Оптические иллюзии, обусловленные формой небесного свода

Приплюснутая форма небесного свода приводит к возникновению ряда зрительных обманов. Прежде всего, это кажущееся увеличение размеров Солнца, Луны, созвездий и других объектов на небосводе, находящихся близко к горизонту.

Все, наверное, обращали внимание на то, что, когда Солнце поднимается из-за горизонта или, наоборот, опускается к нему, оно кажется очень большим. При высоком положении на небосводе, например летом в околополуденные часы, Солнце совсем маленькое, примерно в три-четыре раза меньше. Точно так же Луна и созвездия у горизонта кажутся в два- три раза больше, чем в верхней кульминации. Угловые размеры всех объектов на небосводе кажутся увеличенными, если они располагаются ниже 35° и, наоборот, уменьшенными при их высоте более 35° над горизонтом.

Аналогично тому, как мы переоцениваем размеры Солнца и Луны у горизонта, мы переоцениваем количество облаков, если они находятся в основном вблизи горизонта, и недооцениваем, если они разбросаны в околозенитной части неба.

Здесь следует сказать, что количество облаков (балл облачности) - один из основных метеорологических элементов, сведения о котором передаются по нескольку раз в сутки со всей многотысячной сети метеорологических станций мира, и он не измеряется приборами, а оценивается визуально. Метеорологи в своей повседневной работе, определяя балл облачности, привыкли учитывать этот оптический обман. Если же балл облачности оценивает неподготовленный человек, новичок в этом деле, расхождения с данными опытного наблюдателя могут быть в несколько баллов!

Сплюснутая форма небосвода приводит и к другой оптической иллюзии. Мы завышаем не только кажущиеся размеры Солнца, Луны, созвездий, облаков и других объектов у горизонта, но и их высоту над горизонтом.

Мы привыкли считать, что летом, в полуденное время, даже в средних широтах Солнце стоит почти в зените. На самом деле максимальная высота Солнца летом в полдень в Ленинграде не превышает 54°, в Москве 57°, в Одессе 68°. Даже зимой, когда полуденная высота Солнца в Ленинграде в январе - феврале составляет только 10 - 15°, нам кажется, что Солнце стоит значительно выше.

Так же мы переоцениваем и высоты облаков на небосводе. Например, отдельные облака находятся над горизонтом на высотах 5, 10 и 30°, нам же кажется, что их высота значительно больше. Мы неправильно оцениваем высоты и других явлений, наблюдаемых на небосводе: загорания метеоритов, полярных сияний, полета самолетов и т. п.

Об этом оптическом обмане писал в своей "Метеорологике" еще Аристотель, однако научное объяснение было дано ему значительно позже, в XI в., арабским ученым Альгазеном (Абу Али Хайсамом).

Попробуем объяснить, как возникает иллюзия увеличения размеров всех предметов у горизонта. На рис. 3.4 изображен небосвод и Луна на разных высотах над горизонтом. Как говорилось выше, зрительно мы не чувствуем, что Солнце находится далеко от Земли, а Луна значительно ближе. Все, что мы видим в небе, мы проецируем на него, как на экран. Из-за сплюснутости неба этот экран оказывается от нас далеким в направлении на горизонт и значительно более близким в направлении на зенит. Угловой диаметр как Солнца, так и Луны при любом их положении на небе одинаков (32'), а вот линейные размеры при проектировании на близкий экран (в зените) кажутся маленькими, а при проектировании на далекий экран (у горизонта) - большими.

Рис. 3.4. К объяснению кажущегося увеличения Луны у горизонта

Читатель может легко убедиться сам, что Луна только кажется большой у горизонта, что это самый настоящий зрительный обман. Проделайте следующий эксперимент. Держите сложенные вместе три спички в вытянутой перед собой руке. Для человека среднего роста расстояние спичек от глаза составляет примерно 75 см, а поперечник спичек 6 мм. Спички закрывают на небосводе угол около 1/2°, т. е. равный диаметру Луны или Солнца. Закройте Луну спичками при ее высоком положении на небосводе, когда она кажется маленькой, а затем еще раз, когда она опустится к горизонту и будет казаться в несколько раз больше. К своему удивлению, вы обнаружите, что спичками можно закрыть Луну при любом ее положении, т. е. что размер Луны не изменяется.

