туманности, не вносят значительного вклада.

Полная яркость всех звезд была впервые измерена Бернсом в 1899 году, и согласно расчетам, общая яркость, достигающая Земли, была эквивалентна яркости 2000 звезд первой величины. ^[2] с последующими измерениями другими.^[3]

Световое загрязнение

Световое загрязнение - постоянно увеличивающийся источник яркости неба в урбанизированные районы. В густонаселенных районах, где не ведется строгий контроль светового загрязнения, все ночное небо регулярно в 5-50 раз ярче, чем было бы, если бы все огни были выключены, и очень часто влияние светового загрязнения намного больше, чем от естественных источников ( включая лунный свет). С урбанизация и световое загрязнение, треть человечества и большинство людей в развитых странах не видят Млечный Путь.^[4]

Сумерки

Когда солнце только что зашло, яркость неба быстро уменьшается, что позволяет нам видеть свечение воздуха, вызываемое с такой большой высоты, что они все еще полностью освещены солнцем, пока солнце не опустится более чем на 12 ° ниже горизонта. В это время преобладают желтые выбросы из слоя натрия и красные выбросы из кислородных линий 630 нм, которые вносят свой вклад в пурпурный цвет, который иногда наблюдается в гражданских и морских сумерках.

После того, как солнце зашло на эти высоты в конце морских сумерек, интенсивность света, излучаемого ранее упомянутыми линиями, уменьшается, пока кислородно-зеленый цвет не останется доминирующим источником.

Когда наступает астрономическая темнота, доминирует зеленая линия кислорода с длиной волны 557,7 нм, и происходит атмосферное рассеяние звездного света.

Дифференциальная рефракция заставляет различные части спектра доминировать, производя золотой час и синий час.

Относительные вклады

В следующей таблице приведены относительные и абсолютные вклады в яркость ночного неба в зените совершенно темной ночью на средних широтах без лунного света и в отсутствие какого-либо света. световое загрязнение.

**Яркость ночного неба**
Причина	Яркость поверхности [S₁₀]	Процент
Свечение	145	65
Зодиакальный свет	60	27
Разбросанный Звездный свет	~15	7

(S₁₀ Единица определяется как поверхностная яркость звезды, V-величина которой равна 10 и свет которой размазан на один квадратный градус, или 27,78 угловой секунды.⁻².)

Таким образом, полная яркость неба в зените составляет ~ 220 S₁₀ или 21,9 mag / arcsec² в V-диапазоне. Обратите внимание, что влияние свечения воздуха и зодиакального света зависит от времени года, солнечного цикла и широты наблюдателя примерно следующим образом:

{displaystyle {m {Airglow}} / {m {S}} _ {10} = 145 + 108 (S-0,8)}

куда S представляет собой поток солнечной энергии 10,7 см в МЯн и варьируется по синусоиде от 0,8 до 2,0 с 11-летним солнечным циклом, что дает верхний вклад ~ 270 S₁₀ при солнечном максимуме.

Интенсивность зодиакального света зависит от эклиптическая широта и долгота наблюдаемой точки на небе относительно Солнца. На эклиптических долготах, отличающихся от солнечной более чем на 90 градусов, соотношение

{displaystyle {m {ZodiacalLight}} / {m {S}} _ {10} = 140-90sin (| eta |)}

куда β - широта эклиптики, она меньше 60 °, когда больше 60 градусов, вклад такой же, как в таблице. Вдоль плоскости эклиптики наблюдается усиление зодиакального света, где он намного ярче вблизи Солнца и со вторичным максимумом напротив Солнца на 180 градусах долготы ( Gegenschein ).

В крайних случаях естественная зенитная яркость неба может достигать ~ 21,0 mag / arcsec², что примерно в два раза ярче, чем в номинальных условиях.