Мельников О. А.: Астрофизические исследования М. В. Ломоносова.
6. "Явление М. В. Ломоносова"

6. «Явление М. В. Ломоносова»

Редчайшее астрономическое явление — прохождение планеты Венеры по диску Солнца (или, точнее, перед диском Солнца) — представляет огромный астрономический вообще и астрофизический в частности интерес. Оно наблюдалось 7 XII 1631, 4 XII 1639, 6 VI 1761, 3 VI 1769, 9 XII 1874, 6 XII 1882, будет наблюдаться 8 VI 2004 и т. д. Ломоносов наблюдал это замечательное явление сразу после окончания петербургской «белой ночи»,¹⁰⁴ начиная с 4 час. утра (т. е. при низком положении Солнца относительно горизонта) и до 10 час. утра 26 мая по старому или 6 июня по новому стилю 1761 г. с трубой 4¹/₂ фута — рефрактором Доллонда у себя дома в усадьбе на берегу Мойки. Кроме собственных наблюдений прохождения Венеры, Ломоносов произвел большую организационную подготовку для наблюдений в труднейших экспедициях далекой Сибири. Целью этих экспедиций было определение солнечного параллакса. Район Сибири был выгоден для этих определений, в частности в плане международных исследований. Одна экспедиция, в которой наблюдал Н. И. Попов, работала в Иркутске, вторая, во главе с С. Я. Румовским, в Селенгинске и третья, французская во главе с Шапп д’Отерошем, в Тобольске. Помимо своих наблюдений, Ломоносов организовал наблюдения также в Петербурге, в академической Обсерватории. Здесь наблюдения вели А. Д. Красильников и Н. Г. Курганов. В частности, во время непосредственного прохождения Венеры перед диском Солнца они наблюдали с телескопом, имеющим фокусное расстояние 1.8 м, с сеткой нитей в окуляре¹⁰⁵и с параллактическим штативом.

Ломоносов со свойственной ему энергией смог преодолеть все препятствия, которые чинились в вышестоящих инстанциях. Погода благоприятствовала наблюдению прохождения Венеры во всех русских экспедициях, в том числе и в Петербурге. Все наблюдатели определяли главным образом время контактов лимбов Венеры и Солнца. Это имело целью астрометрическую задачу — определение параллакса Солнца. Для этого всего в мире было организовано около 40 экспедиций, имеющих около 112 участников. Ломоносов также определял моменты контактов. Все наблюдения русских ученых были использованы в дальнейшем, а работа экспедиций была широко освещена в печати, и мы на них здесь не останавливаемся. Сам Ломоносов писал в своей работе, опубликованной впервые еще в 1761 г. (между 26 мая и 4 июля) на русском языке и вскоре на немецком (август 1761 г.), так: «Кроме сих строгих астрономических наблюдений, господин коллежский советник и профессор Ломоносов любопытствовал у себя больше для физических примечаний, употребив зрительную трубу о двух стеклах длиною 4¹/₂ фута. К ней присовокуплено было весьма не густо копченое стекло (курсив мой, — О. М.».¹⁰⁶

Наблюдая Венеру, Ломоносов заметил, что при частичном вступлении ее на диск Солнца (после 1-го контакта) вокруг ее части, еще не вошедшей на диск, на одну секунду или долю ее вспыхнул светлый, яркий, даже огненный ободок, окружающий диск планеты в виде каемки со стороны темного фона неба (рис. 5). Это и было «тонкое, как волос, сияние». Напомним, что ввиду кратковременности этого сияния, получившего название «явление Ломоносова», наблюдателю показалось от неожиданности (как и всем наблюдавшим в 1874 и 1882 гг.), что светлое сияние даже пересекло темный диск планеты и как бы являлось продолжением солнечного края (лимба) по диску планеты. Результаты наблюдения опубликованы на русском и немецком языках под заглавием «Явление Венеры на Солнце, наблюденное в Санктпетербургской императорской Академии наук, мая 26 дня 1761 года».

