Мерцание

Мерцание — это периодическое или нерегулярное изменение яркости (светимости) источника света, наблюдаемое невооружённым глазом или с помощью оптических приборов. В более широком смысле термин применяется к любым колебаниям интенсивности излучения (в том числе в невидимых диапазонах спектра) или к флуктуациям параметров, воспринимаемых как визуальный эффект. Мерцание может быть вызвано как физическими процессами в самом источнике, так и внешними факторами, в том числе особенностями восприятия человека.

Физическая природа

Мерцание возникает вследствие быстрых изменений потока энергии, излучаемой источником. В зависимости от механизма различают несколько типов:

• Атмосферное мерцание (сцинтилляция) — вызвано турбулентностью воздушных слоёв, которые преломляют световые лучи. Наиболее заметно для звёзд, особенно низко над горизонтом, когда луч проходит через более толстый и неоднородный слой атмосферы.
• Внутреннее мерцание — обусловлено нестабильностью работы самого источника: например, колебаниями тока в нити накаливания, пульсациями плазмы в газоразрядных лампах или процессами в активной зоне звезды.
• Искусственное мерцание — создаётся целенаправленно (светодиодные индикаторы, стробоскопы, сигнальные огни) или является побочным эффектом (например, из-за несовершенства конструкции осветительных приборов).

Мерцание в астрономии

В астрономии мерцание (сцинтилляция) — одно из основных явлений, ограничивающих точность наземных наблюдений. Звёзды мерцают, а планеты — нет, потому что планеты имеют видимый диск, и флуктуации от разных его участков усредняются. Для борьбы с атмосферным мерцанием используются адаптивная оптика и космические телескопы (например, «Хаббл», «Джеймс Уэбб»).

История изучения

Первые систематические наблюдения мерцания звёзд провёл ещё античный астроном Гиппарх. В XIX веке английский астроном Джон Гершель связал мерцание с атмосферными явлениями. В XX веке советский учёный В. В. Соболев разработал теорию распространения света в турбулентной атмосфере.

Мерцание в технике

В технике мерцание — нежелательное явление, ухудшающее качество изображения, снижающее комфорт и безопасность.

Освещение

Мерцание светодиодных и люминесцентных ламп возникает из-за пульсаций тока при питании от сети переменного тока (50 или 60 Гц). Коэффициент пульсации освещённости регламентируется санитарными нормами: в России для жилых и общественных зданий он не должен превышать 10–20% (в зависимости от типа помещения). Высокий уровень мерцания вызывает утомление глаз, головные боли, снижение работоспособности.

Экраны

Мерцание дисплеев (мониторов, телевизоров, смартфонов) связано с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) подсветки. Частота мерцания современных экранов обычно составляет 200–500 Гц, но у некоторых моделей может быть ниже 100 Гц, что заметно для чувствительных людей. Для снижения мерцания применяются технологии DC Dimming (регулировка яркости постоянным током) и повышение частоты ШИМ.

Видеонаблюдение

В системах видеонаблюдения мерцание может быть вызвано несовпадением частоты кадров камеры с частотой сети (50/60 Гц). Для устранения эффекта используются камеры с функцией анти-мерцания (Flickerless) и синхронизация с частотой сети.

Мерцание в биологии и медицине

Восприятие

Человеческий глаз способен различать мерцание с частотой до 50–60 Гц (критическая частота слияния мельканий). Выше этой частоты свет воспринимается как непрерывный. Однако у некоторых людей чувствительность выше, и они могут замечать мерцание с частотой до 100 Гц.

Эффекты

• Фотосенситивная эпилепсия — редкое неврологическое заболевание, при котором мерцающий свет определённой частоты (обычно 15–20 Гц) провоцирует эпилептический припадок. В Японии в 1997 году после показа эпизода аниме «Покемон» с яркими красными и синими вспышками было зафиксировано более 600 случаев госпитализации детей с судорогами.
• Зрительное утомление — длительное воздействие мерцающего света (особенно с частотой ниже 100 Гц) вызывает напряжение глазных мышц, снижение контрастной чувствительности и головную боль.

Мерцание в искусстве

В кинематографе и фотографии мерцание используется как художественный приём — например, для имитации света свечи или старого кино. В музыке и световых шоу мерцание (стробоскоп) создаёт ритмический эффект. В литературе термин «мерцание» метафорически обозначает непостоянство, иллюзорность, неустойчивость чего-либо.

Мерцание в природе

Помимо звёзд, мерцание наблюдается у некоторых биологических объектов:

• Светлячки — насекомые, способные генерировать мерцающий свет для привлечения партнёров. Частота и длительность вспышек видоспецифичны.
• Глубоководные рыбы — некоторые виды (например, удильщики) используют мерцание биолюминесцентных органов для приманки добычи.
• Полярное сияние — его свечение может мерцать из-за флуктуаций потока заряженных частиц от Солнца.

Методы измерения

Для количественной оценки мерцания используются:

• Коэффициент пульсации — отношение разности максимальной и минимальной освещённости к среднему значению за период (в процентах).
• Индекс мерцания (Flicker Index) — более точная характеристика, учитывающая форму кривой изменения яркости.
• Спектральный анализ — разложение сигнала на частотные составляющие для выявления резонансных частот.

Нормирование

В России требования к мерцанию осветительных приборов и дисплеев установлены:

• СанПиН 1.2.3685-21 «Гигиенические нормативы и требования к обеспечению безопасности и (или) безвредности для человека факторов среды обитания» (коэффициент пульсации освещённости).
• ГОСТ Р 54945-2012 «Здания. Методы измерения коэффициента пульсации освещённости».
• ГОСТ IEC 62471-2013 «Фотобиологическая безопасность ламп и ламповых систем» (в части мерцания как фактора риска).

В США и Европе действуют стандарты IEEE 1789-2015 (рекомендации по снижению мерцания светодиодов) и IEC 61000-3-3 (ограничение пульсаций напряжения в электросети).

Интересные факты

• Мерцание звёзд послужило основой для создания первых звёздных карт: древние мореплаватели отличали звёзды от планет по отсутствию мерцания у последних.
• В 2019 году учёные из Калифорнийского университета в Беркли разработали алгоритм, позволяющий восстанавливать изображения звёзд с высоким разрешением, компенсируя атмосферное мерцание.
• Некоторые виды светодиодных ламп имеют мерцание с частотой 100 Гц, что не заметно глазу, но может вызывать дискомфорт у людей с мигренью.