Граница дня и ночи
День-ночь границы есть граница между светлой стороной , освещенной с помощью звезды , таких как солнце и неосвещенной теневой сторона с небесным телом , в частности , на планете или Луне . В астрономии и метеорологии вид этой границы света и тени также называют терминатором ( латинское слово «разделитель») или разделителем (латинское слово «разделитель»).
Положение ограничителя по отношению к зрителю определяется фазовым углом и определяет фазу небесного тела, его форму света для наблюдателя. В фазах на Лунах при фазовых углах 0 °, 90 ° и 180 °, называется полной, половиной и новая луной.
содержание
Основы
Причина и внешний вид
Если источник света освещает тело, все области его поверхности, которые не могут быть достигнуты непосредственно светом, находятся в тени . Если для простоты предположить, что параллельные лучи света падают на сферу, сфера делится на полусферу в свете и полусферу в тени . Разделительная линия образует большой круг . Из-за своего пространственного положения и искажения перспективы он обычно выглядит как половина эллипса , другая половина которого лежит на задней части тела. При особых углах обзора разделительная линия выглядит как прямая линия или круг.
Самый известный пример такой границы между световой и теневой сторонами небесного тела — это внутренняя часть полумесяца , который меняет свою форму в зависимости от фаз луны. Леонардо да Винчи описал природу лунного света как солнечный свет, отраженный от лунного шара — и, следовательно, также от этой линии — словами:
«Луна не имеет света сама по себе,
и, насколько солнце видит ее, она освещает так много;
и мы видим столько же этого освещения, сколько оно видит нас «
Есть еще такой терминатор на Земле, который отделяет залитую солнцем сторону от темной ночной стороны . Однако есть дополнительные периоды времени, когда солнце находится чуть ниже горизонта, но когда небо все еще яркое из-за рассеяния солнечного света в земной атмосфере , сумерки . В результате этого граница земного дня и ночи, если смотреть снаружи, представляет собой не резкую линию, а, скорее, четкую размытость. Ночью он перешел в зону шириной до нескольких сотен километров, сумеречную зону .
На Луне нет атмосферы и поэтому нет сумерек. Когда там село солнце, внезапно становится темно. Таким образом, терминатор Луны показывает четкие границы светотени на рельефе поверхности. Однако есть также некоторое размытие терминатора из-за неровностей местности, а также того факта, что источник света (солнце) не имеет точечной формы, и, таким образом, его интенсивность света постепенно увеличивается и уменьшается во время восхода и захода солнца. . Последний эффект наиболее силен для тел, близких к Солнцу, таких как Меркурий , из-за этих тел видимый диаметр Солнца является самым большим.
Движение и значение
Поскольку небесное тело вращается вокруг своей центральной звезды по определенной орбите и тем самым совершает определенное вращение (с определенным наклоном оси к плоскости орбиты), граница дня и ночи определенным образом перемещается по поверхности небесного тела. тело. Он показывает, где на поверхности небесного тела светятся днем или ночью . Прохождение день-ночь границы через данное место определяет начало и конец ясный день на этом месте и , следовательно , также продолжительность дня и продолжительность солнечного сияния .
На Земле граница дня и ночи перемещается на запад около экватора со скоростью около 1670 км / ч и снова достигает того же положения в том же месте примерно через 24 часа. Временной интервал для этого одного цикла дня и ночи одинаков для всех мест на Земле, если они не находятся в полярных регионах. Из-за наклона земной оси к эклиптике в географических широтах за полярными кругами может случиться так, что не будет смены дня и ночи в течение 24 часов, потому что граница дня и ночи не проходит через это местоположение. Тогда наступает полярный день или полярная ночь .
Образцы изображений
Терминатор Луны ( Земная Луна ) —
детали рельефа с кратерами
Двойной терминатор на Мимасе (спутник Сатурна I) — выше солнечного терминатора, прямо через отражение (непрямой солнечный свет) Сатурна
Терминатор Титана (спутник Сатурна VI) — размытая зона, а также внешний вид ее атмосферы.
Кассини , апрель 2007 г.
Фазовый угол Φ и фаза k
В зависимости от угла, который образуют источник света и наблюдатель по отношению к освещенному небесному телу, различная большая часть его освещенной половины становится видимой для наблюдателя как световая фигура определенной фазы. Это соотношение можно описать математически через угол в пространстве, фазовый угол, а также через видимую часть освещенной поверхности стекла, фазу.
