Пенумбра в астрономии и оптике¶

Пенумбра (от лат. paene — «почти» и umbra — «тень») — область частичного затенения, возникающая за непрозрачным телом при освещении его протяжённым (неточечным) источником света. В отличие от полной тени (умбры), куда свет от источника не попадает вовсе, в пенумбру лучи приходят от части источника, поэтому освещённость там понижена, но не равна нулю. Термин используется в астрономии, оптике, а также в переносном смысле — для обозначения промежуточных, размытых состояний и границ.

¶Физическая природа явления

Если источник света точечный, за препятствием образуется резкая тень с чёткими краями. Реальные источники (Солнце, лампа, пламя) имеют конечные угловые размеры, поэтому граница тени размывается. Возникают три зоны:

• Умбра — полная тень, куда не попадает ни один луч от источника;
• Пенумбра — полутень, куда попадает часть лучей;
• Антумбра (в некоторых построениях) — зона, где виден лишь край источника.

Ширина пенумбры растёт с увеличением размеров источника и расстояния до экрана и уменьшается при приближении экрана к препятствию. Геометрически пенумбру можно описать через подобие треугольников: её угловая ширина примерно равна угловому размеру источника.

¶Пенумбра в астрономии

Наиболее известное проявление — тени небесных тел. Земля и Луна отбрасывают в пространстве конус умбры и окружающий его расширяющийся конус пенумбры.

¶Лунные и солнечные затмения

При лунном затмении Луна входит сначала в пенумбру Земли, затем в умбру. Пока спутник находится в полутени, его яркость падает постепенно и малозаметно для невооружённого глаза; потемнение становится отчётливым лишь вблизи границы умбры. Различают полутеневое, частное и полное лунные затмения.

При солнечных затмениях наблюдатель, находящийся в конусе пенумбры Луны, видит частную фазу: Солнце закрыто не полностью, сохраняется яркий серп. Полная фаза видна только из узкой полосы умбры.

¶Другие случаи

Пенумбра образуется также в системах двойных звёзд, при покрытиях звёзд Луной и астероидами, при прохождении спутников по диску планет. В фотометрии двойных систем различают затмения, при которых компоненты перекрываются частично (полутеневые фазы), что используется для определения размеров и орбит.

¶Пенумбра в оптике и технике

В прикладной оптике понятие полутени важно при расчёте освещения, в фотографии, микроскопии и литографии. Мягкость границы тени определяется размером источника: чем он больше относительно объекта, тем шире пенумбра и мягче переход. Этим пользуются в студийной съёмке, где софтбоксы и рассеиватели создают протяжённый источник и плавные тени.

В рентгеновской и электронной литографии борьба с пенумброй — одна из ключевых задач: размытие края маски ухудшает точность переноса рисунка. В медицине полутень используется при описании рентгеновских и ультразвуковых изображений.

¶Пенумбра в культуре и переносном значении

Слово вошло в широкий оборот благодаря роману польской писательницы Марии Крюгер «Тени» и особенно трилогии Филипа Пулмана «Тёмные начала», где «пенумбра» — название тонкого прибора, позволяющего видеть истинную природу вещей. В переносном смысле пенумбра обозначает зону неопределённости, полутень между явными состояниями — например, «пенумбра права», «пенумбра сознания».

¶Сравнение зон тени

¶Наблюдения и измерения

Астрономы quantitatively описывают пенумбру через её протяжённость и распределение яркости. При лунных затмениях фиксируют моменты касания Луной границ полутени и тени; эти данные уточняют модели земной атмосферы, поскольку её прозрачность влияет на цвет и яркость затенённой Луны. Пенумбра — удобный инструмент для оценки угловых размеров источников и геометрии взаимного расположения тел.

Источники: астрономические справочники и учебники по общей астрономии; курсы общей физики (раздел «Геометрическая оптика»); материалы по фотометрии затменных двойных звёзд; публикации по литографии.