Astronet > Nablyudenie solnechnyh pyaten s klassicheskoi kameroi-obskuroi

po tekstam po klyuchevym slovam v glossarii po saitam perevod po katalogu

Nablyudenie solnechnyh pyaten s klassicheskoi kameroi-obskuroi
15.02.2002 11:08 | V. G. Surdin/GAISh, Moskva

Nablyudenie solnechnyh pyaten s klassicheskoi kameroi-obskuroi

Surdin V.G.

V istorii optiki i astronomii tradicionno schitaetsya ochevidnym, chto do izobreteniya gollandskimi masterami v 1608 g. zritel'noi truby, usovershenstvovannoi Galileem v 1609 g., voobshe ne sushestvovalo priborov, sposobnyh usilivat' uglovuyu razreshayushuyu sposobnost' chelovecheskogo glaza, ravnuyu, kak izvestno, 1-2 minutam dugi. Deistvitel'no, tol'ko s poyavleniem linzovogo teleskopa Galileya v astronomii nachalas' chereda velikih otkrytii: zvezdy Mlechnogo Puti, lunnye gory, solnechnye pyatna, fazy Venery, sputniki Yupitera... Eto zakonomerno, poskol'ku tol'ko linzovaya ili zerkal'no-linzovaya optika pozvolyaet uvelichit' uglovoi razmer slabyh astronomicheskih ob'ektov, ostavlyaya protyazhennye ob'ekty po yarkosti dostupnymi glazu ili dazhe demonstriruya ranee nedostupnye "tochechnye" ob'ekty [1].

Odnako iz etogo v celom spravedlivogo utverzhdeniya est' odno isklyuchenie: rech' idet o nablyudenii Solnca, imeyushego kolossal'nuyu poverhnostnuyu yarkost' i potomu dostupnogo, kak budet pokazano nizhe, ves'ma detal'nomu issledovaniyu pri pomoshi klassicheskoi ("dyrochnoi") kamery-obskury. V chastnosti, eto nehitroe, hotya i gromozdkoe prisposoblenie pozvolyaet nablyudat' solnechnye pyatna. Dlya istorikov nauki etot fakt dolzhen vyglyadet' paradoksal'nym: tehnologiya izgotovleniya kamery-obskury byla izvestna s drevneishih vremen, pochemu zhe nablyudeniya solnechnyh pyaten nachalis' tol'ko v epohu Galileya? Etot paradoks usilivaetsya eshe i tem, chto gigantskie kamery-obskury, kak my obnaruzhili, neprednamerenno sooruzhalis' uzhe v srednie veka v vide goticheskih soborov, i v nih prakticheski ezhednevno mozhno bylo nablyudat' poverhnost' Solnca eshe v XII-XV vv.! Eto bez truda udaetsya delat' i po sei den'. Vopros, kotoryi poka ostaetsya bez otveta, vospol'zovalis' etoi vozmozhnost'yu uchenye srednevekov'ya ili net?

Chto takoe kamera-obskura?

K sozhaleniyu, v russkom yazyke pod terminom "kamera-obskura" ob'edinilis' dva raznyh pribora: 1) klassicheskaya "temnaya korobka s malen'kim otverstiem", igrayushim rol' primitivnogo ob'ektiva, i 2) proekcionnaya linzovaya kamera, prototip fotokamery. Takoe smeshenie poroi stanovitsya prichinoi kazusnyh situacii v russkoyazychnoi literature, kotoryh inogda udaetsya izbegat' v angliiskom yazyke, poskol'ku dlya klassicheskoi bezlinzovoi kamery v nem primenyaetsya termin "pinhole camera", a ee analog s linzovym ob'ektivom obychno nazyvayut "camera obscura". Istorikam nauki zhelatel'no imet' eto v vidu.

Kak izvestno, klassicheskaya kamera-obskura ne nahodila shirokogo primeneniya iz-za togo, chto v nei ne udaetsya sovmestit' vysokuyu rezkost' izobrazheniya s ego dostatochnoi osveshennost'yu. Eto stalo vozmozhnym lish' s poyavleniem kachestvennyh linz. K seredine XVI v. kameru-obskuru osnastili linzovym ob'ektivom i zerkalom [2, s. 60; 3], v rezul'tate chego izobrazhenie v nei stalo yarkim i pryamym i ona priobrela bol'shuyu populyarnost'. S togo vremeni klassicheskaya kamera-obskura s dyrochnym ob'ektivom stala chisto didakticheskim priborom i sluzhila dlya illyustracii proektivnyh metodov, prichem v bol'shinstve sluchaev kak umozritel'nyi, teoreticheskii pribor, a ne real'noe izdelie.