Кроме этого явления, Ломоносов наблюдал еще и другое. Когда Венера перешла по диску Солнца к противоположному его краю на расстояние ¹/₁₀ ее радиуса от края, то в этот момент на лимбе Солнца, находящемся перед темным диском Венеры, образовался выступ, или бугорок («пупырь»). В дальнейшем по мере перемещения Венеры ближе к краю Солнца этот выступ увеличивался. Казалось, что лимб планеты как бы приподнимает лимб Солнца. Наконец этот выступ исчез вместе с небольшим сегментом диска планеты. Кроме того, было обращено внимание на то, что как при первом, так и при последующем, четвертом контакте края диска Венеры с краем диска Солнца край последнего становился неясным, размывался и оба диска как бы «слипались». Особенно важно, что Ломоносов не только наблюдал это явление ободка, как и другие в России (он это отмечал в работе) и за рубежом, но также и объяснил причину этого явления рефракцией в плотной атмосфере Венеры, а не рассеянием света, как думали и еще думают некоторые наблюдатели даже сейчас (рис. 6, 7). Полная ясность была внесена, в частности, и по приоритету открытия исследованиями В. В. Шаронова и некоторыми другими.

Вывод из наблюдений был таким: «По сим примечаниям господин советник Ломоносов рассуждает, что планета Венера окружена знатною воздушною атмосферою, таковою (лишь бы не большею), какова обливается около нашего шара земного».¹⁰⁷ «приподнятия» края Солнца краем планеты он пишет: «Сие не что иное показывает, как преломление лучей солнечных в Венериной атмосфере»¹⁰⁸ (рис. 6).

Рис. 5. «Явление Ломоносова» (схема).

Здесь следует напомнить, что во время прохождения Венеры по диску Солнца многие другие наблюдатели отмечали эффект, названный явлением «черной капли». После 2-го и непосредственно перед 3-м контактом между краями планеты и Солнца наблюдалась черная перемычка. Это происходит тогда, когда тонкое воооражаемое кольцо между фактически наблюдаемым внешним кругом планеты и истинным внешним лимбом (первый меньше из-за иррадиации и пр.) частично выходит за край видимого лимба Солнца (истинный его лимб лежит ближе к планете из-за того же явления). По Юнгу, это явление можно «воспроизвести»: 1) закрыть левой ладонью с вытянутыми пальцами на расстоянии 5—10 см от глаза яркий свет, 2) под углом 90° подвести большой палец правой руки к пальцам левой до контакта, 3) медленно отвести большой палец правой руки вправо, 4) при этом будет наблюдаться явление «черной капли».

Ломоносов не наблюдал или же не описал этого явления. Оно связано, как частично уже упомянуто выше, главным образом не с атмосферой Венеры, а с различными оптическими явлениями, как то: иррадиация, дифракция, дефекты оптики (которые при прохождениях 1874 и 1882 гг. были значительно снижены благодаря развитию ахроматов), волнение атмосферы Земли и пр. Необходимо также иметь в виду, что, по-видимому, именно из-за иррадиации Венера кажется на диске Солнца по диаметру меньше, а Солнце, наоборот, больше. Поэтому действительные диаметры Венеры и Солнца на рисунках показываются, например, пунктиром.

«явление Ломоносова», которое наблюдалось и на части диска планеты, уже сошедшей с диска Солнца, несмотря на свою важность для астрофизики, служили, однако, неприятной помехой в астрометрии при определении параллакса Солнца по прохождениям. Во время прохождения Венеры по диску Солнца 1769 г. Риттенгауз также видел фактически «явление Ломоносова».

Рис. 6. Комплекс явлений, наблюдавшихся Ломоносовым при прохождении планеты Венера перед диском Солнца, и объяснение причины части явления преломлением солнечных лучей в атмосфере планеты (fig. 7 на оригинальном рисунке из отчета о наблюдениях).

— гелиографы, что значительно облегчило проведение измерений и исследований. Через 29 лет после открытия Ломоносовым атмосферы на Венере, в 1790 г., Иоганн Иероним Шретер в своей частной обсерватории в Лилиентале (Германия) открыл явление «удлинения рогов» видимого серпа диска планеты. Это явление, иногда распространяющееся за полуокружность планеты, тоже говорило о существовании атмосферы на планете Венера и было подтверждено позднее. При этом даже, например в 1866 г., а затем снова в 1874 г., Ч. -С. Лайману удалось пронаблюдать дважды при очень узком серпе явление полного смыкания рогов в кольцо (сумеречное кольцо, рис. 7), которое, как выяснилось, может наблюдаться с Земли на уровне моря только при элонгациях не более 2°. При этом наблюдения в этих условиях в 1914 г., по-видимому, не производились.

