Цель данной работы, раскрыть вопросы освещённости лунной поверхности, выяснить отражательные особенности поверхностного слоя реголита, уточнить цветовые характеристики в видимом диапазоне. Работа, для удобства разделена на 2 части: ОСВЕЩЁННОСТЬ ЛУННОЙ ПОВЕРХНОСТИ и ЦВЕТОВЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОВЕРХНОСТИ ЛУНЫ. Вопрос освещённости лунной поверхности автора волновал давно. Задавшись вопросом темно ли на Луне - автор первоначально допустил классическую ошибку любого живущего на Земле человека. А именно, сама постановка вопроса в корне "земная" и потому абсолютно не подходит для космических условий.
Темно или светло каждый человек с детства легко может определить, не задаваясь вопросом, что это в сущности значит. А значит это следующее - достаточно ли рассеянного света от поверхности окружающих предметов и рассеянного света атмосферными газами (далее атмосферой), заполняющей окружающее пространство попадёт на сетчатку глаза, чтобы уверенно распознать их и вступительно определить свойства предмета либо, например окружающую обстановку (идёт снег, светит солнце, бушует ураган, горит огонь и тд...)
Из физики 5-7 классов известно, что мы видим не окружающие нас предметы и воздух (атмосферу), а рассеянный свет их поверхностью (далее отражённый свет от них). Чёрный цвет означает либо то, что предмет полностью поглотил световой поток в видимом диапазоне, либо отсутствие веществ на пути света, могущих рассеять свет(молекулы атмосферных газов, пыль, преломляющие среды).
Человеческий глаз не видит предметов, лишь поток рассеянного (отражённого) света их поверхностью. Основной закон отражения света говорит: угол падения равен углу отражения для гладких поверхностей. Такие уточнения
нужны для дальнейшего раскрытия вопроса. Земля- атмосферное небесное тело, поэтому мы видим и отражённый свет от предметов и свет рассеянный атмосферными газами заполняющими пространство между ними. Интенсивность освещения определяется в единицах люкс. [1], Возникает визуальный парадокс, например интенсивность светового потока на уровне земной орбиты ок.. 135 000 люкс. В ясный, солнечный, безоблачный день в тени, на поверхности Земли достигает интенсивностью 10 000 - 25 000 люкс, (под прямым солнцем 32-130 000 лк) [1], практически в 5-6 раз меньше, чем свет, который достигает, например, поверхности космической станции или Луны(135 000 лк). То есть на порядок выше. Но на поверхности Земли не только предметы отражают свет, но и пространство наполненное атмосферой, миллиарды миллиардов молекул атмосферных газов многократно отражают свет, прежде чем достигнуть поверхности планеты. Получается яркое насыщенное светом пространство и прекрасно освещённые предметы. В космосе всем известно пространство - чёрное, из-за крайне малой насыщенности газами и пылью, способными рассеивать свет. Поэтому в космосе человеческий глаз будет видеть лишь свет отражённый телами, но не пространством. Пространство останется для человеческого глаза чёрным. Предметы интенсивней освещены, а пространство (небо) чёрное. Субъективно люди привыкли делать заключение темно или светло (степень освещённости) на основании освещённости пространства, а не яркости видимых предметов. Такая закономерность правомерна и логична для жителя Земли, где освещённость предмета напрямую зависит от количества света пропускаемого атмосферой (пространством) и им рассеянного.
В космосе рассеяние света пространством ничтожно мало для рассматриваемого расстояния (1 астрономическая единица) до источника излучения Солнца, им можно пренебречь. Поэтому из 2 характеристик оценивающих освещённость (темно или светло) одна для человеческого глаза отсутствует. При чём, как мы видим, главная, в субъективном понимании. Это первая причина, по которой постановка вопроса "темно ли на Луне" некорректна. Остаётся вторая характеристика освещённости (яркий, тусклый), а именно, количество света, отражаемое предметом попадающее на сетчатку глаза.
