Белые ночи! Баланс “лирики” и “физики”...

[Интересующийся Дед]

Смотрел сегодня утром “Россия 24”. Прогноз погоды. Было длительное вступление. Про прохождение Меркурия и Венеры по диску Солнца. Своего рода ликбез по астрономии. Молодцы!

Но вначале ликбеза шла речь о Белых ночах. Где и когда есть Белые ночи.

Как прожившего много лет в посёлке Лопью-Вад (Лопьювад) на реке Лопью, приток Вычегды, 61°45'00'' Северной Широты 55°12'00'' Восточной Долготы, мне известны многие признаки и прелести Белых ночей. Выпускной бал был в самый пик Белых ночей. Рыбалка в Белые ночи… Детские проказы… И т.д. и т. п.

 В общем, что такое “лирика”  Белых ночей, мне известна напрямую, Фёдор Михайлович отдыхает… Мои Белые ночи и белее и их больше в сезон. Хотя следует сказать, уступают по таланту, много уступают…

Настоящим откровением прозвучало по “России 24”, что в Волгограде (читай в Волжском. Широта: 48°47′08″ с.ш. Долгота: 44°46′47″ в.д.) тоже каждый год бывает одна Белая ночь!!! Для меня это что-то!!! Как же, здесь живу с августа 1958 года… За исключением трёх лет срочной службы.

Как-никак, с точностью до минуты, у нас продолжительность самого продолжительного дня одна и та же несколько дней. Тогда, почему одна Белая ночь?

По каким критериям определяется “Белость” ночи в той или иной местности?
Географической широтой? Освещенностью? Высотой над уровнем моря? В общем, интересует “физика/астрономия” в определении Белой ночи. И баланс “лирики” и “физики/астрономии” в Белых ночах…

Прошу высказаться всех желающих. Спасибо.

[xd]

Формально белые ночи - это когда вечерние гражданские сумерки переходят непосредственно в утренние.
То есть когда зенитное расстояние Солнца в нижней кульминации не больше 97 градусов.
\( z = 180 - (\delta + \phi) \)
Склонение светила \(\delta\) изменяется в течение года от \(-\epsilon\) до \(+\epsilon\) и вычисляется через эклиптическую долготу как \(\sin \delta = \sin \epsilon \sin \lambda \).
Этих формул достаточно для того, чтобы дать оценку по белым ночам:
Широты, на которых хотя бы раз в год наступает белая ночь:
\( \phi \geq 180 - (z + \epsilon) = 59°34' \)
Давайте разберёмся, о какой ночи говорилось в той передаче.
Зенитное расстояние Солнца в день равноденствия на широте Волжского (48°47') составит
z = 180° - (48°47' + 23°26') = 107°47'
Вспомним, что гражданские сумерки соответствуют высоте до -7°, навигационные -12°, а астрономические -18°.
Видим, что результат как раз приходится на астрономические сумерки, то есть в эту ночь не наступает астрономической ночи. В общем, журналисты перепутали белые ночи и астрономическую ночь
Давайте ещё посчитаем длительность белой ночи для первого пункта (широта 61°45'):
\( \delta \geq 180 - (z + \phi) \)
\( \displaystyle \sin \delta \geq \sin(180 - (z + \phi) ) \)
\( \displaystyle \sin \lambda \sin \epsilon \geq \sin(z + \phi) \)
\( \displaystyle \sin \lambda \geq \frac{\sin(z+\phi)}{\sin \epsilon} = 0.9114 \)
Откуда
\( 65.7° \leq \lambda \leq 114.4° \)
Если не учитывать эллиптичность орбиты Земли, то этот интервал составляет 48,7 градуса, и его Солнце проходит на 49 с хвостиком дней.
Это и есть продолжительность полярной ночи.
Задача для самостоятельной проработки: как изменится эта величина при учёте эллиптичности орбиты?

