Если коротко. Ночное небо над городом светится оранжевым, потому что светится сам воздух. Свет фонарей, окон и витрин уходит вверх, молекулы воздуха, пыль и мельчайшие капли рассеивают его во все стороны, и часть возвращается к земле. Получается огромный светящийся купол, а его цвет повторяет цвет ламп. Дольше всего улицы освещали натриевые лампы с жёлто-оранжевым светом, поэтому небо и стало «оранжевым». Звёзды при этом никуда не деваются: они тонут в светлом фоне, как фонарик в солнечный день.
Это канал «Обо всём». Мы любим вопросы, на которые все вроде бы знают ответ. Почему ночью темно, мы уже разбирали: там всё решает возраст Вселенной. А горожанин посмотрит вверх и скажет, что никакой темноты у него нет. Над головой бурое или рыжее марево, звёзд от силы десяток, а в пасмурную ночь светло так, что можно читать вывески. Давайте разберёмся, откуда этот свет и почему его год от года становится больше.
Сначала: почему ночное небо вообще должно быть чёрным
Вопрос «почему ночью небо тёмное» сложнее, чем кажется. В бесконечной и вечной Вселенной, равномерно заполненной звёздами, взгляд в любую сторону рано или поздно упирался бы в звезду, и небо горело бы целиком. Это парадокс Ольберса. Ответ на него такой: Вселенная не вечна, свет летит с конечной скоростью, а расширение пространства растягивает и ослабляет свет самых далёких источников. Подробно, с мифами и историей вопроса, мы разбирали это в отдельной статье.
Нам здесь важен вывод: естественный фон между звёздами очень тёмный. Поэтому любой добавочный свет на нём сразу заметен. Если за городом небо чёрное с россыпью звёзд, а над городом рыжее, значит, рыжину добавили мы сами. Астрономы называют это засветкой, по-английски skyglow.
Небо светится, потому что светится воздух
Начнём с того, о чём обычно не задумываются. Воздух не прозрачен на сто процентов. Каждая молекула азота и кислорода немного отклоняет проходящий через неё свет. Днём благодаря этому небо голубое: как объясняет NASA, молекулы рассеивают солнечный свет во все стороны, и синий рассеивается сильнее остальных цветов, потому что у него короче волна. Дневное небо и есть подсвеченный Солнцем воздух.
Ночью в городе происходит то же самое, только светит не Солнце, а миллионы ламп. Часть их света сразу уходит вверх: из плохо закрытых плафонов, прожекторов на фасадах, рекламных экранов. Ещё больше отражается от асфальта, стен и особенно от снега. Этот поток проходит через нижние километры атмосферы. Молекулы рассеивают в основном коротковолновую часть, а пыль, сажа и капли водяного пара рассеивают все цвета почти одинаково. В итоге над городом висит светящийся слой, и вы смотрите на звёзды сквозь него.
Отсюда главное «ага». Засветка — это не прямой свет фонаря в глаза. Это свечение всей толщи воздуха над головой. Поэтому от неё не спрятаться, даже если свернуть в тёмный двор: двор тёмный, а воздух над ним светится. Издалека, с трассы или из деревни в нескольких десятках километров, тот же слой выглядит как светящийся купол над горизонтом, и по нему видно, где город.
Откуда оранжевый цвет: виноваты натриевые лампы
Цвет купола зависит от того, чем освещён город. Десятилетиями главной уличной лампой была натриевая. Пары натрия в разряде светят в основном вблизи 589 нанометров. Это та самая жёлтая линия натрия, которую видно, если бросить щепотку соли в пламя газовой плиты. У ламп высокого давления спектр шире, и свет получается тёплым жёлто-оранжевым. Натриевые лампы долго были самыми экономичными, поэтому ими освещали дороги и дворы по всему миру.
Дальше работает простая логика. Воздух рассеивает тот свет, который получает. Если внизу почти весь свет оранжевый, то и небо светится оранжевым. Свой оттенок добавляют пыль и смог: частицы покрупнее рассеивают все цвета подряд и делают купол мутно-бурым. Поэтому в сухую пыльную погоду небо над промзоной бывает грязно-коричневым, а в сырую ночь над центром ярко-рыжим.
С переходом на светодиоды небо постепенно меняет цвет. Белые LED-светильники дают много синего и голубого, и купол над такими районами всё чаще не рыжий, а белёсый или сиреневатый. Если в одной части города небо оранжевое, а в другой серо-белое, скорее всего, там просто разные фонари.
Облака и снег: почему пасмурной ночью в городе светлее
Здесь интуиция подводит сильнее всего. Кажется, что облака закрывают небо и ночь должна стать темнее. За городом так и есть. В городе всё наоборот: низкий облачный слой работает как огромный матовый экран, который собирает свет снизу и отправляет его обратно.
Это хорошо измерено. В исследовании, опубликованном в PLOS ONE, облачность усиливала яркость неба в 10,1 раза в одной из точек внутри Берлина и в 2,8 раза в 32 километрах от центра. Там же показано, что пасмурная ночь в городе в 4,1 раза светлее ясной лунной ночи за городом. Позже объединили данные станций мониторинга из разных стран, и разброс оказался огромным: пасмурное небо было от трети темнее до почти 18 раз ярче ясного над тем же местом. В нетронутых местах облака небо затемняют, а в освещённых многократно усиливают засветку. Граница проходит примерно там, где сельская местность переходит в городскую.