Tol'ko s uchetom ukazannogo vyshe terminologicheskogo obstoyatel'stva stanovyatsya ponyatnymi nekotorye utverzhdeniya, kasayushiesya istorii optiki, naprimer, chto "dlya pervyh opytov po fotografii v 1820-h i 1830-h gg. ispol'zovali kamery-obskury" [4]. Deistvitel'no, popytka otozhdestvit' nazvannyi pribor s klassicheskoi kameroi-obskuroi vyzyvaet lish' nedoumenie: pri izvestnyh kachestve izobrazheniya i chuvstvitel'nosti fotoplastinok teh let raschet neobhodimoi ekspozicii daet fantasticheskie znacheniya. Sovershenno ochevidno, chto v pervyh opytah po fotografii ispol'zovali linzovye kamery.

V svyazi s astronomicheskim primeneniem kamery-obskury izvestny dva redko upominaemyh fakta. Vo-pervyh, Kepler opublikoval v 1609 g. soobshenie o nablyudenii 18 maya 1607 g. na izobrazhenii solnechnogo diska v kamere-obskure malen'kogo temnogo pyatna, prinyatogo im po oshibke za Merkurii [5, s. 271]. Vo-vtoryh, vostochno-frislandskii astronom 'ohannes Fabricius (1587-1616), otkryvshii v 1611 g. nezavisimo ot Galileya pyatna na Solnce, primenyal dlya svoih nablyudenii "teleskop i kameru-obskuru" [6]. Sovershenno ochevidno (nasha uverennost' osnovana na opisannyh nizhe eksperimentah i raschetah), chto v oboih sluchayah byli ispol'zovany linzovye kamery, kotorye po analogii s astrografom sledovalo by nazyvat' astroskopom.

Ne budem obsuzhdat' zdes' imeyushiesya v istoricheskih hronikah soobsheniya o sluchainyh nablyudeniyah temnyh pyaten na Solnce nevooruzhennym glazom skvoz' oblaka, dym ili bol'shuyu tolshu atmosfery bliz gorizonta. Eti redchaishie nablyudeniya, veroyatno, imevshie mesto v deistvitel'nosti, byli neubeditel'nymi, poskol'ku ne mogli nosit' sistematicheskogo haraktera i, sledovatel'no, sluzhit' nauchnym materialom. Obychno oni interpretirovalis' ih avtorami kak rezul'tat prohozhdeniya Venery ili Merkuriya po disku Solnca, hotya v deistvitel'nosti ne sovpadali s etimi sobytiyami i, veroyatno, byli svyazany s poyavleniem gigantskih solnechnyh pyaten ([7, s. 49-59], cit. po [8]). Seichas nikto ne stanet osparivat' tot fakt, chto deistvitel'noe, nauchnoe otkrytie solnechnyh pyaten sostoyalos' lish' v nachale XVII v.

Moi interes k etoi probleme voznik v nachale 1998 g. Redaktiruya stat'i po istorii astronomii i obnaruzhiv v nih ukazannuyu vyshe putanicu, svyazannuyu s evolyuciei kamery-obskury, ya zadalsya voprosom: a sushestvovala li vozmozhnost' stroit' astronomicheskie instrumenty, usilivayushie razreshayushuyu sposobnost' glaza i, v chastnosti, pozvolyayushie regulyarno nablyudat' solnechnye pyatna do poyavleniya kachestvennoi linzovoi optiki, t. e. do serediny XVI stoletiya?

Dlya nablyudeniya ryadovyh solnechnyh pyaten ot opticheskogo instrumenta, voobshe govorya, ne trebuetsya bol'shogo uvelicheniya. Te gigantskie gruppy solnechnyh pyaten, kotorye v XX v. neskol'ko raz udavalos' zametit' nevooruzhennym glazom skvoz' plotnyi svetofil'tr, imeli uglovoi razmer 3-4', a ryadovoe solnechnoe pyatno imeet uglovoi razmer okolo 0.3'. Poetomu, skazhem, 20-kratnogo uvelicheniya dolzhno byt' dostatochno dlya uverennogo nablyudeniya pyaten. Sposobna li na eto kamera-obskura?