В горной обсерватории (Столовая гора) в Африке то же явление сумеречного кольца наблюдалось в 1940 г. даже при элонгации не менее 3° и фотографически в 5 спектральных участках.¹⁰⁹ Но при этом богатых красок нашей земной зари совсем не наблюдалось, явление было «белым» во всех лучах. По В. Г. Фесенкову и Б. Лио, это явление объясняется рассеянием света, а не рефракцией, как думали и еще думают многие.

«удлинения рогов» (рис. 8) наблюдалось в Харьковской университетской обсерватории Н. П. Барабашевым со скромным телескопом еще в 1932 г. Было подтверждено заключение Фесенкова и Лио.

Рис. 7. Явление «черной капли», наблюдавшееся при прохождении планеты Венера перед диском Солнца (пунктиром показаны истинные края дисков двух светил).

К явлению «удлинения рогов» следует добавить также и результаты наблюдения переменных по форме и яркости пятен и полос (перпендикулярных терминатору на диске Венеры, особенно в ультрафиолетовых лучах и близко к «рогам». Это тоже говорит о наличии атмосферы у планеты. Таким образом, мы видим, что все наблюдения в послеломоносовский период вплоть до сего времени подтвердили открытие Ломоносовым атмосферы на планете Венера. Отметим также, что, учитывая важность явления прохождения Венеры по диску Солнца, Россия заказала за рубежом ряд доллондовых труб для прохождений 1761 и 1769 гг., а также и другое оборудование. В 1884 г. эти телескопы и другое оборудование академической Обсерватории были переданы в музей Пулковской обсерватории и, к сожалению, погибли во время Великой Отечественной войны 1941—1945 гг.

Использовав наблюдения прохождения Венеры перед диском Солнца с точки зрения диоптрики, при мгновенном образовании ободка («явление Ломоносова»), Шаронов смог определить величину горизонтальной рефракции в верхних слоях атмосферы Венеры. Она оказалась порядка 20 сек. дуги (в самом нижнем из прозрачных слоев атмосферы планеты), что гораздо меньше значения для Земли в 35′= 2100″. Однако, по-видимому, в самых верхних слоях Земли горизонтальная рефракция значительно меньше (порядка одной минуты). Результат по величине горизонтальной рефракции для атмосферы Венеры не согласуется с результатом количественного значения «удлинения рогов». Шаронов относит это за счет особого «трехслойного» строения атмосферы Венеры, столь оптически плотной в одном слое, что прямые лучи Солнца, идущие вдоль касательной к телу шара Венеры, полностью поглощаются. В то же время рассеянный свет в атмосфере достаточно хорошо виден и образует явление «удлинения рогов». Если горизонтальная рефракция, ее угол в атмосфере 22″, то в двух предельных случаях образование светлого ободка («явление Ломоносова») будет идти по-разному!¹¹⁰ I. Если она < 22″, то ободок, по Шаронову, образуется сначала в точке лимба Венеры со стороны центра солнечного диска (где он не может, однако, наблюдаться на ярком фоне), а после того как центр диска планеты пересечет лимб Солнца, вокруг ее диска появятся охватывающие «усики», которые затем сомкнутся, и на стороне планеты, проектирующейся на фон неба появится светлый ободок Ломоносова. Схема II. Если угол рефракции > 22″, то явление будет обратным. Ободок образуется на стороне планеты, противоположной центру солнечного диска, в виде «яркой каймы», которая, расширяясь в обе стороны, охватит ободком полудиск планеты и тоже даст светлый ободок Ломоносова. Наблюдатели прохождений 1769, 1874, 1882 гг. подтвердили схему I или же близкую к ней, когда ободок возникает сначала в виде рожек, которые затем огибают весь диск планеты, что ведет к почти

Рис. 8. Фазы планеты Венера на разных расстояниях от Солнца, как они представляются при наблюдении в телескоп.

