Свечение планет и лун: отражённый солнечный свет

Введение

Освещение, вызванное отраженным солнечным светом от планеты

Планетный свет – это слабое освещение, обусловленное отражением солнечного света от планеты, всей или части темной стороны любой луны, обращающейся вокруг этого тела. Планетное сияние – это диффузное отражение солнечного света от планеты, альбедо которой можно измерить. Наиболее наблюдаемым и известным примером планетного света является земное сияние Луны, которое лучше всего видно с ночной стороны Земли, когда лунная фаза – серп или близка к новолунию, без яркости дневного неба. Как правило, это приводит к тому, что темная сторона Луны освещена слабым светом. Планетный свет также наблюдался в других частях Солнечной системы. В частности, космический аппарат "Кассини" использовал сияние Сатурна для получения изображений частей лун планеты, даже когда они не отражают прямой солнечный свет. Космический аппарат "Новые горизонты" аналогичным образом использовал сияние Харона для обнаружения изменений альбедо на темной стороне Плутона. Несмотря на использование геоцентрической модели в 510 году н.э., индийский математик и астроном Арьябхата первым правильно объяснил, что планеты и луны не имеют собственного света, а сияют благодаря отражению солнечного света в своем труде "Арьябхатия".

Земляной свет

Земляной свет – это видимый свет Земли, отражающийся от ночной стороны Луны. Он также известен как пепельный свет Луны или как «новая Луна со старой Луной в объятиях». Земляное сияние наиболее легко наблюдать за несколько ночей до и после новолуния, во время фазы растущего или убывающего серпа. Когда с Земли наблюдается новолуние, Земля выглядит почти полностью освещенной Солнцем с Луны. Солнечный свет отражается от Земли на ночную сторону Луны. Ночная сторона кажется слабо светящейся, а весь диск Луны слабо освещен. Леонардо да Винчи объяснил это явление в начале XVI века, поняв, что и Земля, и Луна одновременно отражают солнечный свет. Свет отражается от Земли к Луне и обратно на Землю в виде земляного света. Земляное сияние используется для определения текущего альбедо Земли. Полученные данные применяются для анализа глобального облачного покрова – климатического фактора. Океаны отражают наименьшее количество света, примерно 10%. Суша отражает 10–25% солнечного света, а облака – около 50%. Таким образом, яркость земляного света на Луне в любой момент времени определяется частью Земли, где в данный момент день и откуда видна Луна. Исследования земляного света позволяют отслеживать изменения облачности Земли во времени. Предварительные результаты показывают снижение облачности на 6,5% в период с 1985 по 1997 год и соответствующее увеличение в период с 1997 по 2003 год. Это имеет значение для климатических исследований, особенно в контексте глобального потепления. Все облака способствуют увеличению альбедо, однако некоторые облака оказывают чистый согревающий эффект, поскольку они удерживают больше тепла, чем отражают, в то время как другие оказывают чистый охлаждающий эффект, поскольку их повышенное альбедо отражает больше излучения, чем они удерживают тепла. Таким образом, хотя альбедо Земли заметно увеличивается, неопределенность в отношении количества удерживаемого тепла означает, что общее влияние на глобальную температуру остается неясным.

Отражение в обратном направлении

Особенности рельефа на Земле, Луне и некоторых других небесных телах в определенной степени обладают ретрорефлективными свойствами. Свет, попадая на них, рассеивается обратно или диффузно отражается преимущественно в направлении, откуда он пришел, а не в других направлениях. Если свет исходит от Солнца, он отражается преимущественно обратно к Солнцу и в близлежащие направления. Например, когда Луна находится в фазе полнолуния, она отражает свет преимущественно в сторону Солнца, а также Земли, которая находится почти в том же направлении. Поэтому, наблюдаемая с Земли, полная Луна кажется ярче, чем если бы она рассеивала свет равномерно во всех направлениях. Аналогично, вблизи новолуния солнечный свет, который был отражен обратно от Земли к Солнцу и Луне, находящейся почти в том же направлении, а затем снова отражен от Луны к Земле, кажется намного ярче, чем если бы не было эффекта ретрорефлексии. Ретрорефлексия возникает благодаря сферам из прозрачного материала на отражающей поверхности. Когда свет попадает в прозрачную сферу, он преимущественно отражается и преломляется внутри нее по траектории, которая выводит его в направлении, откуда он вошел. На Земле эти сферы – капли воды в облаках. На Луне на поверхности обнаружено большое количество твердых стеклянных сфер. Считается, что они образовались из капель расплавленного вещества, выброшенного при ударах, которые охлаждались и затвердевали, прежде чем упасть обратно на поверхность.