Eksperimenty s optimal'noi kameroi-obskuroi

Dlya vyyasneniya vozmozhnostei klassicheskoi kamery-obskury ya rasschital ee optimal'nye harakteristiki. S odnoi storony, difrakciya sveta na vhodnom otverstii diametra D ogranichivaet razreshayushuyu sposobnost' kamery soglasno kriteriyu Releya uglom :

gde $\lambda$ - dlina svetovoi volny [9, c 144]. S drugoi storony, v priblizhenii geometricheskoi optiki razreshayushaya sposobnost' kamery ogranichena diametrom ee vhodnogo otverstiya. Esli rasstoyanie ot dyrochnogo ob'ektiva do proekcionnogo ekrana ravno F, to predel'nyi ugol razresheniya kamery sostavit

gde konstanta 0 < k < 1 dolzhna byt' opredelena eksperimental'no. Ee tochnoe znachenie zavisit ot kontrasta detalei ishodnogo ob'ekta, ot yarkosti ego izobrazheniya i dazhe ot geometrii harakternyh detalei etogo izobrazheniya [10]. Eksperimentiruya s laboratornoi kameroi-obskuroi, my vyyasnili [11, s. 12], chto dlya vysokokontrastnyh ob'ektov, podobnyh solnechnym pyatnam, mozhno prinyat' k $\approx$ 1/4. Schitaya, chto oba ukazannyh effekta geometricheskii razmer puchka i difrakciya deistvuyut nezavisimo, mozhno prinyat' polnyi predel'nyi ugol razresheniya kamery ravnym $\alpha$ = $\alpha$ ₁+ $\alpha$ ₂.

My poverili zavisimost' v laboratornyh usloviyah, izgotoviv na osnove zerkal'noi fotokamery kameru-obskuru so smennymi ob'ektivami-otverstiyami razlichnogo diametra [11, s. 12]. Fotografirovanie kontrastnoi miry dokazalo spravedlivost' poluchennoi vyshe formuly dlya i pozvolilo naiti koefficient k.

Ris. 1. Predel'nyi ugol razresheniya ( $\alpha$ ) kamery-obskury v zavisimosti ot diametra ee otverstiya (D) dlya F = 10 metrov i $\lambda$ =5500 angstremov. Punktirnymi liniyami pokazany znacheniya $\alpha$ ₁ i $\alpha$ ₂.

Na risunke 1 pokazano dlya primera, kak izmenyayutsya znacheniya v zavisimosti ot diametra vhodnogo otverstiya dlya vizual'noi kamery dlinoi F = 20 m. Kak vidim, sushestvuet optimal'nyi diametr otverstiya D_opt :

pri kotorom dostigaetsya nailuchshaya razreshayushaya sposobnost' kamery dannogo razmera F ; ee harakterizuet minimal'noe znachenie ugla razresheniya $\alpha$ _min:

Prinyav dlya vizual'nyh nablyudenii $\lambda$ =5500 $\AA$ , poluchim udobnye formuly dlya ocenki vozmozhnostei optimal'noi kamery-obskury:

i .

Kak vidim, pri optimal'nom vybore diametra vhodnogo otverstiya kamera-obskura dlinoi 20-30 m dolzhna pokazat' horosho razvitye solnechnye pyatna diametrom okolo 30'', a s kameroi dlinoi poryadka 100 m mozhno sistematicheski nablyudat' dazhe ves'ma melkie pyatna. Vprochem, dazhe teoreticheskie vozmozhnosti klassicheskoi kamery-obskury ogranicheny chuvstvitel'nost'yu nashego zreniya: poskol'ku yarkost' izobrazheniya umen'shaetsya proporcional'no

(D_opt)² / F² ~ 1/F,

to razmer kamery, a znachit, i ee razreshayushaya sposobnost' imeyut svoi predel. Ego teoreticheskoe znachenie netrudno naiti. Kak izvestno [12], v yasnyi den' osveshennost' ot pryamyh luchei Solnca sostavlyaet 105 lyuksov. Pri uglovom diametre Solnca 32' osveshennost' (I) izobrazheniya v kamere sostavit

Adaptirovannyi k polnoi temnote glaz cheloveka sposoben razlichat' kontrastnye izobrazheniya pri osveshennosti, sozdavaemoi polnoi Lunoi (0,25 lk). Sledovatel'no, razmer ideal'noi klassicheskoi kamery-obskury ogranichen dlinoi F_max $\approx$ 10 km pri diametre vhodnogo otverstiya D_opt16 sm, diametre izobrazheniya Solnca okolo 100 m i kachestve izobrazheniya ???. Hotya sozdanie takoi kamery na Zemle vyglyadit utopiei, samo po sebe lyubopytno, chto kachestvo ee izobrazheniya okazyvaetsya soglasovannym s velichinoi dnevnogo atmosfernogo razmytiya izobrazhenii na bol'shinstve observatorii. Vprochem, ne isklyucheno, chto eksperiment takogo masshtaba kogda-nibud' budet postavlen, naprimer, s ispol'zovaniem opticheskih trub lazernyh interferometrov gravitacionno-volnovyh antenn (dlina kotoryh, naprimer u antenny LIGO, dostigaet 4 km).