[Интересующийся Дед]

Deimos!
Спасибо! +

(кликните для показа/скрытия)

Столько нового интересного узнал!!! Увы, я не ЛА. И самостоятельной проработки не будет…

Но, оказывается у вас, астрономов, ещё тот порядок!!! Приятно в этом удостовериться.
А подача информации у Вас великолепная, спасибо!

[Aluminium]

Гражданские сумерки часто определяют немножко иначе: высота Солнца до -6°. Последовательность 6, 12, 18 и запомнить проще.

[xd]

Да, оба определения имеют право на жизнь, и я видел оба.

[a_babich]

Где и когда есть Белые ночи.

если есть Белые ночи, то должны быть и Черные дни?
то есть когда солнце невысоко и ненадолго  поднимается над горизонтом

[Змей Петров]

Формально белые ночи - это когда вечерние гражданские сумерки переходят непосредственно в утренние.

У нас в Минске это тоже работает. Уже почти начинается.

[Интересующийся Дед]

Формально белые ночи - это когда вечерние гражданские сумерки переходят непосредственно в утренние.

В некоторых местах про это время говорят: "Да это было в дни, когда зори целовались."

Даже при Советах фильм был снят, кстати, прекрасный фильм, "Целуются зори"...

[Миша Алексеев]

  Между тем 15 мая Солнце не заходит уже за широтой 70°,
белые ночи стоят за 65° градусом, навигационные (синие) сумерки - за 59 широтой,
а астрономические сумерки не кончаются за 53-им градусом

[Эклипсоман]

Добрый день! Хоть я и житель Краснодара, но попытаюсь ответить по поводу белой ночи в Волжском. Известно, что бывают не только гражданские и навигационные, но и астрономические сумерки. Следовательно бывают три вида белых или светлых ночей. Привожу цитату с форума на страничке Пулковской обсерватории:

"Белые ночи не обязательно означают светлую ночь в течение всей ночи. Главная её особенность в том, что Солнце не опускается глубоко под горизонт.

В зависимости от широты места, можно выделить гражданские, навигационные и астрономические белые ночи, а если в полночь солнцестояния рассвет не наблюдается — астрономическую или южную ночь.


Гражданские белые ночи

Наблюдаются, когда в истинную полночь солнцестояния гражданские сумерки, а навигационные не наступают. Это бывает на всех широтах выше 60° 34'.
В это время можно обходиться без дополнительного освещения, а на небе неразличимы даже самые яркие звёзды. Финляндия, Карелия, а также север Ленобласти например, находятся в зоне, где белые ночи бывают полностью гражданскими.

Навигационные белые ночи

Наблюдаются, когда в истинную полночь солнцестояния наступают навигационные сумерки. Это бывает на широтах выше 54°34'. Великий Новгород, Витебск, Москва, Псков, Таллин, Стокгольм, Рига лежат в пределах этих широт, а Санкт-Петербург лежит на границе начала навигационных белых ночей. На широтах 54-56°, т.е. примерно на широте Москвы, в истинную полночь наблюдатель заметит лишь небольшое посветление неба в стороне Солнца (при условиях ясной погоды), на небе будут видны основные звёзды, а населённые пункты не смогут обойтись без искусственного освещения. Поэтому эти ночи там обычно называют не "белыми", а "светлыми".

Астрономические светлые ночи

Наблюдаются, когда в истинную полночь солнцестояния астрономические сумерки. Это бывает на широтах от 48° 34'. В истинную полночь солнцестояния не видны невооружённым глазом слабые галактики и отдельные звёзды, хотя для обычного наблюдателя такое освещение неба, как правило, незаметно и даже малейшего признака рассвета не видно. Такие города, как Воронеж, Киев, Минск могут зафиксировать в полночь летнего солнцестояния только астрономические сумерки.

