87. Подмигивающая звезда

Человек! возведи взор свой от земли к небу,- 
какой, удивления достойный, является там 
порядок!

Козьма Прутков "Мысли и афоризмы", № 78а.

А Взгляните на звездное небо. Каждая звезда вам приятельски подмигивает, то увеличивая, то уменьшая световой поток, посылаемый в ваши глаза. Это, конечно, можно объяснить. Вы вспоминаете даже, что это вам уже кто-то объяснял: то ли ваш учитель астрономии, то ли одна из книг Перельмана.

Выберите яркую, сравнительно одинокую звезду - Капеллу, Арктур (только не планету!). Станьте так, чтобы вершина какого-нибудь столба, шеста оказалась рядом со звездой, находясь от вас на расстоянии 2-10 м. Если такого шеста нет, его придется организовать. Сосредоточьтесь взглядом на вершине, при этом звезда раздвоится. Причина раздвоения понятна: оси ваших глаз сейчас пересекаются не на звезде, а на вершине столба (если вы сосредоточитесь на звезде, то раздвоится столб). Похожие вещи вы встречали в задаче 81.

Итак, все готово? Вы сосредоточили зрение на вершине столба, а внимание - на раздвоенной звезде.

Объясните теперь, почему обе "половинки" звезды мигают не в такт? Почему одному вашему глазу звезда подмигивает иначе чем другому?

Б Вам придется сначала вспомнить, почему звезды мигают вообще. Кстати, в одной из предыдущих задач этой книги есть, почти все, что вам может понадобиться сейчас. Вспомнили? Правильно, это задача "Тайны оконного стекла". Прочитайте ее внимательно еще раз.

В Наша атмосфера неоднородна. В ней всегда имеются уплотнения и разрежения. В уплотнениях показатель преломления выше, в разрежениях - ниже. Эти неоднородности перемещаются ветром, поэтому лучи звезды, попадающие в наш глаз, проходят то через собирающую "линзу", отчего яркость звезды возрастает, то через рассеивающую. Эти "линзы" расположены хаотично, поэтому мерцание звезды беспорядочно. Беспорядок увеличивается оттого, что струи нагретого и холодного воздуха непрерывно перемешиваются, а также потому, что эти "линзы" имеются не на одной какой-либо высоте, а во всей толще атмосферы.

Плотность воздуха в неоднородностях ничтожно мало отличается от средней, тем не менее мерцание оказывается довольно интенсивным. Это легко понять, если вспомнить, что расстояние между "линзой" и глазом измеряется километрами. Даже слабая, очень длиннофокусная линза на таком расстоянии может заметно сконцентрировать (или рассеять) лучи.

Если размер "линзы" намного больше расстояния между глазами (6-7 см), то в первом приближении можно считать, что оба глаза одновременно будут попадать в сконцентрированный (или рассеянный) световой поток, отчего мерцание звезды для обоих глаз будет приблизительно одинаковым, обе половинки звезды будут подмигивать дружно, "в ногу". Если же "линзы" мелкие, менее 5 см, то может получиться так, что один глаз видит яркую "половинку" звезды тогда, когда второй - слабую, и наоборот. Как правило, на разных высотах одновременно существуют "линзы" самых разнообразных размеров, поэтому в мерцании звезды одновременно присутствуют и "дружная" (одинаковая для обоих глаз), и "недружная" составляющие. Таково, в общих чертах, объяснение.

Представим, что все "линзы" мелкие и находятся в тонком слое на одной высоте, не меняются во времени, но перемещаются в некотором направлении со скоростью ветра. Или, что то же самое, представим, что на этой высоте движется горизонтально огромный лист стекла (с тем, однако, отличием, что на стекле вместо полосатых неоднородностей - пятнистые). Пусть база глаз (прямая, соединяющая оба зрачка) ориентирована параллельно вектору ветра. Тогда мерцание звезды для одного глаза (кривая а на рис. 127) будет в точности^*) копировать мерцание для другого (кривая б), только со сдвигом во времени Δ t, который равен времени перехода "линзы" от одного глаза к другому. Следовательно, Δ t = ^l/_v, где l - база глаз, v - скорость ветра.

^*) (Если за время Δ t структура неоднородностей не успевает измениться.)

Записав эти световые сигналы и измерив запаздывание Δ t, мы можем определить скорость ветра на той высоте, на которой находятся неоднородности!

Рис. 127

Длительность же каждого из мерцаний связана (сложным образом) с размером "линз" и их высотой и позволяет получить 0 них определенное представление.

Не зная направления ветра, мы не можем ориентировать базу Глаз параллельно ему. Если база окажется случайно под большим углом к направлению ветра (например, 90^о), то "линзы", проходящие перед одним глазом, не будут проходить перед другим. Тогда между кривыми для одного и другого глаза не будет никакой связи: кривая в не повторяет кривую а, ведет себя совершенно независимо. В этом случае измерения скорости невозможны. Но именно тот факт, что между кривыми нет связи (нет, как говорят, корреляции), позволяет установить, что база глаз (или двух фотоэлементов) не параллельна ветру. Будем поворачивать базу до тех пор, пока корреляция между кривыми не станет максимальной. Этим самым мы повернем ее параллельно ветру и, следовательно, определим направление ветра!

Разумеется, степень связи между кривыми очень трудно оценить на глаз. Но существуют специальные приборы - коррелометры, которые делают это автоматически наилучшим образом.

Если "линзы" имеют большие размеры, то корреляция будет иметь место даже при базе, перпендикулярной к ветру. Тогда нужно увеличить базу так, чтобьь она превзошла размер "линз". Глаза раздвинуть непосредственно, конечно, нельзя. Но существуют приборы (стереотрубы, стереодальномеры), которые позволяют это сделать косвенно: расстояние между окулярами равно базе глаз, а между объективами - существенно больше. Последнее и будет новой базой. Нечего и говорить, что расстояние между двумя фотоэлементами, регистрирующими две кривые, можно взять любым.

Переходя от движущегося "стеклянного листа" к реальной атмосфере, мы с грустью обнаружим, что все осложняется и запутывается настолько, что даже коррелометрам приходится туго. Тем не менее они все-таки дают много ценной информации о размерах неоднородностей, о скорости и направлении их перемещения.

Планета, в отличие от звезды, не мерцает (точнее, почти не мерцает), потому что системы теневых и светлых пятен, падающих на поверхность Земли (и на наблюдателя), создаваемые разными точками планеты, не совпадают. В результате светлые участки от одних точек налагаются на темные от других, и в среднем получается почти постоянная освещенность. Звезда же так далека, что для земного наблюдателя всегда остается единственной точкой.