Существует и другое объяснение этого зрительного обмана. Всем хорошо известно, что чем дальше от нас на земной поверхности находится любой предмет, тем под меньшим углом мы его видим. Это явление перспективы. Луна находится от Земли на расстоянии очень большом (384000 км) по сравнению с расстояниями до наземных предметов, и при ее приближении к горизонту видимого уменьшения ее размеров не происходит. Мы же зрительно ожидаем, что размер Луны при ее опускании к горизонту должен уменьшиться, как у всех видимых в поле зрения предметов у горизонта. Поскольку этого не происходит, то создается впечатление, что Луна становится больше, чем ей следовало быть. Она кажется больше не потому, что в действительности увеличивается, а потому, что не сокращается в размерах, как остальные предметы. В пользу такого объяснения говорит следующий эксперимент. Сделайте длинную, например, картонную трубку и посмотрите через нее на низко стоящую Луну. Неожиданно обнаружится, что Луна уменьшилась до обычных размеров, потому что мы не видим теперь других предметов у горизонта и их перспективного уменьшения. Уберите трубку, и Луна снова становится большой!

Следует признать, что и в настоящее время до конца не исследовано, почему небесный свод имеет такую форму и как объясняется кажущееся увеличение Солнца, Луны, облаков и других предметов на небосводе у горизонта. Вероятно, большую роль играют психофизиологические особенности нашего зрения. Если мы смотрим вверх, не поднимая головы, то все предметы кажутся нам уменьшенными по сравнению с тем, какими они кажутся на том же расстоянии по горизонтали. Например, человек, стоящий на парашютной вышке высотою 75 м, кажется совсем маленьким, но этот же человек на расстоянии 75 м на Земле от нас - большим. Другой пример. Найдите вечером звезду на небе, которая, как вам кажется, находится около зенита. Повернитесь вполоборота и посмотрите на ту же самую звезду. Вы увидите, что она совсем не в зените, ее высота не более 70°.

На видимую форму небосвода оказывают влияние и другие причины, тоже связанные с психологией зрительного восприятия. Когда мы смотрим в вертикальном направлении, то не видим никаких объектов между глазом наблюдателя и небосводом, в горизонтальном же направлении обычно виден ряд предметов на разных расстояниях, в том числе и очень удаленных. Это способствует восприятию повышенной удаленности небосвода у горизонта. Воздушная дымка, окутывающая сильнее далекие предметы, также способствует восприятию горизонта как более далекого. Известную роль могут играть также разная освещенность, яркость и цвет неба в этих направлениях, наличие облаков разных форм или их отсутствие.

Голубое небо и белые облака наглядно иллюстрируют два типа рассеяния - молекулярное и аэрозольное. (Фото В. В. Маншеньюана)

Закат Солнца. Солнце большое, красное, сплющенное. (Фото В. П. Мельникова)

Солнце - главный источник света на Земле. (Фото В. Я. Денисова)

Большой венец вокруг Луны с добавочным кольцом. Большой радиус венца говорит о малых размерах капель или кристаллов, его образовавших. (Фото В. П. Мельникова)

Ярко окрашенная первая радуга и более слабо окрашенная и широкая вторая радуга. С фиолетовых краев радуг видны добавочные дуги. (Фото В. П. Мельникова)

Освещенность в яркий солнечный день. (Фото В. В. Маншеньюана)

Голубой снег. Ландшафт снят в тот момент, когда Солнце внезапно закрылось облаком и заснеженное поле, будучи освещенным только светом от ясного неба, кажется совершенно синим. (Фоторепродукция В. П. Мельникова)

Глория на облачном покрове. Вид из космоса. (Фото А. Кулешова по рис. художника А. К. Соколова)

Атмосферные 'усы' на фоне ночного сечения атмосферы. Фото А. Кулешова по рис. художника А. К. Соколова)

Слои ночного свечения атмосферы. Когда корабль находится на ночной части витка, на фоне темного космического неба отчетливо видны два светящихся слоя. (Фото А. Кулешова по рис. художника А. К. Соколова)

Зодиакальный свет, наблюдаемый из космоса. (Фото А. Кулешова по рис. художника А. К. Соколова)

Мощное полярное сияние, сквозь которое пролетали космонавты на космическом корабле. (Фото А. Кулешова по рис. художника А. К. Соколова)

Яркое полярное сияние, наблюдаемое с Земли. (Фоторепродукция В. П. Мельникова из журнала Sky and telescope)

Вечерняя заря в Ленинграде. (Фото В. Я. Денисова)

Окрашивание облаков во время зари. (Фото В. П. Мельникова)

'Море' одуванчиков. Цвет каждого предмета определяется цветом смеси отражаемых им лучей. Одуванчики отражают больше всего желтых лучей, трава - зеленых, куртка на ребенке - красных. (Фото В. В. Маншеньюана)