Ris. 2. Shema kamery-obskury vnutri
vertikal'nogo solnechnogo teleskopa GAISh.

Dlya proverki sdelannyh vyshe vykladok ya postavil znachitel'no menee masshtabnyi eksperiment v Gosudarstvennom astronomicheskom institute im. P.K.Shternberga (MGU) pri lyubeznom sodeistvii sotrudnika otdela issledovaniya Solnca I. F. Nikulina. V zdanii GAISh nahoditsya vertikal'nyi solnechnyi teleskop, shirokaya truba kotorogo dlinoi 18 m pronizyvaet zdanie instituta ot kryshi do podvala (ris. 2).

Nad verhnei chast'yu truby raspolozhen celostat iz dvuh ploskih zerkal, ne vnosyashii iskazhenii v chistotu eksperimenta, no sushestvenno oblegchayushii ego. V nagluho zakrytom verhnem proeme truby bylo ostavleno krugloe otverstie diametrom 6 mm, a vnizu, neposredstvenno nad zerkal'nym ob'ektivom solnechnogo teleskopa, na rasstoyanii okolo 17 m ot vhodnogo otverstiya my razmestili belyi ekran. Podcherknu eshe raz, chto nikakih opticheskih elementov mezhdu vhodnym otverstiem i ekranom kamery ne bylo [13, s. 30; 14, s. 40].

Pervoe nablyudenie sostoyalos' 19 maya 1998 g. Na ekrane my uvideli yarkoe izobrazhenie Solnca diametrom 16 sm s horosho razlichimoi gruppoi iz dvuh pyaten. Bylo ochevidno, chto razmer pyaten men'she razreshayushei sposobnosti kamery: kontrast izobrazheniya byl nevelik, i nikakoi vnutrennei struktury v pyatnah ne bylo zametno. V posleduyushie dni my uverenno nablyudali poyavlenie i gibel' pyaten, ih peremeshenie po disku Solnca.

Dlya chistoty eksperimenta vse eti dni ya ne nablyudal poverhnost' Solnca s pomosh'yu tradicionnyh priborov, a lish' zarisovyval ego izobrazhenie v kamere-obskure. Zatem iz neskol'kih observatorii cherez Internet byli polucheny fotografii Solnca v belom svete i sravneny s nashimi zarisovkami. Rezul'taty okazalis' ves'ma vpechatlyayushimi.

Naprimer, v den' nashego pervogo nablyudeniya, 19 maya 1998 g., na poverhnosti Solnca deistvitel'no byla gruppa iz dvuh pyaten diametrami 15'' i 17'', razdelennyh rasstoyaniem v 1', a takzhe neskol'ko malen'kih pyaten razmerami 3-5'', kotoryh s pomosh'yu kamery-obskury my ne zametili. Uchityvaya, chto teoreticheskoe razreshenie nashei kamery okolo 40'', mozhno schitat' takoi rezul'tat ves'ma udovletvoritel'nym.

Sdelat' pryamuyu fotografiyu izobrazheniya solnechnogo diska diametrom 16 sm, k sozhaleniyu, ya ne smog (zhal' bylo tratit' vremya na izgotovlenie krupnoformatnoi kamery i zatvora na vhodnoe otverstie). Poetomu fotokameroi "Zenit" byli sdelany snimki polnogo izobrazheniya Solnca s proekcionnogo ekrana, a takzhe pryamye snimki otdel'nyh solnechnyh pyaten fotokameroi bez ob'ektiva, pomeshennoi na proekcionnom ekrane. Uchityvaya osobennosti poligraficheskogo processa, ya ne privozhu eti fotografii v dannoi stat'e, chtoby ne iskazhat' predstavlenie o real'nom kachestve izobrazhenii (zhelayushie mogut poznakomit'sya s nimi i detalyami nashei kamery-obskury v GAISh MGU). Dlya sravneniya kachestva uvidennyh nami izobrazhenii na risunke 3 privedena fotografiya Solnca v belom svete, poluchennaya 2 iyunya 1998 g. v observatorii Big Bear (SShA), a na ris. 4 eto zhe izobrazhenie, razmytoe chislennym metodom do takogo sostoyaniya, kakim ono sub'ektivno predstavlyalos' nam pri nablyudenii v tot zhe den' na ekrane kamery-obskury.


Ris. 3.	Ris. 4.

