Вид на Землю с Международной космической станции: огни Европы и России, северное сияние и восход Луны и Венеры. Автор видео: российский космонавт Иван Вагнер.

​Зодиакальный свет - необычный световой эффект, наблюдающийся вскоре после захода Солнца над местом, где оно зашло.

Это свечение не слишком яркое: наблюдать его лучше в ясную безлунную погоду и там, где отсутствует фоновое освещение (т.е. подальше от городов). Также наиболее ярко зодиакальное свечение видно в районах, близких к экватору.

Зодиакальным данное свечение называют потому, что в его зоне обычно расположено одно из 13 зодиакальных созвездий.

Причина этого проста: зодиакальный свет возникает из-за рассеяния солнечного света на частицах космической пыли в пространстве между Землёй и Солнцем; основная масса этой пыли лежит как раз в плоскости эклиптики (плоскости, в которой лежит орбита движения вокруг Солнца Земли и других планет). Там, где этой пыли больше всего (то есть, как раз в плоскости эклиптики), зодиакальное свечение наиболее ярко. По мере удаления от этого направления оно убывает.

Это не следы пребывания пришельцев, а интересное, но вполне объяснимое природное явление, называемое "ведьмины круги": круглые участки сухой земли, образующиеся на поросшей травой местности в пустынях Африки.

Ведьмины круги являются частными случаем так называемого узора Тьюринга: процесса самостоятельного образования простых узоров даже из однородной среды.

Для узоров Тьюринга необходимо сочетание двух факторов, первый из которых способствует усилению второго, и в то же время второй подавляет первый. Если это условие соблюдается, то можно математически доказать возможность появления берущихся как бы из ниоткуда узоров даже в системах с изначально равномерным и/или случайным распределением параметров.

В данном случае "факторами Тьюринга" выступают вода и корневая система растений в условиях дефицита влаги. Очевидно, что вода способствует разрастанию растений, а те, в свою очередь, "выпивают" всю воду из земли, к тому же их корневая система препятствует проникновению воды извне.

​Картинки, которые выдаёт тот же Google по запросу "ядерный взрыв" (хоть реальные, хоть нарисованные) содержат два "обязательных элемента". Во-первых - само грибовидное облако с тонкой "ножкой" и шляпкой", во-вторых - туманное кольцо вокруг этого "гриба".

"Гриб" образуется в результате эффекта, известного как неустойчивость Рэлея - Тейлора. Он возникает при столкновении сред (жидкостей и газов) с различной плотностью в гравитационном поле, когда одна среда как бы "просачивается" через другую. Образующиеся в результате случайные неустойчивости имеют свойство развиваться и усиливаться. В нашем случае "разными средами" является обычный воздух и воздух, сильно нагретый энергией ядерного взрыва: температура его настолько выше, что он существенно отличается по плотности. А гравитационное поле здесь работает в "перевёрнутом" смысле - через конвекцию.

В итоге вокруг столба поднимающегося из эпицентра горячего воздуха ("ножки") формируются вертикальные вихри ("шляпка). Кстати, это свойственно не только ядерному взрыву, но и мощным тепловым взрывам, пыльно-пепловым столбам над жерлами извергающихся вулканов, а иногда и просто облакам: важно, чтобы присутствовала высокая разность температур.

Что же до кольца, то это видимое проявление ударной волны. По сути ударная волна - это движущийся фронт повышенного (сильно) давления воздуха. В нашем случае давление повышается настолько, что содержащийся в воздухе водяной пар конденсируется. После прохождения волны давление выравнивается, и вода снова испаряется. Так и образуется быстро движущееся кольцо или сфера. Кстати, она возникает и при других процессах, порождающих мощную ударную волну - лишь бы она была достаточно мощна, чтобы породить конденсацию водяных паров.

​Красные карлики - самые маленькие и холодные звёзды во Вселенной, излучающие в сотни, а иногда и десятки тысяч раз меньше энергии, чем Солнце.