В выясняемом вопросе автор вплотную подошёл к понятию альбедо.[2] Отражательная способность предметов называется альбедо и выражается в % относительно светового потока падающего на предмет. Понятие альбедо имеет широкий спектр, как то: сферическое, ИК альбедо, абсолютное, геометрическое и пр. Для данного вопроса воспользуемся понятием среднего альбедо. Рассмотрим простую схему. Некое количество света Х (100%) попало на предмет и отразилось, например, 10% которые способен зафиксировать приёмник глаз (увидеть). Упрощённо говоря, эти 10 % и будут альбедо данного предмета, остальные 90% предмет поглотил и мы их не увидим. В космическом пространстве освещённость на без атмосферных телах, можно визуально оценить лишь по их отражательной способности альбедо. Пример в грубом приближении: на орбите МКС, в открытом космосе космонавт увидел бы яркую станцию, которая отразит в среднем 70 % падающего света (альбедо).
Путём простых вычислений получаем в грубом приближении 135 000 люкс (световой поток, далее освещённость на орбите) - 40 500 люкс (30% поглощённого света) = 94 500 люкс (70% отражённого света), что по освещённости существенно выше предметов в ясный день в тени (до 25 000 люкс). Напомню что альбедо - это не конкретная цифра выражающая яркость объекта, а величина выражающая соотношение падающего светового потока к отражённому. Например ледяной Энцелад, самый яркий спутник солнечной системы с альбедо в 99% по яркости на небе уступит Луне, с альбедо в 7,3 % (среднее). Секрет прост - Энцелад намного дальше от источника света Солнца, чем Луна. 150 млн км(1 а.ед.) против от 8 до 11 астрономических ед. орбита Сатурна. И количество света, попавшее на его поверхность будет на порядки ниже света, попавшего на поверхность Луны, возьмём при прочих равных условиях без учёта видимой площади поверхности.
Возвращаясь к космонавтам на орбите. Освещённость МКС на орбите должна бы слепить космонавтов,-отражённый световой поток 94 500 люкс, но как известно, космонавты работают в скафандрах, шлем которого оснащён двойным светофильтром для видимого и ИК, УФ диапазонов. В видимом диапазоне светофильтр задерживает ок... 96% света. По другим источникам ок.. 65%, возьмём первый случай. Теперь в приближении получим световой поток , достигший сетчатки глаз космонавта, работающего на орбите. 94 500 люкс (свет отражённый станцией) - 90 720 люкс (96% света задержанного фильтром) = 3 780 люкс (световой поток достигший сетчатки глаз космонавта). Такая интенсивность освещения не способна никого ослепить и сопоставима с полуднем в декабре.[1]
Здесь можно начать выяснять вопрос - темно ли на Луне? Правильно же поставленный вопрос, в силу выясненных выше явлений звучит так: УСЛОВИЯ ВИДИМОСТИ НА ЛУНЕ И БЕЗ АТМОСФЕРНЫХ ТЕЛАХ. Проблема освещённости в космосе и в частности на Луне требует выяснения ещё нескольких весьма существенных явлений и понятий для раскрытия и понимания вопроса. Итак есть чёткое понимание, что степень освещённости в космосе зависит от силы излучения источника света, расстояния до источника света (мощность светового потока) и отражательной способности поверхности тел (альбедо). Непосредственно лунные условия заставляют выяснить ещё одну важную составляющую: физико-оптические характеристики поверхности. ИМЕННО ЭТИ ХАРАКТЕРИСТИКИ БУДУТ ОПРЕДЕЛЯТЬ РЕАЛЬНУЮ ОСВЕЩЁННОСТЬ НЕБЕСНОГО ТЕЛА. [4] Следует понимать, что яркость предметов обусловлена не только их характеристикой альбедо, но и структурой поверхности, что может существенно изменять видимую яркость предмета в зависимости от угла падающего света и угла наблюдения предмета к падающему свету.[4]
Альбедо разных предметов могут иметь совершенно одинаковые характеристики, но глазом человека будут восприниматься по разному, один предмет покажется ярче, другой тусклее. Здесь всё зависит от нескольких факторов. Уже упомянутые физико-оптические свойства поверхности, это количество и характер отражения цвета, и специфика рассеяния света поверхностью. Или видимый цвет предмета. Свет разлагается на спектр, одни цвета спектра конкретным данным предметом лучше отражаются, другие интенсивней или вовсе поглощаются, от этого зависит ФИЗИЧЕСКИЙ ЦВЕТ и цвет в видимом диапазоне. Видимый человеком образ, во многом зависит не только от оптического приёмника (глаз) но и от обработки сигнала (центральный отдел нервной системы мозг). А также от механизмов субъективного восприятия цветов.
