Какого цвета Луна?

Казалось бы, это не тема для дискуссий: давайте просто посмотрим на Луну и ответим на этот вопрос. Но не всё так просто. Вот вам 6 фотографий Луны, сделанных в разное время и в разных местах:

Цвет сильно отличается. Это можно бы было списать на разный стиль обработки фотографий и различные настройки баланса белого, но это не главное. Место съёмки тоже не играет большой роли.

Сейчас будет немного математики.

Начнём с дневной Луны. Видно, что её яркость не сильно превосходит фон неба, а цвет белый. Это довольно показательно, потому что на дневной фотографии довольно просто настроить баланс белого, так чтобы он верно передавал цвета. Далее нужно разобраться с тем, что такое белое и что такое чёрное. Идеально белых и идеально чёрных объектов не существует, это всё некоторые оттенки серого, и их несколько больше, чем 50. Например графические редакторы часто предлагают нам 256 оттенков. Чтобы получился серый цвет, значения R, G ,B должны быть одинаковыми, например (57,57,57). При значениях RGB=(0,0,0) будет чёрный, А при значениях (255,255,255) будет белый. Но ещё раз напомним, что в природе таких идеальных цветов не существует. Вот два круга, один почти белый, другой почти чёрный:

Если программно увеличить экспозицию, почти чёрный круг превратится в почти белый. Это примерно то, что наши глаза делают в условиях слабой освещённости:

Формально, Луна отражает менее 7% падающего на неё света (в астрономии это называется Альбедо). Это похоже на отражательные свойства свежеуложенного асфальта. Часто в быту мы его называем чёрным. Но можно провести эксперимент, при котором кусок асфальта мы подсветим ярким фонарём и расположим на фоне ночного неба, в таком случае он будет казаться почти белым. Это крайне аналогично тому, как мы ночью видим Луну, подсвеченную Солнцем.

Чтож, теперь мы можем воспринимать Луну, как серую поверхность, с очень малым коэффициентом отражения. Понятно, что она не точно поровну отражает красные, зелёные и синие лучи, да и вообще разные участки её поверхности имеют разную отражательную способность. Но об этом позже.

Теперь немного физики.

На некоторых снимках Луна жёлтая, или даже красная. Причины немного разные, но везде замешано рэлеевское рассеяние. Это потрясающая вещь!

Рассеяние света в среде действительно пропорционально (частоте)^4 или обратно пропорционально (длине волны)^4. Учитывая, что диапазон длин волн у нашего глаза примерно от 400 до 700 нанометров (7/4)^4 примерно равно 10, что очень заметно. Небо при этом не фиолетовое, по двум причинам, во первых в спектре Солнца фиолетового значительно меньше, чем синего, а во вторых наши глаза менее чувствительны к фиолетовому. На самом деле, это одна причина, почему напишите в комментариях=)

Но нас сейчас интересует обратная сторона Рэлея: если коротковолновое излучение стремится рассеяться, то длинноволновое стремится пройти сквозь среду. Поэтому при учёте поглощения в земной атмосфере, мы получаем жёлтую, или даже красную Луну, в зависимости от того, насколько она низко над горизонтом (фото #2 и #3). Зависимость от высоты довольно проста, чем ниже, тем больше слой атмосферы, который должен пройти свет. Так же вблизи горизонта, эта зависимость довольно крутая: сильно растёт при уменьшении высоты, поэтому при заходе Луна довольно быстро окрашивается от жёлтого к красному.

Теперь представим, что Луна прямо у горизонта, она довольно красная, но вообще-то можно сделать рэлеевское рассеяние ещё эффектнее, увеличив толщу земной атмосферы. Это доступно космонавтам, которые могут смотреть на Луну через в два раза большую толщу воздуха, чем человек на поверхности Земли.

А жителям Земли это доступно во время лунных затмений. Тут ситуация немного отличается: теперь уже небольшая часть солнечного света проходит через толщу земной атмосферы, преломляется, рэлеевски рассеивается, и попадает на Луну, поэтому во время затмения Луна не чёрная, не серая, а красная, как на фото #4.

Интересно, что краснота и яркость Луны во время затмений сильно зависит от состояния нашей атмосферы. Например, после сильных вулканических извержений пыль в верхних слоях атмосферы остаётся взвешена долгое время, из-за этого рассеяние растёт, а прозрачность атмосферы падает.

Предпоследнее, что мы хотим описать в этой статье — пепельный свет Луны, как на фото #5. При малой фазе мы видим не только освещённую солнцем часть Луны, но и ту, которая, казалось бы, должна быть невидимой, потому что сама Луна, конечно же, не светится. Тут дело в том, что Луну освещает не только Солнце, но и свет, отражённый от Земли. Если бы мы оказались на поверхности Луны, то могли бы наблюдать Землю почти в 100 раз ярче, чем видна Луна на нашем небе, так что она неплохо так подсвечивает ту часть Луны, которая не освещена Солнцем. Пепельный свет выглядит более синим, чем освещённая солнцем часть Луны, и это нормально. Во первых, на него накладывается цвет неба, которое всегда не идеально тёмное, когда мы наблюдаем Луну в такой фазе, а во вторых, сама Земля отражает синий лучше, чем остальные цвета (все же видели снимки Земли из космоса?)

А последнее, что хотим сказать, наш глаз далеко не совершенен, если в обычных условиях мы видим Луну серой, это не значит что она правда такая. Разные участки лунной поверхности имеют разную геологическую историю и немного различный состав. При правильной обработке изображения можно получить вот такую красоту:

И это не искусственные цвета, а вполне натуральные, но усиленные.

Всем красивой Луны!