Однако эти крохи обладают весьма бурным нравом: время от времени на них происходят колоссально мощные вспышки, в ходе которых на секунды их светимость может достигать солнечной (10 в 33 эрг в секунду).

Вспышки красных карликов происходят из-за взамодействия глобальных (связанных с вращением звезды в целом) и локальных (связанных со внутренними конвекционными потоками вещества) магнитных полей - астрономы говорят о "звёздных динамо-машинах", запасающих, а затем резко высвобождающих энергию.

Аналогичные, но куда более слабые вспышки происходят и на Солнце: дело в том, что внутри Солнца также существует зона, охваченная конвективными потоками, но она занимает лишь часть его объёма, тогда как красные карлики охвачены ей полностью.

Разрушительные вспышки красных карликов - одна из главных причин того, что их планеты, вероятно, остаются необитаемыми: даже если там и возникнет жизнь, очередная вспышка эффективно стерилизует планету, сделав её вновь безжизненной. А жаль, ведь большинство обнаруженных нами землеподобных планет находятся именно на орбитах красных карликов...

Шаровая молния - одно из самых загадочных физических явлений, в саму реальность существования которого учёные долгое время не верили. Лишь в 2012 году шаровая молния попала в поле зрения двух китайских бесщелевых спектрометров на Тибетском плато, что окончательно подтвердило существование её как реального явления.

Причём если спектр обычной молнии состоит в основном из линий, соответствующих веществам, из которых состоит атмосфера (в основном азот), то в спектре шаровой молнии преобладали линии, соответствующие кремнию, железу и кальцию. Это показывает, что шаровые молнии, вероятно, как-то напрямую связаны с почвой, над которой возникают.

Однако единой, последовательной и отвечающей на все основные вопросы теории шаровых молний пока нет.

У большинства звёзд Вселенной существует чёткая зависимость между цветом излучаемого ими света и массой: чем массивнее звезда, тем она голубее. Причина: более массивные звёзды сильнее нагреваются; здесь работает тот же механизм, при которой нагреваемый в огне металл светится сначала красным, затем оранжевым, потом жёлтым и т.п.

Астрономы делят все звёзды на 7 спектральных классов: от красных карликов до голубых сверхгигантов (сегодня существуют расширения этой классификации для, например, наиболее холодных красных карликов и т.п., но именно семичастная Гарвардская классификация является основной).

Буквы, обозначающие каждый класс, присвоены не особо логично, и потому астрономы придумали мнемонические правила для их запоминания. Самое удобное правило на русском (от большего к меньшему) звучит так: Один Бритый Англичанин Финики Жевал Как Морковь.

Солнце относится к жёлтым звёздам спектрального класса G.

Вот такой вид открылся бы нам одним прекрасным утром, если бы Солнце превратилось в чёрную дыру)

Правда, нам такое вроде бы не светит (каламбур!) у Солнца для такого не хватает массы (надо хотя бы в 20 раз больше).

PS. Ну и да, в реальности горизонт событий был бы куда меньше: для массы Солнца он составляет примерно 1 км, т.е. с Земли его просто не было бы видно. Но фантазия у художника богатая.

Туманность "Тарантул" соседней с нами галактики Большое Магелланово облако просто наполнена яркими голубыми звёздами. Такие звёзды горячи, массивны, ярки - а также имеют очень малый срок жизни. А потому обилие голубых звёзд свидетельствует о том, что в данной области космоса идут активные процессы звездообразования.

Яркий свет голубых звёзд освещает окружающие газопылевые облака, которые нагреваются и также излучают свет - правда, более низкоэнергетичный, а потому более красноватый.

Нам кажется, что Солнце светит всегда одинаково. Но это не так. Излучение энергии нашим светилом подвержено сложным колебаниям: учёные выделяют 11-летние, 22-летние, 70-100-летние, 150-200-летние, а также, предположительно, 2300-летние циклы последовательного уменьшения и увеличения солнечной активности.