Если бы наблюдатель находился в месте расположения источника света или на линии оси проекции, фазовый угол был бы 0 °, тогда он смотрел бы точно на освещенную половину, стекло выглядело бы полностью освещенным (освещенная часть, т.е. 1 или 1/1), таким образом, фаза будет равна 1 и будет называться «полная фаза», например, полная луна для луны.
Новолуние, с другой стороны, или «новая фаза» — это фаза, равная 0 (пропорция 0/1 или 0 из 1), поэтому никакая часть диска не освещается, наблюдатель видит точно неосвещенную половину и стоит по отношению к источник света так, что небесное тело находится точно на одной линии, лежит между ними, фазовый угол теперь составляет 180 °.
Фазовый угол измеряются между источником света, солнце (S) , и наблюдателем (В), по отношению к небесному телу в качестве объекта (O) в вершине — видно из объекта, то есть угол , при котором S и B появляются:
Φ знак равно ∢ О С. ¯ О Б. ¯ <\ displaystyle \ Phi = \ sphericalangle <\ overline 
Если значения расстояния известны при просмотре удаленного объекта, фазовый угол может быть вычислен по ним:
Φ знак равно arccos р 2 + Δ 2 — Р. 2 2 ⋅ р ⋅ Δ <\ displaystyle \ Phi = \ arccos \; <\ frac с (горит) (не горит) 0 ∘ Φ 180 ∘ <\ Displaystyle 0 ^ <\ circ> Позволять: Р. <\ displaystyle R> . расстояние от центра масс / источника света до наблюдателя р <\ displaystyle r> . расстояние от центра масс / источника света до объекта Δ <\ displaystyle \ Delta> . расстояние от наблюдателя до объекта
И терминатор, и фаза могут быть указаны через фазовый угол.
Фаза может, кроме того, как уже упоминалось , как освещенная часть видимого общим воспроизведено, или в качестве освещения дефекта может быть истолкован:
k знак равно arccos ( р 2 + Δ ) 2 — Р. 2 4-й ⋅ р ⋅ Δ <\ displaystyle к = \ arccos \; <\ frac <(r ^ <2>+ \ Delta) ^ <2>-R ^ <2>> <4 \ cdot r \ cdot \ Delta>>> с (горит) (не горит) k>0>»> 1 > k > 0 <\ displaystyle 1>k> 0> k> 0>»>
Фазовый угол составляет ровно 0 ° или точно 180 °, если три объекта находятся точно на одной линии. Однако, поскольку на практике этого не происходит, фазовый угол достигает только минимальных значений, близких к 0 °, или максимальных значений, близких к 180 °.
Если пренебречь наклоном и эксцентриситетом траектории, обсуждаемый здесь геометрический фазовый угол (дополненный знаком для диапазона значений от -180 ° до + 180 °) соответствует фазовому углу для описания периодического процесса. Φ <\ displaystyle \ Phi> ω т <\ displaystyle \ omega t>
Фазовый угол и удлинение
Фазовый угол лежит на луче зрения от небесного тела до наблюдателя и соответствует удлинению, при котором наблюдатель будет виден со стороны объекта. С другой стороны, удлинение, видимое наблюдателем, то есть угол, под которым объект и источник света кажутся ему, не определяет фазу, но используется для расчета видимого расстояния от сияющей звезды до небесного тела и его видимость . В частности, при фазовых углах, близких к 180 ° — и, следовательно, очень небольшому удлинению для наблюдателя — может произойти прохождение или затенение .
Основные фазы и фазовый цикл
Фазы зависят от положения наблюдателя по отношению к небесному телу и солнцу как его созвездию и могут регулярно следовать друг за другом в цикле; продолжительность всего фазового цикла, относящегося к месту наблюдения, называется синодическим периодом .
В зависимости от фазового угла появляются разные фазы, названные в честь формы свечения; следующие также называются основными фазами и представляют особые созвездия (например, сисигии как положения на общем уровне или на одной линии).