достаточно ярким виден только серп Венеры с «рогами», которые при некоторых элогациях планеты «удлиняются», а в очень редких случаях даже образуют полное, так называемое «сумеречное кольцо», охватывающее весь диск планеты. Вверху слева — № 1, справа — № 2; внизу слева — № 3, справа — № 4. внезапному или же постепенному (но быстрому) появлению ободка. Однако есть большое отличие от одного прохождения к другому, иногда, в виде аномалии, даже в сторону более высокого значения горизонтальной рефракции, чем 22″. Иногда даже ободок вспыхивает по схеме II, а не I. Шаронов приписывает это колебаниям облачного слоя, состоянию газа атмосферы и колебаниям ее высоты.¹¹¹

«закопченое стекло», которое в комбинации с глазом, телескопом и атмосферой Земли существенно изменяет эффективную длину волны для данных условий. От эффективной же длины волны зависит и сила рефракции. Например, в случае плоскопараллельной атмосферы рефракция будет приближенно равна: где K″_λ — постоянная рефракция, i — угол падения лучей на твердую поверхность планеты, а n_λ — показатель преломления в слое атмосферы у твердой поверхности планеты. Приближенно, например, для земной атмосферы и при малом k_λ: (n_λ—1)≈k_λρ/ρ₀, где ρ — плотность воздуха, а ρ₀ — плотность при температуре 273° и давлении 760 мм рт. ст. Для белого света k_λn_λ—1)·10⁸ исходя из (n_λ)s ¹¹² , а стандартный воздух определяется как сухой при t = +15°С, P₀= 760 мм рт. ст. и содержании CO₂

Из табл. 5 мы видим, что даже для земной атмосферы (воздуха) в визуальном участке спектра хроматическая постоянная рефракции изменяется в пределах 1″. 7, 1″. 5 и 1″. 3 при t = —30, 0 и +30°C соответственно. В пересчете на хроматическую рефракцию, например при i = 60°, это дает

ΔR″_λ1λ2= 2″. 9, 2″. 6 и 2″. 2.

Таблица 5 

При расчете же горизонтальной рефракции ω_λ, т. е. при i=90°, что представляет интерес в случае Венеры, мы получим тоже существенные изменения. Кроме того, постоянная рефракция изменяется существенно и с температурой. Например, при λ=0.6 мкм мы имеем изменение ΔK_λ (t₁, t₂) на 13″. 4 при изменении t от —30 до +30°C или же соответственно изменение ΔR_λ″ (t₁, t₂″. 2 при i = 60°. Следовательно, в этом случае изменения даже гораздо заметнее. Неопределенность с λ_эфф и t не дает возможности подсчитать интересующие нас постоянные.

Неоднократно отмечалось, что открытие атмосферы на Венере для науки и для самого Ломоносова было исключительно важным, ибо подтверждало его широкие взгляды на вопрос о множественности обитаемости миров, о жизни во Вселенной: «Читая здесь о великой атмосфере около помянутой планеты, скажет кто: подумать-де можно, что в ней потому и пары восходят, сгущаются облака, падают дожди, протекают ручьи, собираются в реки, реки втекают в моря, произрастают везде разные прозябения, ими питаются животные».¹¹³

В связи со сказанным выше о рефракции упомянем, что в докладе «Рассуждение о большей точности морского пути», прочитанном на собрании Академии наук 8 мая 1759 г., Ломоносов говорит: «Преломление лучей, от светил и от горизонта простирающихся, как упомянуто (§ 1) выше, несколько исправить должна теория преломлений, по наблюдениям сочиняемая, которой основанием следующее почитаю: ежели количество преломления соответствует количеству материи (действительно, (n—1)~ρ, как указано выше, — О. М.».¹¹⁴

Это и есть, правда качественная, но фактически научно обоснованная¹¹⁵ формула средней (т. е. для средних метеоданных) астрономической рефракции. В современном виде R̄_λ″=K̄_λ″· tg iK_λ″=K̄_λ″·

Примечания

¹⁰⁴ Явление началось на 40 мин. позднее предсказанного момента, т. е. эфемеридного.

¹⁰⁵ Сетка окулярная (нитяной микрометр) тогда называлась «ретикул» от лат. reticulum — «сеточка».

¹⁰⁶

¹⁰⁷ Там же, с. 368.

¹⁰⁸ Там же.

¹⁰⁹ Шаронов В. В. Природа планет. М., 1958, с. 467.

¹¹⁰ «Вероятное строение атмосферы Венеры» (Астр. цирк., 1952, т. 125).

¹¹¹ См. выше, примеч. 1, 110.

¹¹² R. Tables of the refractive index for standard air and the rayleigh scattering coefficient for the spectral region between 0.2 and 20.0 μ and their application to atmospheric optics. — Journ. Optical Soc. Amer., New York, 1957, vol. 47, № 2, p. 176.

¹¹³ ПСС, т. 4, с. 371.

¹¹⁴

¹¹⁵ Там же, с. 149, № 29—30.