Сейчас, кстати, мы находимся в начале (точке минимума) очередного 11-летнего цикла солнечной активности.

Кроме того, вне зависимости от циклов, Солнце постепенно разогревается, увеличивая свою температуру и светимость. Рано или поздно оно разогреется настолько, что средняя температура на Земле достигнет 47 градусов, океаны испарятся, а сложная жизнь, какой мы её знаем, станет невозможна. Правда, случится это нескоро: по расчётам, Солнце увеличивает свою яркость примерно на 1 % каждый миллион лет.

Это фотография галактики UGCA 193, сделанная космическим телескопом Хаббл. UGCA 193 - спиральная галактика, но мы видим её с ребра. Обратите внимание на огромное количество ярких голубых звёзд, придающих голубой оттенок всей галактике в целом: это значит, что здесь идут очень активные процессы звездообразования.

Одно из самых важных и в то же время самых парадоксальных физических особенностей звёзд является то, что астрофизики называют отрицательной теплоёмкостью.

Теплоёмкость в термодинамике – это коэффициент пропорциональности между сообщённой телу тепловой энергией и изменением его температуры. У воздуха, к примеру, низкая теплоёмкость, и его можно легко нагреть даже дыханием. У воды теплоёмкость высокая, и для того, чтобы закипятить чайник, нужно сжечь немало топлива.

Но у звёзд всё происходит наоборот: если мы будем «нагревать» звезду, увеличивая её внутреннюю энергию, то температура звезды… уменьшится.

Это всё равно как если вы поставили на плиту чайник, а вода в нём, вместо того, чтобы закипеть, замёрзла!

В реальности конечно звёзды извне никто не нагревает: речь идёт об увеличении или уменьшении процессов в звезде в результате внутренних причин. И тем не менее, факт остаётся фактом.

Вот как это работает.

Равновесие звёзд обусловлено тем, что гравитационные силы, стремящиеся сжать звезду, компенсируются внутренним давлением (как обычным термодинамическим, вызванным движением частиц ионизированного газа, из которого состоит звезда, так и лучевым, обусловленным воздействием электромагнитного излучения с веществом). Для стационарной звезды эти силы равны, и звезда сохраняет одинаковую температуру и объём на протяжении миллионов лет.

Представим теперь, что вследствие каких-то причин внутренняя энергия звезды увеличилась (скажем, из-за скачка энергоотдачи термоядерных реакций, текущих в её недрах). Давление пропорционально внутренней энергии, а значит, оно увеличится и начнёт превышать гравитационное сжатие. Равновесие звезды нарушится и она начнёт расширяться.

Давление обратно пропорционально объёму, и поэтому по мере расширения звезды уменьшается. В определённый момент звезда расширится настолько, что давление и гравитация снова уравновесят друг друга. Установится новое состояние равновесия звезды с большим объёмом.

Но при расширении все газы охлаждаются! И ионизированный газ, из которого сделаны звёзды, не исключение. В результате новое состояние звезды с большим объёмом будет характеризоваться меньшей температурой: звезда расширится и (!) охладится.

Обратное тоже верно: когда внутренняя энергия звезды уменьшается, она начинает сжиматься и нагреваться. Это происходит, например, при исчерпании запасов ядерного топлива (водорода) в звёздах главной последовательности. Так образуются белые карлики: маленькие, но очень горячие «огарки» звёзд.

С другой стороны, наше Солнце, к примеру, в ходе такого сжатия достигнет температуры, при которой сможет запустить реакцию синтеза из следующего элемента таблицы Менделеева – гелия. Эта реакция даёт куда больший энергетический выход, и поэтому внутренняя энергия Солнца увеличится даже до большего значения, чем была на «водородной» стадии. А из-за механизма отрицательной теплоёмкости Солнце при этом расширится (почти до орбиты Земли) и существенно охладится, став из жёлтой звезды красной.