Например, красный цвет воспринимается как яркий (возбуждающий) легче воспринимается из остальных цветов при одинаковой физической яркости. Два пятна одинаковой яркости красное и зелёное субъективно по разному оцениваются и воспринимаются. На вопрос какое ярче? - подавляющее большинство ответит красное. Бык на корриде не видит цвета, его раздражает трепыхание полотнища а не цвет. Зрители же воспринимают красный цвет ассоциирующийся с возбуждением, активностью, агрессией.
Ещё два примера: 1)таблицы, определяющие нарушения восприятия цвета, где все точки фона и изображённой фигуры одинаковы по яркости, но разного цвета. 2) известно, что так называемые холодные цвета и ахроматичные тона воспринимаются более тусклыми, порой вовсе незаметными среди субъективно воспринимаемых как яркие.
Как следует учитывать данные замечания применительно к поверхности Луны?
Начнём с наиболее существенного, с характера отражения света лунной поверхностью -"....Сильная пористость вещества Луны на самой поверхности получалась также ранее и из оптических наблюдений: это вещество (далее реголит) обладает удивительным свойством отражать световые лучи преимущественно назад, откуда они падают. Лабораторные исследования показали, что этим свойством обладают поверхности типа мха, шлака - материалов большей частью с открытыми порами. Радиоданные показывают, что на Луне эта структура простирается на глубину в несколько метров..." [3] Так мы подошли к выяснению понятия индекатрисса рассеяния света. Простым языком это специфика отражения лучей света поверхностью тела. Означает что лунная поверхность отражает свет преимущественно назад к источнику солнцу, и закон отражения света малоприменим к данному вопросу. В исследуемом вопросе это поясняет ряд существенных деталей для лунного наблюдателя, в совокупности с безвоздушным лунным пространством, это раскрывает ряд оптических закономерностей и эффектов. Значит это следующее: для лунного наблюдателя угол падения света на поверхность (высота Солнца над горизонтом), угол наблюдателя к объектам ( свет падает сверху, сзади, справа слева) будут играть существенную роль в условиях видимого образа.[4] А именно различимость и яркость объектов при разной высоте Солнца и позиции наблюдателя к наблюдаемым объектам будет существенно разнится.
Например после посадки АМС Луна - 9 на наблюдаемых панорамах в связи с изменением угла освещённости (высота солнца) при прочих равных условиях наблюдения (угол наблюдения, интенсивность освещения) видимый образ существенно изменялся. Луна - 9 прилунилась лунным утром, когда косые скользящие лучи света хорошо высветлили образ наблюдаемого, особенности рельефа. Чёрные тени контрастировали с освещёнными участками, что позволило отметить особенности и структуру лунного рельефа деталями в миллиметры.[3][4]
С течением лунных суток угол освещения менялся около 12.5 градусов за земные сутки. Это визуально сделало поверхность существенно ярче, однако весьма ухудшило различимость рельефа, многие детали перестали быть различимыми и просто " исчезли". Те же эффекты весьма усложняли работу операторам луноходов.
Тени стали короткими при высоком солнце, частично исчезли, поверхность отражала больше света (он не скользил по вершинам неровностей) суммарно большей площадью поверхности. При слабом боковом отражении света реголитом, и ненасыщенным светом лунным пространством, (вакуум) полутени практически отсутствуют на Луне, вместо них непроглядные чёрные пятна теней. Такая специфика отражения света лунной поверхностью заметно усложняет передвижение и ориентировку на местности для космонавтов, работающих на Луне.
