Прохождение Венеры по диску Солнца

Наблюдения М. В. Ломоносова

26 мая 1761 года примерно в 40 пунктах земного шара проводились наблюдения довольно редкого явления-прохождения Венеры по диску Солнца. Основная задача наблюдений-точное определение расстояния между Солнцем и Землей по методу, разработанному английским астрономом Э. Галлеем. В России наблюдения были организованы в Петербурге, Тобольске и Селенгинске. В Петербурге, в Академической обсерватории наблюдали А. Д. Красильников и Н. Г. Курганов. М. В. Ломоносов вел наблюдения дома в небольшую трубу, которая создавала хорошее изображение только около центра поля зрения.

По материалам А. Д. Красильникова и Н. Г. Курганова, а также по результатам своих наблюдений М. В. Ломоносов в 1761 году опубликовал статью "Явление Венеры на Солнце, наблюденное в Санкт-Петербургской императорской Академий наук Майя 26 дня 1761 года". Первое явление М. В. Ломоносов описал следующим образом:

"При выступлении Венеры из Солнца, когда передний ее край стал приближаться к солнечному краю и был (как просто глазом видеть можно) около десятой доли Венерина диаметра, тогда появился на краю Солнца пупырь, который тем явственнее учинился, чем ближе Венера к выступлению приходила. Вскоре оный пупырь потерялся, и Венера оказалась вдруг без края".

"Пупырь" получил название "явления Ломоносова". М. В. Ломоносов совершенно правильно объяснил его преломлением (рефракцией) солнечных лучей в верхних слоях -атмосферы Венеры. Так была открыта атмосфера Венеры.

Второе явление наблюдается при приближении диска Венеры к внешнему краю диска Солнца или удалении от него. Вот как оно описано М. В. Ломоносовым: "Ожидая вступления Венерина на Солнце около сорока минут после предписанного в эфемеридах времени, увидел наконец, что солнечный край чаемого вступления стал неявственен и несколько будто стушеван, а прежде был весьма чист и везде ровен.

Полное выхождение, или последнее прикосновение Венеры заднего края к Солнцу при самом выходе, было также с некоторым отрывом и с неясностью солнечного края".

Это явление, открытое Ломоносовым, до сих пор не имело удовлетворительного объяснения. Однако, его, по-видимому, можно объяснить зеркальным отражением Солнца атмосферой планеты, которое особенно велико при небольших углах скольжения, то есть тогда, когда Венера находится вблизи Солнца.

Зеркальное отражение Солнца

Прохождение Венеры по диску Солнца 26 мая 1761 года М. В. Ломоносов наблюдал в зрительную трубу длиной около 4,5 футов (1 фут =30,48 см) через закопченное стекло. Предположим, что видимая яркость солнечного диска не превышала порога болевого ощущения, то есть составляла примерно 10-20 стильбов и была на четыре порядка меньше истинной яркости Солнца. При этом видимый (через зрительную трубу с закопченным стеклом) блеск зеркально отраженного атмосферой Венеры солнечного изображения равнялся блеску звезды около 7m. При тех же условиях видимая яркость создающего засветку излучения околосолнечного ореола, по-видимому, не превышала 5 o 10~4 стильба. Пороговая освещенность при наблюдении в зрительную трубу точечного источника на фоне яркостью 5 o 10-4 стильба составляет около 3 o 10-6 люкса, что соответствует блеску 7,5 m.

Эти оценки показывают, что M. В. Ломоносов, по-видимому, мог наблюдать зеркальное отражение Солнца атмосферой Венеры в момент отрыва диска Венеры от диска Солнца или приближения к нему. С удалением от Солнца блеск, создаваемый зеркальным отражением Солнца атмосферой Венеры, быстро уменьшается и становится ниже уровня порогового блеска.

Наблюдения зеркального отражения Солнца атмосферой Венеры удобнее вести в следующем порядке: определить яркость и блеск зеркально отраженного атмосферой Венеры изображения Солнца при наблюдении с Земли для небольших углов скольжения; сравнить блеск зеркального отражения Солнца атмосферой Венеры и диффузную составляющую блеска Венеры; оценить основные оптические параметры наземного и внеатмосферного коронографов, необходимые для наблюдения и исследования зеркального отражения Солнца атмосферой Венеры с учетом засветок, создаваемых излучением земной атмосферы и рассеянным светом в коронографе.

Наземный коронограф. На рисунке коронограф Лио.

При наблюдении с Земли угловой размер Венеры в нижнем соединении (на расстоянии приблизительно 0,28 а. е.) около 60", а угловой размер зеркально отраженного атмосферой Венеры изображения Солнца - около 0,3". Поэтому при наблюдении с коронографом Солнце, зеркально отраженное атмосферой Венеры, можно рассматривать как точечный источник. Во время наблюдений Венеры неизбежно возникают засветки, создаваемые излучением земной атмосферы и рассеянным светом в коронографе. Необходимое для успешных наблюдений разрешение оптической системы коронографа определяется контрастной чувствительностью его приемного устройства.

При наблюдении Венеры с наземным коронографом засветку создает в основном излучение атмосферы Земли (точнее, околосолнечного ореола), которое составляет около 5 стильбов. Пороговое значение контрастной чувствительности приемного устройства коронографа можно принять равным 0,3. Наземный коронограф с разрешением около 1" и пороговым значением контраста около 0,3 позволяет уверенно регистрировать зеркальное отражение Солнца от атмосферы Венеры при углах скольжения до 5', Однако наземный коронограф регистрирует в виде светящейся точки только зеркальное отражение Солнца атмосферой Венеры, яркость которого значительно превышает яркость околосолнечного ореола.

В то же время изображение серпа Венеры, образованное диффузно- отраженным солнечным излучением и имеющее угловой диаметр около 60", не может фиксироваться наземным коронографом, так как яркость серпа у нижнего соединения значительно меньше яркости околосолнечного ореола в земной атмосфере. При углах скольжения менее 1' зеркальное отражение Солнца атмосферой Венеры можно зарегистрировать и наземным коронографом с угловым разрешением около 10". (Глаз человека имеет угловое разрешение около 1'.)

Внеатмосферный коронограф

Условия наблюдения зеркального отражения Солнца атмосферой Венеры с внеатмосферным коронографом значительно лучше условий наблюдений с поверхности Земли. При наблюдении Венеры с помощью внеатмосферного коронографа основной вклад в засветку будет вносить рассеянное оптической системой коронографа солнечное излучение. Яркость этого излучения при небольших углах скольжения может достигать примерно 0,1 стильба.

Для наблюдения зеркального отражения Солнца атмосферой Венеры при углах скольжения около 3' необходим внеатмосферный коронограф с разрешением не хуже 15". Так, например, коронограф, установленный на орбитальной станции "Скайлэб", имел разрешение около 8". При углах скольжения менее 1,5' внеатмосферные наблюдения можно проводить и невооруженным глазом, если хорошо экранировать прямое солнечное излучение.

Если с внеатмосферным коронографом при углах скольжения менее 4' получить изображение серпа, Венеры, то в середине серпа должно наблюдаться яркое пятно, создаваемое зеркальным отражением Солнца ее атмосферой. Угловой размер зеркально отраженного атмосферой Венеры изображения Солнца при наблюдении с Земли при небольших углах скольжения составляет около 0,3".

Поэтому с помощью наземного или даже внеатмосферного коронографов с расстояния Земли в настоящее время вряд ли удастся получить изображение Солнца, зеркально отраженное атмосферой Венеры. Это возможно только при исследовании с небольшого расстояния от Венеры, когда размер зеркально отраженного изображения Солнца будет превышать десятки угловых секунд.