На иллюстрации изображена самая, пожалуй, известная система двойных звёзд: Сириус. Главный компонент – Сириус А, белая звезда с массой более двух солнечных. Второй компонент – белый карлик Сириус Б, «при жизни» бывший весьма похожим на наше Солнце, но сейчас сжавшийся и разогревшийся настолько, что стал даже горячее своего «большого брата», и потому светит более голубым светом – правда, очень слабо. К парадоксальному факту, что уже потухшая звезда оказывается горячее ещё горящей приводит именно эффект отрицательной теплоёмкости.

В завершение добавим, что отрицательная теплоёмкость характерна для многих систем, равновесие которых обеспечивается гравитационными силами, включая нашу Солнечную систему, звёздные скопления и даже целые галактики.

Разоблачение: белые карлики - вовсе не белые!

Термин "белый карлик" широко используется в научной и научно-популярной литературе: им обозначают остаток догоревшей звезды, истратившей своё ядерное топливо и скукожившейся под действием собственной силы гравитации в очень маленький и плотный сгусток вещества. Этот сгусток светится благодаря остаточному нагреву, постепенно остывая, так как не имеет собственных источников энергии.

Однако понимать термин "белый карлик" буквально не следует: на самом деле фактический цвет белых карликов варьируется в широких пределах, от оранжевого до голубого.

Цвет звезды определяется её температурой: чем звезда горячее, тем больше в её спектре голубого света, чем холоднее - тем она краснее.

В ходе гравитационного сжатия изначальной звезды, получившийся из неё белый карлик нагревается до внушительных температур (при сжатии любой газ нагревается), заметно превышающих температру исходной звезды. Классический пример - невидимый компонент Сириуса (самой яркой звезды ночного неба), белый карлик Сириус Б, температура которого составляет порядка 10 тысяч градусов, и светит он ярко-голубым светом.

Однако со временем Сириус Б будет медленно остывать (за счёт излучения) и "краснеть", сначала став действительно белым (вроде белого карлика WD 0806-661), затем - жёлтым, оранжевым и так далее.

Самым молодым известным на сегодняшний день белым карликом является RX J0439.8-6809, температура поверхности которого достигает 250 тысяч градусов. Его даже голубой звездой называть неверно: значительная часть его излучения лежит в ультрафиолетовом и рентгеновском диапазоне. Вероятно, сжатие RX J0439.8-6809 завершилось около 1000 лет назад: тогда он, по видимому, был нагрет до 450 тысяч градусов, т.е. с тех пор остыл более чем вдвое.

Самым же старым известным белым карликом является красный WD 0346 + 246, который остывает уже около 10 миллирадов лет и в настоящий момент имеет температуру поверхности около 3900 градусов

А рано или поздно белым карликам суждено остыть окончательно: они остынут настолько, что их излучение сместится в инфракрасную область спектра. Они превратятся в чёрные карлики. Правда, таких объектов мы пока не видели: расчёты показывают, что это займёт миллионы миллиардов (10 в 15 степени) лет, тогда как возраст Вселенной в настоящее время оценивается примерно в 14 миллиардов лет.

На фото - группа старых белых карликов, включая и WD 0346 + 246.

​Оптическое явление под названием «Глория» - редкий феномен, который иногда наблюдается в облаках. Глория выглядит как яркий радужный круг с бесцветным светлым пятом в центре. Наблюдается он тогда, когда источник света (Солнце) находится чётко позади и лучше немного сверху наблюдающего, и поэтому часто часть глории закрыта тенью. Так что наблюдать глорию лучше всего в горах, а ещё лучше – с самолёта или вертолёта.

Глория имеет много общего с обычной радугой. Как и она, глория формируется в отражённом капельками воды свете. Но в то же время глория – это определённо не обычная радуга: если та представляет собой дугу с угловым размером в 42 градуса, то глория обладает куда меньшими угловыми размерами относительно наблюдателя (порядка 5-20 градусов), и поэтому наблюдается как полное кольцо.