Астрономическая (или "южная") ночь

Наблюдается, когда в истинную полночь солнцестояния нет сумерек. Это бывает на широтах южнее 48° 34′. В это время нельзя увидеть или зафиксировать, даже в истинную полночь солнцестояния малейшее количество солнечного света. Можно наблюдать слабые астрономические объекты в течение всего года, что ценно для астрономов".

Если Солнце хотя бы в день летнего солнцестояния не успевает погрузиться под горизонт более чем на 18 градусов, полноценная астрономическая или как еще говорят, "южная" ночь может не наступить. Именно такие условия практически впритык получаются в дни близкие к 22 июня на широте Волгограда и Волжского. Хотя всё сильно зависит от состояния атмосферы. Вполне возможно, что в отдельные годы границу светлых ночей следует проводить не южнее 50° с. ш. А в отдельные годы... короче, привожу еще цитату из книги "Сумерки" Г. В. Розенберга (Физматгиз, 1963):

"...При погружении Солнца примерно на 14—15° под горизонт начинает сказываться уже собственное свечение высоких слоев атмосферы и свет звезд — освещенность постепенно приближается к ночной. Переход к ночи завершается обычно при глубине Солнца 17—19° под горизонтом, но иногда, при повышенной замутненности атмосферы, затягивается до 22—23°. При этом, как  правило, обнаруживается слабый минимум освещенности и яркости неба при погружении Солнца под горизонт на 20—23°. Таким образом, границы сумеречного периода сильно размыты и сдвигаются в зависимости от атмосферных условий".

Или как это процитировано в другом источнике:

"Переход к ночи совершается обычно при глубине погружения Солнца около 18°, но при значительном замутнении атмосферы конец астрономических сумерек затягивается до углов погружения 22-23°" (хотя есть строгое определение, что астрономические сумерки это период когда Солнце находится между 12 и 18° ниже линии горизонта, и все остальное нужно называть уже другими терминами)

Выходит, граница между астрономическими сумерками и астрономической ночью в 18 градусов скорее всего среднее арифметическое между значениями в 17 и 19°, при которых чаще всего исчезают последние следы сумерек. Обычно уже при 16,5 градусах, что соответствует 50 широте в местную полночь около летнего солнцестояния. Тем не менее возможен сдвиг границы и в южную сторону. Если допустить, что астрономические сумерки затянулись хотя бы до 19-20°, то южная ночь может запросто не наступить 22 июня в южном городе Ростове-на-Дону, где глубина погружения Солнца в астрономическую полночь около 19,5°. Если до 22-23°, тогда и в Краснодаре (!), а границей светлых и южных ночей вполне может стать широта Сочи, где Солнце в полночь 22 июня как раз находится в 23 градусах ниже горизонта, правда оттуда астрономические или вернее сказать, субастрономические сумерки точно не зафиксируют - северный горизонт закрывают горы.

Возникают вопросы:

1. Как часто бывает "повышенная замутненность атмосферы", при которой граница в 17-19 градусов сдвигается до больших значений? Думаю речь в книге идет о более заурядных случаях, а не о таких аномалиях как, например, при падении Тунгусского метеорита

2. Цитата: "При этом, как  правило, обнаруживается слабый минимум освещенности и яркости неба при погружении Солнца под горизонт на 20—23°". Как обнаруживается этот минимум освещенности, визуально как обычно при 17-18 градусах или с помощью специальных приборов?

3. Почему в Интернете так мало информации о возможности слияния зорь южнее обычной границы в 48°33'43" с. ш. Равно как и о возможности отсутствия непрерывных сумерек на этой широте в отдельные периоды.