Дополнительной трудностью является определение расстояний на местности, что важно для безопасности лунных пешеходов. Законы перспективы на Луне тоже в большей мере не работают - ближние и дальние объекты по чёткости образа одинаковы - нет атмосферы, которая создаёт тональную градацию предметов (ближе -ярче и чётче, дальше тусклей и расплывчатей). Низкий короткий загнутый горизонт разительно отличим от земных просторов и тоже весьма затрудняет оценку величин и расстояний до предметов. Пример: человек находящийся в центре средних размеров кратера (10 км с высотой стенки до 2 км) просто этого не заметит. Если взять Луну за идеальную сферу без неровностей, то дальняя точка на горизонте оказалась бы всего в 2.429 км от наблюдателя, при уровне глаз наблюдателя 1.7 над поверхностью.[5] Сложная топография даже на равнинах ограничивает видимый горизонт до 700 м, по исследованиям луноходов.
Отдельное замечание по цвету Луны. Во второй части рассмотрим подробно. Для земного наблюдателя всё кажется ясным - Луна серебристо-белая. В действительности основной цвет Луны тёмно-бурый, то есть коричневые тона до угольно чёрных в некоторых областях. В эффекте "серой" или бело-жёлтой Луны виновата атмосферная рефракция, расстояние и глаза человека. Подобной проблемы почти не имеет фотографическое оборудование. Ночью наше зрение работает по другому, чем днём. Днём колбочки , при существенном понижении освещённости палочки, или так называемое сумеречное зрение. Палочки рассчитаны на восприятие освещения, а не цвета, предметы становятся ахроматичными серыми, без ощутимого разделения на цвет. На поверхности Луны освещённость достаточно хорошая, (нижние значения вне тени 30-80 лк сопоставимо с освещением жилой комнаты 50 лк ламп. в 60 Вт)чтобы проблем с различением цвета лунным днём не возникало. Безвоздушное лунное, как и космическое пространство при таких расстояниях, цвета не искажают, а вот атмосфера иногда очень существенно.(снег, туман, дождь)
В настоящее время можно говорить о трёх случаях, когда определение цвета поверхности для космонавта на Луне будет либо проблематичным, либо искажённым, неверным. 1) Во время солнечного затмения лунному наблюдателю поверхность будет казаться тёмно красной - причина земная атмосфера пропускающая преимущественно длинноволновую красную часть спектра солнечных лучей к её поверхности. 2) Лунной ночью, например, в новолуние, когда лунная поверхность слабо, относительно слабо освещена отражённым светом Земли. Так называемый пепельный свет, тогда лунный путешественник будет видеть не тёмно бурые тона с чёрными пятнами теней, а сероватые тусклые тона, земная атмосфера отражает в большей мере голубую часть спектра, к тому же при слабой освещённости будут работать палочки, то есть сумеречное зрение.
3) Лунным утром, когда наблюдатель в непосредственной области терминатора, замечены перемещения масс лунной пыли, так называемые лунные бури,а также повышенного газовыделения поверхностью из-за разогрева, после лунной ночи. Тогда поднятая пыль с лунной поверхности электростатическими силами в пространство станет рассеивать косой свет, подобно атмосфере. Возникнет эффект серого освещения поверхности, подобно ранним утром до восхода в лесу. Иногда подобные световые эффекты возникают на дне неосвещённых кратеров, что может быть результатом истечения газов из под поверхности, в следствии перепада температур. Известен также феномен люминесценции лунной поверхности. Автор подчёркивает, что в остальных случаях "серая" Луна это миф.