Но почему в одних случаях при освещении облаков расположенным за спиной наблюдателя солнцем возникает радуга, а в других – глория? Ответить на этот вопрос не так уж и просто. Так, классическая геометрическая оптика вообще не даёт ответа на этот вопрос: по её законам, никакой глории существовать не должно.

В научно-популярных статьях на тему (и даже в Википедии!) можно встретить объяснение, что глория, мол, образуется не в результате преломления, а в результате дифракции света на капельках воды. Однако в настоящее время эта теория опровергнута: показано, что условия для возникновения такой дифракции в облаке возникать не могут.

Популярным объяснением механизма возникновения глории является теория «проскальзывания» светового луча по поверхности капли. Мы не будем детально рассматривать эту довольно мудрёную теорию по одной простой причине: условия, необходимые для формирования глории по такому механизму, представляются довольно экзотическими. Так, для них необходимо, чтобы все капли в облаке были строго почти одного размера (ок. 10 микрон), что маловероятно.
Лично мне показалось интересным объяснение глории, предложенное А. Н. Невзоровым в статье «Явление глории и природа жидкокапельной фракции в холодных атмосферных облаках» (журнал «Оптика атмосферы и океана», № 8, 2007 год).

Идея Невзорова состоит в следующем. Если бы облака состояли не из воды с коэффициентом преломления 1,33, а из некоей другой жидкости с коэффициентом преломления около 1,8, то отражение и преломление света в каплях такой жидкости по «радужному» типу давало бы именно такую картину, которую мы наблюдаем при глории. Но ведь никакой загадочной жидкости в облаках нет, они состоят либо из воды, либо из льда, либо из смеси того и другого.

И вот здесь мы подходим к самому интересному. Дело в том, что даже в холодных (существенно ниже нуля) облаках, как выясняется, всё равно есть так называемая переохлаждённая вода. И свойства такой переохлаждённой воды оказываются достаточно необычными: например (по Невзорову) её плотность вдвое больше обычной воды (2,1 г/см3), а коэффициент преломления составляет… как раз-таки около 1,8!

Соответственно, теория Невзорова заключается в том, что глория – это по сути обычная радуга, но формирующаяся на необычных каплях тяжёлой переохлаждённой воды (которую он называет ещё А-водой). Добавлю, что совсем недавно (в сентябре 2020 года) работу об экзотических свойствах переохлаждённой воды опубликовали в журнале Science учёные из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории США (PNNL). Так что теория Невзорова представляется интересной. И, возможно, скоро мы сможем строго разгадать загадку этого красивого явления.

Почему не бывает зелёных звёзд?

Когда мы с вами говорили о цветах, а точнее, о спектральных типах звёзд, мы говорили о красных, оранжевых, жёлтых, белых и голубых звёздах. И объясняли, почему: по мере роста размеров звёзд, растёт и их температура. А спектр излучения звёзд - это в точности спектр излучения нагретого до определённой температуры тела. Максимум такого спектра по мере излучения температуры тела "движется" в сторону коротковолновой области: из красного свет становится оранжевым, потом жёлтым, потом голубым и так далее.

Но где же зелёный? Ведь даже в обычной радуге между жёлтым и синим следует зелёная область!

И действительно, мы знаем, что максимум спектра тела, нагретого до примерно 5500 градусов, должен располагаться именно в области 500 нанометров - а это как раз зелёный цвет. То есть, даже наше Солнце должно быть уже изрядно зеленоватым. Но этого не происходит!

Причина в том, что речь идёт о точке максимума спектра света. Тогда как то, каким мы видим этот свет, определяется суммарным воздействием всего спектра на наши глаза. И специфика спектра при 5500 градусов в том, что в нём красные, синие и зелёные компоненты видимой части спектра представлены примерно одинаково. И свет звёзд с зелёным максимумом в спектре видится нам просто белым (бело-жёлтым).

Зеленоватая "звезда" на картинке - никакая не звезда, а вполне себе комета.