Звуковое сияние

Кольцевой блеск — это отражение солнечного света от кольцевой системы планеты на саму планету или на её спутники. Это явление наблюдалось на многих фотографиях, сделанных орбитальным аппаратом «Кассини».

Поиск планет земного типа

Ученые из программы Navigator НАСА, специализирующейся на обнаружении планет земного типа, поддержали запуск миссии Terrestrial Planet Finder (TPF). TPF будет обнаруживать свет, отражаемый планетами, обращающимися вокруг звезд, чтобы исследовать возможность существования на них жизни. Для поиска признаков жизни в отраженном от планет свете, включая воду, кислород и метан, будут использованы передовые телескопические технологии. Европейское космическое агентство рассматривает аналогичную миссию под названием Darwin, которая также будет изучать свет от планет для обнаружения признаков жизни. В отличие от многих традиционных астрономических задач, наиболее сложной задачей для этих миссий является не сбор достаточного количества фотонов от тусклой планеты, а обнаружение тусклой планеты, находящейся очень близко к яркой звезде. Для планеты земного типа контрастное соотношение планеты к ее звезде-хозяину составляет примерно ~10−6 – 10−7 в тепловом инфракрасном диапазоне или ~10−9 – 10−10 в оптическом/ближнем инфракрасном диапазоне. По этой причине Darwin и Terrestrial Planet Finder I будут работать в тепловом инфракрасном диапазоне. Однако поиск планет земного типа в оптическом/ближнем инфракрасном диапазоне имеет преимущество: дифракционный предел соответствует меньшему углу для телескопа заданного размера. Поэтому НАСА также разрабатывает миссию Terrestrial Planet Finder C, которая будет осуществлять поиск и изучение планет земного типа с использованием оптических (и ближнего инфракрасного) длин волн. В то время как Terrestrial Planet Finder C нацелена на изучение света экзопланет, Darwin и Terrestrial Planet Finder I будут искать термальный инфракрасный свет, переизлучаемый (а не рассеянный) планетой. В рамках подготовки к этим миссиям астрономы провели детальные наблюдения за земным светом, поскольку он обладает спектроскопическими характеристиками света, отраженного Землей. Особое внимание уделялось возможности обнаружения красного края – спектральной особенности, обусловленной наличием растений. Обнаружение подобной спектральной особенности в свете экзопланеты было бы особенно интересно, так как это может указывать на существование организма, использующего свет для жизнедеятельности. Хотя красный край, вероятно, является самым простым способом прямого обнаружения жизни на Земле посредством наблюдений за земным светом, интерпретация аналогичной особенности, связанной с жизнью на другой планете, может быть чрезвычайно сложной, поскольку длина волны спектральной особенности заранее неизвестна (в отличие от большинства атомных или молекулярных спектральных особенностей).

Scientists at NASA's Navigator Program, which specializes in the detection of terrestrial planets, have backed the launch of a Terrestrial Planet Finder (TPF) mission. TPF would detect light reflected by planets orbiting stars to investigate whether they could harbor life. It would use advanced telescope technologies to look for life marks in the light reflected from the planets, including water, oxygen and methane. The European Space Agency has a similar mission, named Darwin, under consideration. This will also study the light from planets to detect the signatures of life. Unlike many traditional astronomical challenges, the most serious challenge for these missions is not gathering enough photons from the faint planet, but rather detecting a faint planet that is extremely close to a very bright star. For a terrestrial planet, the contrast ratio of planet to its host stars is approximately ~10−6 10−7 in the thermal infrared or ~10−9 10−10 in the optical/near infrared. For this reason, Darwin and Terrestrial Planet Finder I will work in the thermal infrared. However, searching for terrestrial planets in the optical/near infrared has the advantage that the diffraction limit corresponds to a smaller angle for a given size telescope. Therefore, NASA is also pursuing a Terrestrial Planet Finder C mission that will search for and study terrestrial planets using the optical (and near infrared) wavelengths. While Terrestrial Planet Finder C aims to study the light of extrasolar planets, Darwin and Terrestrial Planet Finder I will search for thermal infrared light that is reradiated (rather than scattered) by the planet. In preparation for these missions, astronomers have performed detailed earthshine observations, since earthshine has the spectroscopic characteristics of light reflected by the Earth. Astronomers have paid particular attention to whether earthshine measurement can detect the red edge, a spectral feature that is due to plants. The detection of a similar spectral feature in light from an extrasolar planet would be particularly interesting, since it might be due to a light harvesting organism. While the red edge is almost certainly the easiest way to directly detect life on Earth via earthshine observations, it could be extremely difficult to interpret a similar feature due to life on another planet, since the wavelength of the spectral feature is not known in advance (unlike most atomic or molecular spectral features).