"В Мастерской Природы", №5, май 1929 год, стр. 142-144

Истинные положения небесных светил.

Многим из наших читателей известно, что мы видим небесные светилы по большей части не на том месте, где они находятся в действительности. Такие видимые смещения представляют собою простое и естественное следствие закона преломления лучей. Предположим (рис. 1), что от каких-либо двух звезд S₁ и S₂ идут два луча S₁A₁ и S₂A₂ по направлению к 3емле, и входят в точках A₁ и A₂ в земную атмосферу. Так как они пересекают ее верхнюю границу наискось, они отклоняются от своего первоначального направления н приближаются (A₁B и A₂B) к направлению перпендикуляров в точках A₁ и A₂, так как атмосфера оболочки земли плотнее, чем мировое пространство. В точке B оба луча встречают глаз наблюдателя. Этот последний, конечно, относит звезду к тому направлению, по которому лучи попадают в его глаз; поэтому он видит одну звезду в S', на продолжении BA₁, другую — в S", на продолжении линии BA₂.

В обоих случаях, следовательно, звезда кажется выше, чем на самом деле. Лишь в тех случаях, когда лучи пересекают пограничный слой атмосферы под прямым углом, они не преломляются; поэтому звезды в зените или около зенита усматриваются наблюдателем на своем истинном месте. Астрономы прекрасно умеют использовать это обстоятельство для упрощения измерений и вычислений.

Из рисунка ясно, что видимое смещение тем большее, чем более полого падают лучи, т.-е. чем ближе к горизонту находится светило.

Рисунок этот, однако, дает лишь очень приблизительную картину того, что происходит на деле, потому что атмосфера, конечно, не однородна: плотность ее возрастает по мере приближения к земле. Поэтому лучи, идущие из мирового пространства, преломляются не один раз; в силу все возрастающей плотности воздуха, они непрерывно все более и более отклоняются от своего пути (рис. 2). Сущность явления от этого не меняется; звезда будет представляться наблюдателю в направлении SS, на продолжении BS.

Рис. 1.	Рис. 2.
Преломление световых лучей в земной атмосфере.

Рис. 3. Кажущееся и истинное положение солнца на небе.

Все это мы можем найти в любом учебнике физики или космографии. Но самая величина указанного смещения редко оценивается наглядным образом, и как раз на этом мы и хотим остановиться. На рис. 3, внизу, изображена часть горизонта, под ней, в виде черного слоя, часть видимой нам земной поверхности, над ней — небесный свод. Светлые кружки обозначают солнце, как мы его видим, для различных его положений над горизонтом. Мы выбрали именно солнце потому, что его диаметр занимает на небе почти в точности полградуса. Благодаря этому можно приблизительно оценить, как далеко будут отстоять от горизонта наши отдельные солнечные диски в различных случаях. Масштаб, данный с левой стороны рисунка, в точности указывает нам расстояния.

Под каждым светлым кружком изображен второй, более темный, который показывает, где мы увидели бы солнце, если бы на Земле не было атмосферы. Расстояние между светлым и темным кружком в каждой паре дает величину видимого смещения, обусловленного преломлением лучей.

Как оказывается, для небольших высот над горизонтом это смещение весьма чувствительно. Когда при заходе солнца нам кажется, что нижний край солнца еще только коснулся горизонта, оно на самом деле уже целиком лежит под горизонтом. День для нас поэтому оказывается длиннее, чем он был бы при отсутствии атмосферы. Правда, в наших широтах это удлинение составляет всего несколько минут; но для полярных областей оно доходит до нескольких дней (благодаря сокращению непрерывной полярной ночи).

Еще при высоте 3° над горизонтом смещение достигает половины солнечного диаметра, и даже при высоте 10° остается довольно заметным. Дальше смещение становится уже ничтожным, но для точных астрономических вычислений с ним приходится считаться и для очень больших высот. При этом астроном принимает во внимание давление и температуру воздуха, так как от них зависит плотность воздуха, а от нее, в свою очередь, преломление лучей.

Без астрономических исследований мы вряд ли когда-либо обнаружили бы описанное следствие преломления лучей. Но другое следствие сразу бросается в глаза всякому внимательному наблюдателю: мы часто видим восходящее или заходящее солнце в виде кроваво-красного диска, не дающего лучей, и в этих случаях оно представляется нам явственно-сплюснутым. Рис. 4 дает объяснение этому явлению. Слегка затемненный кружок изображает здесь истинное положение солнца, которое как раз касается нижним краем горизонта. В силу преломления лучей, мы видим его смещенным квepxy. Центр М смещается в М' и горизонтальный диаметр АВ—А'В'; длина его при этом не меняется. Иначе обстоит дело с вертикальным диаметром UO. Так как U лежит ниже, чем M, смещение для него оказывается больше; U перемещается в U', приближаясь таким образом к M'. Точка же O лежит выше, чем M, и поэтому не так сильно смещается под влиянием преломления; она оказывается в точке O'.

Рис. 4. Кажущееся сокращение солнечного диска.

В результате получается кажущееся сокращение всех вертикальных расстояний, и солнце принимает столь часто наблюдаемую эллиптическую форму. Сжатие может иногда достигать очень значительных величин. В нашем примере смещение точки U (расстояние UU') составляет 29.4 минуты дуги, OO' — лишь 25.7, так что сокращение достигает 3.7 минут; это уже примерно ¹/₉ солнечного диаметра, занимающего всего 32 минуты.