Теперь общие замечания с каким уровнем освещения и визуальными эффектами столкнутся космонавты на Луне. Произведём грубый расчёт в приближении - какое количество света достигнет глаз лунного пешехода. 135 000 люкс (освещённость в районе Луны) - 125 550 люкс (поглощённый лунной поверхностью свет) = 9 450 люкс (отражённый свет при среднем альбедо 7%). В данном грубом подсчёте автор подчёркивает, что использованные средние значения, опущено влияние различных факторов в разное время лунных суток и пр. Учтены лишь общие характеристики для облегчения понимания проблемы неподготовленному читателю. Возьмём как наиболее простой случай лунный полдень (Солнце в зените, на Земле полнолуние). Простой расчёт показал, что отражённый свет создаст освещённость в 9 450 люкс. Вспомним отражательные особенности реголита, а именно индекатриссы рассеяния вытянутые в сторону источника света (Солнца) ок... 90%.[4]
На практике это означает, что на сетчатку глаз космонавта, попало бы без фильтра на шлеме скафандра, лишь 10 % отражённого света, а именно 945 люкс (сопоставимо с пасмурным днём). Автор поясняет, что лунный грунт отражает подобно катафотам ночью, если наблюдатель стоит под несвойственным углом, он просто не видит всего потока отражённого света [4], лишь при сближении с угловым диапазоном отражения можно видеть всю полноту отражённого потока освещённостью в 9450 лк. Из указанного светового потока 945 лк (10%)фильтр в видимом диапазоне задержит 96%[6]. В конечном итоге на сетчатку глаза космонавта попадёт световой поток 37,8 люкс (4 % пропускаемые фильтром). В грубом приближении поток излучения рассеянного лунной поверхностью попавшего на сетчатку глаз космонавта составит мене 40 люкс (37,8 люкс). Такая освещённость сопоставима с освещённостью жилой комнаты [1]. Данный расчёт показывает что "слепящая поверхность Луны" это тоже миф, даже без учёта светофильтра никого такая освещённость не ослепит (9 45 люкс пасмурный день [1]). Обычный человек со здоровыми глазами нормально переносит солнечный полдень освещённостью до 130 000 люкс.
Автор обращает внимание, что для удобства рассмотрен самый простой вариант, когда Солнце в зените и любой угол наблюдателя по отношении к наблюдаемой картине даст одинаковый результат в отношении отражённого светового потока, поступающего на сетчатку глаз. При иных положениях Солнца (угол источника к поверхности) наблюдаемая картина будет меняться с учётом положения наблюдателя к Солнцу и наблюдаемым объектам [4]. Что будет в некоторых случаях сильно изменять наблюдаемый поток отражённого света для наблюдателя, в совокупности с без атмосферным лунным пространством, сложной топографией, чёрными тенями, изменяющейся освещённости даже от угла зрения будет сильно усложнять передвижение по лунной поверхности.
Суммируя вышеописанное, автор пришёл к выводу, что в лунный день на поверхности Луны царит достаточно высокая освещённость, позволяющая на передвижения космонавтов по оверхности. Вместе с тем, автор подчёркивает, что уровень освещённости на Луне не является излишне высоким, и уж тем более "слепящим". Освещённость также не искажает истинного ФИЗИЧЕСКОГО цвета Луны, кроме оговореных выше случаев. В случае с фотографированием Луны с поверхности также не будет проблем с цветопередачей. В сочетании с тёмными, бурыми цветами, даже яркие освещённые участки субъективно покажутся наблюдателю тусклыми и мрачными, подчёркнутые чёрными тенями. Простым языком обывателя можно ответить, что в бытовом понимании - светло или темно на Луне - На Луне темно, но передвижению это существенно не помешает в пределах освещённых участков, в смысле различения предметов и поверхности лунным днём.
ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА:
1.http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9B%D1%8E%D0%BA%D1%81 2.http://www.astronet.ru/db/msg/1186367 3.http://scifiart.narod.ru/Albums/1-001.htm#2 4.http://sovams.narod.ru/Luna/Luna9/telesys.html 5. расчёт произведён Михаилом Асановым НИТУ МИСиС '13, Факультет: Информационных технологий и автоматизированных систем управления (ИТАСУ), кафедра: Инженерной кибернетики 6. дополнительные ссылки: а)скафандр http://www.popmech.ru/article/4352-odezhda-dlya-vakuuma/ б) светофильтр http://epizodsspace.no-ip.org/bibl/n_i_j/1978/6/skaf.html в) свидетельства водителей луноходов http://kik-sssr.narod.ru/Dovgan--Odisseia-2.htm автор Р.Д.И. Стрельцов