Снег добавляет к этому ещё одно зеркало, теперь снизу. Свежий снег отражает большую часть падающего света, поэтому зимней облачной ночью свет многократно ходит между снегом и облаками, и город светится особенно ярко. Отсюда знакомая картина: небо розово-оранжевое, светло почти как в сумерках. Народная примета «рыжее небо к снегу» по сути описывает низкую сплошную облачность, а зимой из неё как раз часто идёт снег.
Есть и суточный ритм. По тем же измерениям, в ярко освещённых местах небо к утру темнеет обычно примерно на 5% в час: гаснет реклама, пустеют офисы, город засыпает. Поэтому поздней ночью звёзд над городом видно немного больше, чем в десять вечера.
Почему из-за засветки пропадают звёзды
Звёзды над городом светят так же, как над лесом. Дело в контрасте. Глаз замечает звезду, только если она заметно ярче фона вокруг. Когда фон поднимается, первыми исчезают самые слабые звёзды, потом средние, и в конце остаются только яркие точки да планеты. Млечный Путь, сотканный из света бесчисленного числа далёких звёзд, пропадает одним из первых.
Масштаб большой. По данным NSF NOIRLab, засветка уже лишила вида на Млечный Путь около 30% людей в мире и примерно 80% жителей США. А ведь в ясную тёмную ночь невооружённый глаз должен различать несколько тысяч звёзд.
Хуже всего то, что ситуация быстро ухудшается. В проекте Globe at Night добровольцы по всему миру с 2011 по 2022 год присылали оценки: какие самые слабые звёзды им видны. Набралось больше 51 тысячи наблюдений. Анализ, опубликованный в журнале Science, показал, что потеря звёзд соответствует росту яркости неба на 7–10% в год, а по основной оценке на 9,6%. При таком темпе фон удваивается примерно каждые 7–8 лет. Автор работы Кристофер Киба привёл наглядный пример: ребёнок, родившийся там, где видно 250 звёзд, к 18 годам увидит на том же месте около сотни.
Три мифа о засветке
«Перейдём на светодиоды, и небо потемнеет»
Светодиоды действительно экономнее. Только сэкономленные деньги часто уходят на то, чтобы освещать больше и ярче. По спутниковым данным за 2012–2016 годы, освещённая площадь Земли росла на 2,2% в год, и на столько же в год становились ярче уже освещённые территории. Есть и проблема с цветом. В белом светодиодном свете много синего, а синий, как мы помним, рассеивается в воздухе сильнее, то есть даёт больше свечения неба на каждый люмен. К тому же ночью глаз особенно чувствителен к коротким волнам. В NOIRLab отмечают ещё одну неприятность: спутники, которые следят за освещением Земли, не видят свет короче 500 нанометров, как раз пик излучения белых светодиодов. Поэтому по спутникам засветка растёт примерно на 2% в год, а глазами наблюдателей заметно быстрее.
«Засветка — это когда фонарь светит в окно»
Фонарь в окно мешает спать, но к засветке неба он почти не относится. Засветка возникает в воздухе на высоте сотен метров и километров, и её дают все источники города сразу. Поэтому одна тёмная улица ничего не меняет, а выключение подсветки по всему району видно на небе.
«Звёзд не видно, потому что смог»
Смог и пыль добавляют свою долю, ведь крупные частицы рассеивают свет. Но и в идеально чистом воздухе над городом звёзд было бы немного: молекулы газа рассеивают свет сами по себе, без всякой грязи. Главный виновник — сам свет, а не грязь в воздухе. В районе с хорошим воздухом, но ярким освещением звёзд видно ненамного больше, чем в загазованном.
Как увидеть по-настоящему тёмное небо
Механизм сразу подсказывает, что делать. Раз засветка — это светящийся воздух над городом, от неё нужно отъехать на расстояние, где этот слой уже не над головой. Пригорода обычно мало: купол большого города видно за десятки километров. Ищите место, где между вами и городом лес или холм, и смотрите в сторону от купола.
Выбирайте ясную ночь. Облака над диким местом небо затемняют, но над засвеченным районом сделают его только светлее. Выбирайте время без Луны: полная Луна сама заметно высветляет небо и гасит слабые звёзды. И не торопитесь: глазам нужно время привыкнуть к темноте, поэтому дайте им хотя бы минут двадцать и не смотрите в экран телефона.
В такую ночь становится понятно, что люди видели всю историю человечества до электричества. Например, небо над Сен-Реми, которое Ван Гог писал задолго до электрических фонарей. А заодно хорошо видно, почему звёзды у горизонта мерцают сильнее: это тоже работа воздуха, только уже не света, а турбулентности.
Коротко
Почему ночью небо оранжевое. Над городом светится воздух: молекулы, пыль и капли рассеивают свет фонарей и отправляют его обратно вниз. Цвет купола повторяет цвет ламп, а натриевые лампы светят жёлто-оранжевым.
Почему пасмурной ночью светлее. Низкие облака работают как экран: в городе они усиливают свечение неба в разы, иногда почти в 18 раз. Снег отражает свет снизу и добавляет ещё.
Куда пропали звёзды. Никуда: им не хватает контраста со светлым фоном. Около трети людей в мире уже не видят Млечный Путь.
Становится ли лучше. Пока нет: по данным добровольцев Globe at Night, яркость неба росла примерно на 10% в год, а синеватый свет светодиодов рассеивается сильнее натриевого.
Почему вообще ночью темно. Потому что у Вселенной есть возраст, а свет летит с конечной скоростью. Город только добавляет на этот фон свой свет.
Пока нет комментариев