[kup]

Здорово так все разъяснили! С удовольствием почитал. Но для себя заметил , что конечно в строгом смысле астрономическую ночь нужно ловить  в местах далеких от городов хотя бы на 30 км, желательно еще отгородившись горами и лесом. Таких мест в европейской части РФ сейчас мало. По факту,  даже в условно темных местах ( скажем в часе езды от мегаполисов) обязательно под боком будет либо населенный пункт вроде п.г.т , либо  либо деревушка. И вполне за астрономическую ночь можно считать погружение Солнца от -16.5  градусов, темнее не будет. Ну и конечно очень много зависит от прозрачности, наличия пыли , того же атмосферного свечения в верхних слоях и прочее....  Так что неистово молиться на отметку в -18 градусов не стоит. Хотя она конечно греет душу астронома.

[Эклипсоман]

При - 18 градусах полностью под горизонт прячется сумеречный сегмент заревого типа. Но синева присутствует еще некоторое время. По данным из книги "Что такое стратосфера", синева исчезает, когда Солнце погружается под горизонт на 30 градусов. То есть при этом положении, синий сегмент занимает столько же процентов от всего небосвода, сколько заревой сегмент при - 18°

В конце гражданских сумерек высота, на которой еще можно наблюдать Солнце, составляет 51 км в направлении на зенит и 12.7 в направлении на горизонт. В конце навигационных - 140 и 38 км, к концу астрономических - 325 и 76 км. К моменту погружения на 30 градусов в направлении на горизонт высота освященная прямыми солнечными лучами составит около 210-220 км.

Похоже надо вводить еще один тип сумерек после астрономических. При котором не бывает ощутимых помех для астронаблюдений, но простым глазом заметна синева части небосвода (при отсутствии засветки). На астрономическом интернет-ресурсе Барнаула непрерывные навигационные сумерки назвали "голубые ночи", получается в Краснодарском крае в июне наблюдаются "синие ночи". Безусловно, 30° это перебор. Еще за пять-восемь градусов до данной отметки синева будет пренебрежимо мала.

[xd]

Можно немного графических иллюстраций этого дела?

[Эклипсоман]

Да, надо бы попробовать зарисовать. У нас сейчас тучи в Старовеличковской каждый день, все никак не могу поделиться снимками сумеречного сегмента с отметкой точного времени на фото (купил цифровой фотоаппарат, появилась такая возможность).

Но в любом случае Вы правы: все что наблюдается при погружении от - 18 и ниже, никакого влияния на наблюдения дипскай-объектов и слабых звёзд не оказывает, поэтому называть это астрономическими сумерками нельзя (при нормальном состоянии атмосферы). Теряюсь в догадках, как бы по научному назвать, то, что описано в книге Святского "Что такое стратосфера", при положении Солнца между 18 и 30 градусах. И сумерки ли это?

В той книге еще высказывается мнение, что зодиакальный свет - ни что иное, как сумеречный эффект в самых высоких слоях стратосферы

[onwlad]

В той книге еще высказывается мнение, что зодиакальный свет - ни что иное, как сумеречный эффект в самых высоких слоях стратосферы

Это не так.  Книга, увы,  безнадежно  устарела.

А по поводу "синевы неба"...  Тут уже указывалось, что при уже нынешнем  уровне  светового загрязнения в крупных и мелких городах и поселках, включая Старовеличковскую,  это просто невозможно обнаружить. 
Более того, собственный опыт наблюдений в серых и синих по засветке зонах, говорит об отсутствии видимых глазом улучшении качества неба после начала астроночи (ниже 18 градусов).

[Эклипсоман]

Эх, вот эта цитата:

"Некоторые исследователи полагают. что и зодиакальный свет, принимаемый обычно за внешние области солнечной короны, на самом деле земного происхождения и объясняют его как сумеречный эффект в самых высоких слоях стратосферы."