Itak, vopros o principial'noi vozmozhnosti nablyudeniya solnechnyh pyaten pri pomoshi klassicheskoi kamery-obskury reshen polozhitel'no. Ochevidno, chto pri sravnitel'no nebol'shom razmere nashei eksperimental'noi kamery eto udalos' sdelat' lish' blagodarya optimal'nomu vyboru diametra vhodnogo otverstiya. Dlya sovremennoi nauki etot rezul'tat nikakogo interesa ne predstavlyaet. Kachestvo izobrazhenii solnechnyh pyaten, davaemyh linzovymi i zerkal'nymi ob'ektivami XX stoletiya, nedosyagaemo dlya kamery-obskury (ris. 5).

Ris. 5.

No pered istoriei astronomii nash eksperiment stavit neskol'ko voprosov:

Predprinimalis' li popytki sooruzheniya gigantskih kamer-obskur do izobreteniya teleskopa?
Vozmozhny li situacii neprednamerennogo sooruzheniya takih priborov?
Zafiksirovany li fakty nablyudeniya solnechnyh pyaten s pomosh'yu sluchainyh kamer-obskur?

Opisyvaya v nachale iyunya 1998 g. svoi rezul'taty, ya sdelal takoe zamechanie: "Vozmozhnost' eksperimenta s gigantskoi obskuroi dayut krupnye arhitekturnye sooruzheniya srednevekovye goticheskie sobory ili dazhe antichnye kupol'nye sooruzheniya, podobnye rimskomu Panteonu" [14, c. 40]. Togda ya ne ozhidal, chto ochen' skoro mne predstavitsya sluchai podtverdit' eto predpolozhenie.

Nablyudenie solnechnyh pyaten v ispanskih soborah

V iyule 1998 g. ya puteshestvoval po Ispanii. V g. Toledo okolo poludnya 6 iyulya ya zashel v goticheskii kafedral'nyi sobor i prinyalsya izuchat' svetovye uzory na polu. Inter'er sobora byl dovol'no temnym, lish' neskol'ko vitrazhei osveshali ego rasseyannym svetom. Ves'ma skoro ya obnaruzhil na polu neskol'ko izobrazhenii Solnca, obyazannyh svoim poyavleniem, kak eto yasno bylo vidno po napravleniyu luchei, shelyam mezhdu otdel'nymi steklami vitrazhei, raspolozhennyh na yuzhnom fasade vysoko pod svodom sobora (ris. 6).

Ris. 6. Shema uslovnogo goticheskogo sobora, obladayushego effektom kamery-obskury.

Otmechu eshe raz, chto starye vitrazhi iz tolstogo cvetnogo stekla ves'ma effektivno pogloshayut i rasseivayut solnechnyi svet, tak chto nesmotrya na "svetyashiesya okna", v sobore vsegda sumrachno. Obnaruzhennye mnoi proekcii Solnca imeli diametry ot 17 do 30 sm v zavisimosti ot vysoty vitrazha nad polom. Ne vse izobrazheniya byli vysokogo kachestva: naibolee yarkie okazalis' sil'no razmytymi ochevidno, ih porodili krupnye otverstiya, imevshie diametry namnogo bol'she optimal'nogo. No izobrazheniya nevysokoi poverhnostnoi yarkosti okazalis' dovol'no rezkimi; na nih ya legko razlichil dva krupnyh solnechnyh pyatna, odnako, k stydu svoemu, ne smog ih zarisovat' iz-za otsutstviya bumagi. Vyidya v poiskah bumagi iz sobora na ulicu, ya uzhe ne smog popast' obratno, poskol'ku sobor zakryli na vremya siesty.

K schast'yu, cherez den', 8 iyulya, mne vtorichno predstavilas' vozmozhnost' nablyudat' effekt kamery-obskury v kafedral'nom sobore g. Sevil'i. Na foto (ris. 7) vidno, chto na polu sobora ryadom raspolozhilis' dva izobrazheniya Solnca odinakovogo razmera yarkoe sprava i tuskloe levee, kazhdoe diametrom 27 sm. Kraya yarkogo izobrazheniya byli sil'no razmyty, i nikakoi vnutrennei struktury (krome slabogo potemneniya k krayu) ono ne imelo. Slaboe izobrazhenie okazalos' namnogo bolee rezkim: na nem prekrasno byli vidny solnechnye pyatna.

Ris. 7. Surdin V.G. v kafedral'nom sobore g. Sevil'i (Ispaniya) u proekcii solnechnogo diska.

Imenno na nem ya zarisoval te zhe dva pyatna, kotorye videl 6 iyulya v sobore Toledo; pyatna za proshedshie dvoe su