- Полная фаза, когда Солнце и наблюдатель находятся в одном направлении в той же плоскости, что и небесное тело, наблюдатель видит только дневную сторону небесного тела, а терминатор падает на внешний край видимого диска. Эта фаза называется полной . Для наблюдателя на Земле, например, внутренние планеты находятся в верхнемсоединении, внешние планеты либо в соединении, либо в оппозиции , Луна в оппозиции. Φ м я п знак равно 0 ∘ : <\ displaystyle \ Phi _ <\ mathrm
> = 0 ^ <\ circ>:> 
- Половина фазы, при фазовом угле 90 ° наблюдатель видит терминатор таким образом, что он выглядит как прямая линия. Диск кажется разделенным пополам: полукруглая дневная и ночная стороны. Эта фаза также называется половинной фазы или дихотомии ( dĭchŏtŏmos «сокращение двух »); он не появляется на внешних планетах. Эту позицию не следует путать с квадратурой . Φ знак равно 90 ∘ : <\ displaystyle \ Phi = 90 ^ <\ circ>:>
- Новая фаза, когда фазовый угол почти максимален, небесное тело и Солнце находятся в одном направлении, видимом со стороны наблюдателя. Тогда внутренние планеты находятся в низшем соединении, другие планеты и Луна в соединении, между Солнцем и наблюдателем; они обращаются к нему своей ночной стороной. (Эклиптическое) удлинение в наблюдателе тогда равно 0, поэтому эта фаза обычно образует нулевую точку для расчета синодических периодов при техническом использовании. Эта фаза называется новой только по отношению к Луне и остается безымянной; это возможно только в том случае, если небесное тело встанет между наблюдателем и источником света, как луна Земли или внутренние планеты. Приставка «новый-» иначе используется только для обозначения нового света , для узкого полумесяца примерно через полтора дня после новолуния. Φ м а Икс знак равно 180 ∘ : <\ displaystyle \ Phi _ <\ mathrm
> = 180 ^ <\ circ>:>
Между этими основными фазами терминатор имеет форму эллиптической дуги и придает свету форму хорошо известного серпа или очертания, ошибочно называемого «яйцевидным», как до полной фазы (увеличение), так и после полной фазы (уменьшение ) в фазовом цикле.
Фаза обычно указывается геоцентрически — эклиптически : время для истинного наблюдения на поверхности Земли немного отклоняется от него, даже для точной даты луны, новолуния. Φ м а Икс <\ displaystyle \ Phi _ <\ mathrm
Геометрическая фигура терминатора
На сферическом теле проекция света образует круглую поверхность, край которой представляет собой круг. В случае точечного источника света его диаметр увеличивается с увеличением расстояния от тела и будет наибольшим в пределах бесконечного расстояния — с параллельными падающими лучами без отклонения — так называемого большого круга . Тогда открытая половина сферической поверхности будет отделена от столь же большого неэкспонированного полушария. То же самое деление произойдет и с плоским источником света, который излучает под прямым углом, и в виде диска с тем же радиусом, что и тело, находящееся под прямым углом к нему — независимо от расстояния. Фактические условия проецирования в каждом случае можно понимать как приближение к этим идеальным случаям, а падение световых лучей затем упрощается как приблизительно параллельное.
В небесных телах без атмосферы свет не отклоняется и при падении все еще после отражения освещается сферическим телом, имеющим поверхность с круговой границей отраженного света, тогда изображение формируется, чем вид тела, в астрономии также диск ( Английский диск ) называется.
В зависимости от расстояния до наблюдателя и угла, под которым видна освещенная полусфера, граничная линия — ограничитель — появляется на изображении в виде круга, эллиптической дуги, прямой линии или не отображается вовсе. Край панели как внешняя окружность панели и ограничитель как внутреннее разделение поверхности панели вместе определяют световую форму освещенного небесного тела, его вид или аспект. В зависимости от перспективы или фазы, диск кажется полностью, наполовину или не освещенным, когда терминатор поворачивается от эллиптической дуги к кругу, прямой или невидимой. Главная ось эллипса , в качестве дуги которого появляется терминатор, равна кажущемуся диаметру диска, малая полуось рассчитывается приблизительно до . d <\ displaystyle d> d ⋅ k <\ displaystyle d \ cdot k>
То, что тонкий полумесяц иногда действует hörnchenfömig, для Luna cornuta как будто кончики загнуты внутрь, происходит из-за эффектов бликов ( излучения ) и усиления контрастов нашим зрительным восприятием; таким образом, яркая узкая форма луны выходит за рамки их различного темного окружения, с одной стороны, на ночном черном фоне, с другой стороны, от земного света тускло освещенной части Луны. Кроме того, лунный свет все еще рассеивается в атмосфере Земли. Беличья форма земного серпа на некоторых изображениях из космоса в основном обусловлена эффектами преломления и рассеяния — заснеженные полярные зоны кажутся более яркими из космоса и выглядят как удлиненные пики. Обман белки становится еще сильнее с Венерой, у которой тоже есть атмосфера, но чья темная сторона всегда остается невидимой, потому что она не получает никаких отражений от ближайшего небесного тела.