Вот так сейчас у нас (45°26'17'' с. ш. время UTC +3):

Восход: 04:37
Полдень: 12:26 (макс. высота 67°59'54'')
Заход: 20:15

Глубина погружения светила в течение ночи:

20:18 - 1°
20:25 - 2°
20:32 - 3°
20:40 - 4°
20:47 - 5°
20:55 - 6°
21:03 - 7°
21:11 - 8°
21:19 - 9°
21:27 - 10°
21:36 - 11°
21:45 - 12°
21:55 - 13°
22:05 - 14°
22:16 - 15°
22:27 - 16°
22:40 - 17°
22:54 - 18°
23:11 - 19°
23:32 - 20°
00:08 - 21°

Астрономическая полночь: 00:27 (глубина погружения -21°07'45'')

00:45 - 21°
01:22 - 20°
01:42 - 19°
01:59 - 18°
02:13 - 17°
02:26 - 16°
02:37 - 15°
02:48 - 14°
02:58 - 13°
03:08 - 12°
03:17 - 11°
03:26 - 10°
03:34 - 9°
03:42 - 8°
03:51 - 7°
03:58 - 6°
04:06 - 5°
04:14 - 4°
04:21 - 3°
04:28 - 2°
04:35 - 1°

[Эклипсоман]

А по поводу "синевы неба"...  Тут уже указывалось, что при уже нынешнем  уровне  светового загрязнения в крупных и мелких городах и поселках, включая Старовеличковскую,  это просто невозможно обнаружить.
Более того, собственный опыт наблюдений в серых и синих по засветке зонах, говорит об отсутствии видимых глазом улучшении качества неба после начала астроночи (ниже 18 градусов).

Спасибо огромное! Наверное, повышенная замутненность атмосферы, при которой сумерки затягиваются до 20-23 градусов, все-таки достаточно редкое явление

[Ремвер]

если есть Белые ночи, то должны быть и Черные дни?то есть когда солнце невысоко и ненадолго  поднимается над горизонтом

Я с "чёрными днями" столкнулся, когда стал ездить на север Хабаровского края (60 с.ш.) Зимой, в обед идёшь по улице и видя оранжеватое солнце, не поймёшь - то ли оно ещё утреннее, то ли уже вечернее. Это уже не "целующиеся зори", а "целующиеся сумерки".

[xd]

Солнце сквозь пыль. Байконур, 2 мая 2012.
В EXIF есть вся информация.

[Эклипсоман]

Я с "чёрными днями" столкнулся, когда стал ездить на север Хабаровского края (60 с.ш.) Зимой, в обед идёшь по улице и видя оранжеватое солнце, не поймёшь - то ли оно ещё утреннее, то ли уже вечернее. Это уже не "целующиеся зори", а "целующиеся сумерки".

А ведь согласно книге Г. В. Розенберга, сумерки начинаются днём!

Цитата:

"...Но когда Солнце опускается до 5-10 над горизонтом, процесс убывания освещенности резко ускоряется. Наступление ускоренного убывания освещенности и следует считать началом сумерек."

Итак, к какому классу относить такие надгоризонтные сумерки: к гражданским или выделить отдельный класс?

Получается, примерно такая картина:

Надгоризонтные (дневные) сумерки - примерно от 5-10° до захода или от восхода до 5-10°

Гражданские сумерки - до -6° в среднем (максимум до -8)

Навигационные сумерки - до -12° в среднем (максимум до -13)

Астрономические сумерки - до -18° в среднем (минимум до -17°, максимум до -19°)

Ночные (субастрономические) сумерки - примерно от -18° до -23... -30°


Таким образом, условия схожие с гражданской полярной ночью в декабре фактически начинаются на более южных широтах, чем полярный круг. Сколько была максимальная глубина Солнца в самую белую ночь в июне, столько потом высота светила в полдень самого короткого дня 22 декабря. Поэтому, уже где-то от 56.5 широты такие тёмные дни наблюдаются (где высота не превышает 10°)

А на полюсе даже в разгар полярной ночи наблюдается астрономическая ночь с примесью ночных сумерек: при погружении Солнца на 23.5° это может быть заметно (при повышенной замутнённости атмосферы, ясной погоде и отсутствии засветки, которая вроде там отсутствует полностью)