Зыбиться — атмосферное явление в астрономии¶
Зыбиться (также мерцание звёзд, от англ. twinkling) — оптическое атмосферное явление, заключающееся в периодическом изменении яркости, цвета и положения светила на небе, обусловленном неоднородностью и турбулентностью земной атмосферы. Явление возникает из-за того, что лучи света от звёзд проходят через слои воздуха с различной плотностью, температурой и влажностью, которые непрерывно перемещаются, что приводит к искажению волнового фронта и заметным колебаниям наблюдаемого изображения светила.
¶Физическая природа
Звёзды визуально представляются точечными источниками света: их угловой размер с Земли настолько мал, что даже в крупные телескопы они остаются практически точками. Из-за этого любое незначительное отклонение луча в атмосфере приводит к заметному смещению изображения и изменению яркости в телескопической апертуре. Планеты, напротив, имеют конечный угловой диаметр (Юпитер — около 30–50 угловых секунд), поэтому множество лучей от разных точек диска усредняют атмосферные искажения, и мерцание планет заметно слабее.
Атмосфера Земли представляет собой неоднородную среду: в ней присутствуют турбулентные ячейки (так называемые «эдди») размером от нескольких сантиметров до десятков метров, перемещающиеся с различными скоростями. Коэффициент преломления воздуха зависит от температуры, давления и содержания водяного пара, поэтому каждый слой обладает собственным оптическим свойством. Когда луч звёздного света проходит через такие слои, он многократно отклоняется, а суммарное отклонение случайным образом меняется во времени — отсюда и возникает «зыбление» светила.
¶Характеристики явления
Интенсивность зыби зависит от нескольких факторов:
- Угловая высота светила над горизонтом. У горизонта путь луча через атмосферу в 30–40 раз длиннее, чем у зенита, поэтому мерцание усиливается по мере приближения светила к горизонту.
- Цвет светила. Синий свет преломляется сильнее красного, поэтому голубые звёзды мерцают заметнее красных.
- Астрономическое качество атмосферы («seeing»). В горных обсерваториях и над холодными морскими массами турбулентность меньше, и мерцание ослабевает.
- Фаза Луны и Солнца. В сумерках и ночью, когда атмосфера охлаждается и стабилизируется, зыбь обычно меньше, чем в жаркое дневное время.
Количественно атмосферная турбулентность оценивается угловым размером «блеска» — seeing — который в обычных условиях составляет 1–3 угловые секунды, а в исключительные ночи на хороших площадках снижается до 0,4–0,6 угловой секунды.
¶Влияние на наблюдения
Зыбь является главным ограничителем разрешающей способности наземных телескопов. Даже идеальная оптика не может компенсировать атмосферные искажения: изображение звезды расплывается в пятно размером с seeing. Для борьбы с этим явлением разработаны две основные технологии:
- Адаптивная оптика. Система деформируемых зеркал, управляемых компьютером, компенсирует искажения волнового фронта в реальном времени. На крупнейших телескопах (например, на Большом канарском телескопе, ВLT) адаптивная оптика позволяет достигать разрешения, близкого к дифракционному.
- Спекл-интерферометрия. Метод, основанный на анализе множества коротких экспозиций, в которых атмосферные искажения «заморожены».
В российской астрономической практике для оценки атмосферной турбулентности широко применяется астроклиматический мониторинг — система автоматических измерений параметров атмосферы, в том числе профилей коэффициента преломления. Наиболее известные российские обсерватории, где проблема seeing критична, — Байкальская астрономическая обсерватория ИРКУТ (Иркутский университет) и Саянская обсерватория Института солнечно-земной физики СО РАН.
¶Зыбь и цвет звёзд
Из-за атмосферного мерцания некоторые яркие звёзды при низком положении над горизонтом приобретают пёструю окраску — красные, зелёные и синие вспышки сменяются друг другом. Наиболее известный пример — Бетельгейзе (α Ориона), красный сверхгигант, который у горизонта может казаться то ярко-красной, то зелёной. Это чисто атмосферный эффект, не связанный с реальным изменением физических свойств звезды.
¶Зыбь в морской навигации
Помимо астрономии, термин «зыбь» используется в океанологии и мореплавании в ином значении — для обозначения слабых волнений с малой высотой (до 0,1–0,3 м), не образующих гребней. Однако в контексте наблюдений за небом и астрономии слово «зыбиться» описывает именно атмосферное мерцание светил.
¶Культурное значение
Мерцание звёзд издавна служило предметом поэтических образов и навигационных наблюдений. В русском языке выражение «звёздное небо мерцает» закрепилось как устойчивый образ. В научном плане изучение зыби привело к развитию целого раздела астрофизики — астроклиматологии, а также к созданию адаптивных оптических систем, ставших неотъемлемой частью современных наземных обсерваторий.
¶Источники
- Марков А. В. «Астрономия и современность»
- Сурдин В. Г. «Астрономия: звёзды, небо, законы»
- Родионов Д. А. «Астроклимат и наземные наблюдения»
- Материалы Института астрономии РАН