Идеальный предел тени можно рассчитать следующим образом (программный код: C ):
[rx, i]… координаты темного
края диска [lx, i]… координаты терминатора в
виде декартовых координат (здесь: целые числа, пиксель за пикселем)
с:
ph ……… фаза RADIUS . радиус диска CENTER … X-координата центральной точки панели
Источник: Лунный инструмент Дж. Уокера, по мотивам книги Миус / Даффет-Смит.
Затем терминатор или разделитель принимает более сложные формы при проецировании на карту. Прогнозируемый на более плоскую карту , то свет тень граница линия показывает изогнутый курс в виде искаженной синусоидальной кривой и может разбить на две параллельные линии на день равноденствия .
Кроме того, необходимо учитывать реальные условия, при которых граница дня и ночи лишь приблизительно образует большой круг, а терминатор — эллипс с большой полуосью, равной почти его радиусу: потому что лучи, исходящие от точечного источника не полностью освещают одну половину сферы, преломления в атмосфере смещают граничную линию, рассеяние делает ее размытой, а двумерное расширение источника света — такого как солнце — приводит к падению света под разными углами или может освещать больше, чем полушарие. Однако из общих астрономических соображений можно предположить, что солнечные лучи падают параллельно из-за большого расстояния по сравнению с диаметром освещенных небесных тел.
Небесная механика
На освещенном небесном теле звезда выделяет одну сторону в свете и отличает ее от той, которая находится в тени. Разграничение световой и теневой сторон рассматривается с двух принципиально разных углов в зависимости от местоположения наблюдателя:
Во внешней перспективе, наблюдая отраженный свет освещенного небесного тела, граница свет-тень становится ограничителем, определяющим внешний вид световой фигуры. В пределах окружности диска он отделяет свет от темноты и, таким образом, отмечает фазу. Этот вид зависит от телесного угла, который образуют звезда и небесные тела по отношению к месту наблюдения, например, солнце и луна относительно земли. Когда они вращаются вокруг своей оси, этот угол практически не меняется, но он меняется, когда Луна и Земля движутся вокруг Солнца. Измененная в результате фаза отображается на наблюдаемом лунном диске как смещение терминатора. Непрерывная серия таких фазовых изменений вплоть до повторения образует фазовый цикл, который в данном случае также называется месяцем.
Во внутренней перспективе, непосредственно экспонируемой на поверхности освещенного небесного тела источника света, граница между светом и тенью становится границей дня и ночи, которая определяет, будет ли открыто место на поверхности и может ли прямой свет достигать земля. Могут быть формы, на деятельность которых влияет энергия света — будь то уклонение от повреждающего воздействия или использование энергетических эффектов для себя. День или ночь зависит от угла, под которым звезда и поверхность небесного тела расположены по отношению к месту нахождения наблюдателя. На Земле, например, это будет положение солнца над уровнем моря на пляже. Этот угол изменяется при орбитальном движении Земли по орбите, а также при ее вращении вокруг собственной оси. Это сдвигает границу дня и ночи на поверхности земли; продолжающийся сдвиг с двумя чередованиями между светом и темнотой вплоть до повторения аналогичной фазы экспонирования в одном и том же месте затем формирует полный цикл день-ночь, который также называется полным днем.
Граница дня и ночи может смещаться, когда тело находится в движении. Если бы он двигался вокруг источника света без собственного вращения, граница света и тени дважды перемещалась бы по его поверхности в течение полного цикла. Для неподвижного наблюдателя на этом теле цикл день-ночь истек бы, который длился бы на этой орбите целый год . Если предположить, что теперь тело будет вращаться вокруг себя ровно один раз в течение одного периода обращения вокруг себя — и это вокруг оси, расположенной под прямым углом к плоскости орбиты — есть две возможности: если оно вращается в том же направлении, что и вращается, то поворачиваясь, он постоянно смотрит на одну и ту же сторону от циркулирующего источника света. При таком ограниченном вращении его день длится, если не вечно, до тех пор, пока звезда как источник света не погаснет — если тело все еще существует. Однако если он вращается в направлении, противоположном направлению вращения, то его год состоит из двух дней (и двух ночей).
Таким образом, в зависимости от того, совпадает ли направление вращения тела с направлением вращения на орбите , либо один день может быть опущен, либо один день может быть добавлен к орбитальному периоду в его году. Другими словами: количество полных оборотов никогда не равно количеству дней по отношению к центральной звезде, но либо плюс, либо минус 1 в течение года. В случае с Землей это означает, что солнечные сутки не соответствуют всему периоду вращения, но примерно 1/365 его отсутствует.
Если бы ось вращения небесного тела была точно перпендикулярна его орбитальной плоскости, то есть с наклоном, равным 0, граница дня и ночи проходила бы точно через оба полюса . В этом случае не будет разницы во времени дня или ночи относительно географической широты на этом небесном теле, потому что в течение солнечного дня предел дня и ночи будет превышен дважды для всех мест.
Однако, если ось вращения не совсем перпендикулярна плоскости орбиты небесного тела, периоды светового дня или ночи меняются от одного цикла день-ночь к другому. Чем дальше от экватора , тем больше различий, возникающих при обходе солнца. Вокруг полюсов есть даже участки поверхности, в пределах которых граница дня и ночи вообще не превышается в некоторые периоды вращения. Границы этих областей определяют полярные круги .
Терминатор земли
По пути сквозь атмосферу Земли свет преломляется и рассеивается, поэтому из-за преломления (есть преломление ) примерно на полградуса он достигает другого участка земной поверхности, и из-за его разнообразия возникают следующие сумеречные зоны. Таким образом, граница светотени на земном шаре покрывает большую площадь днем, чем ночью, а также размывается ночью.
Часть света отбрасывается от обнаженной поверхности земли ( отражение ), как диффузное отражение — в зависимости от характера поверхности и угла падения пропорции различаются. Это альбедо Земли в настоящее время составляет около трети (примерно 31%) падающего солнечного света со значительными различиями в отражательной способности, например, нового снежного покрова (примерно 85%) и уровней воды под углами более 45 ° (прибл. 5%). Затем отраженный свет проходит через атмосферу во второй раз с преломлением и рассеянием, прежде чем на земном диске будет создано изображение границы дня и ночи в качестве ограничителя, видимого снаружи с точки зрения космоса.
Ось вращения Земли не перпендикулярна плоскости орбиты, но под углом около 66,5 ° наклон эклиптики , таким образом, составляет около 23,5 °. В то время как терминатор пересекает точку на экваторе почти каждые 12 часов, так что яркий день и ночь длятся там примерно одинаковое время, влияние наклона эклиптики приводит к значительным различиям в продолжительности дня и ночи даже в умеренных широтах.
Во время солнцестояний или солнцестояний яркие дни самые длинные в северном полушарии летом ( летнее солнцестояние , около 21 июня), как и ночи в южном полушарии, а дни зимой самые короткие ( зимнее солнцестояние , около 21 июня ). Декабрь) — пока это самый длинный день в южном полушарии. Около четверти года после этих дат, светлый день и ночь имеют одинаковую длину (равноденствие или равноденствие , около 20 марта и 23 сентября соответственно). Продолжительность дня колеблется в умеренных географических широтах, например от 45 °, примерно от 8 до 16 часов, что соответствует продолжительности ночи. Примерно с 66,5 ° северной или южной широты могут наблюдаться полярные круги , полярные дни с полуночным солнцем или полярные ночи .
Ближе к полюсам продолжительность сумерек также увеличивается — на 45 ° широты до полутора часов, как астрономические сумерки в период зимнего солнцестояния; Перенесенный на поверхность Земли, он соответствует зоне протяженностью более ста километров, и поэтому так называемые белые ночи также происходят на широтах ниже полярных кругов.
Разнообразные явления при заходе и восходе солнца возникают как астрономические явления из-за рассеяния и преломления в тех слоях атмосферы , которые пересекаются плоскостью геометрического терминатора.
Lunar Orbiter 1 сделал первые снимки Луны и серпа 23 августа 1966 года.
Источник