Телевизионные кадры полета над Луной, переданные японским зондом Kaguya. JAXA
Обладая информацией о том, какие объективы использовались в каждом выходе, и сравнивая фотографии Земли с этих выходов, можно легко определить, через какой объектив получен тот или иной снимок. В следующей главе мы рассмотрим их подробнее.
Почему на фотографиях с Луны земля такая маленькая?
КРАТКИЙ ОТВЕТ: При фотосъемке с Луны Земля получается маленькой при использовании короткофокусных широкоугольных объективов.
На некоторых кадрах с Луны размер нашей планеты совсем маленький, хотя, казалось бы, она должна быть больше видимой Луны для земных обитателей. Линейный диаметр Земли больше лунного примерно в 3,67 раза, соответственно, настолько же ее видимый угловой размер больше на лунном небе. Почему же на снимках это не всегда видно?
Как мы уже знаем, размер объектов на фотографиях меняется в зависимости от использованного объектива, его фокусного расстояния и угла обзора. Зная характеристики объективов, которыми велась съемка, мы всегда можем определить, каков угловой размер наблюдаемого объекта – в нашем случае Земли – и соответствует ли он реальному размеру.
Видимый размер Луны с Земли в среднем равен 0,5 градуса, но может меняться на 7 % в меньшую или бóльшую сторону из-за вытянутой орбиты Луны. Умножив этот средний показатель на разницу между фактическими размерами Луны и Земли, т. е. на 3,67, мы узнаем, какой средний видимый размер Земли будет на лунном небе:
0,5 × 3,67 = 1,84 градуса.
Теперь осталось уточнить, какие объективы использовались на окололунной орбите и на Луне астронавтами Apollo. На камерах Hasselblad 500EL, которые участвовали в полете Apollo 11, размещались объективы Zeiss Sonnar f-5.6/250 мм, Zeiss Planar f-2.8/80 мм и Zeiss Biogon f/5.6–60 мм. Последний, самый короткофокусный, использовался для съемки на Луне во время выхода астронавтов.
Теперь сравним снимки с учетом характеристик объективов. Прежде всего нас интересует угол обзора объектива, который оказывается в кадре. Зная угол обзора объектива, несложно определить и угловой размер наблюдаемой планеты. Характеристики объективов можно узнать на сайте производителя – компании Zeiss. Все данные сведены в таблицу.
Как видим, угловой размер Земли на кадрах астронавтов Apollo 11 очень близок расчетному среднему значению (1,84 градуса), т. е. практически полностью соответствует тому, что действительно видно с Луны. Однако заметна и разница, которая вызвана эллиптической (вытянутой) орбитой Луны. В момент выхода на окололунную орбиту Apollo 11 расстояние от Земли до Луны составляло около 396 000 км (по данным программы Stellarium), т. е. превышало среднее расстояние на 12 000 км. Изменение видимого углового диаметра Земли на 0,01 градуса происходило при изменении расстояния между космическими телами примерно на 2 000 км. В эти дни Луна приближалась к Земле со скоростью примерно 4 000 км в сутки, соответственно, мы можем определить, что интервал между кадрами составляет примерно одни земные сутки.
Почему на снимках с луны вокруг солнца виден ореол как от рассеяния света в атмосфере?
КРАТКИЙ ОТВЕТ: Солнечный свет незначительно рассеивается пылью в лунной атмосфере, но, вероятнее всего, на снимках астронавтов Apollo этот эффект не виден, а причина ореола – в оптике лунных камер.
В ходе лунных экспедиций в обязанности астронавтов входила панорамная фотосъемка местности. С каждой высадкой число таких панорам росло, и на некоторых снимках в кадр попадало Солнце. Как оказалось, солнце в съемке лунных астронавтов отличается от того солнца, что снимали во время околоземных полетов кораблей Gemini («Джемини») во второй половине 1960-х годов или снимают с современной Международной космической станции. «Лунное солнце» окружено характерным ореолом, тогда как у «орбитального солнца» он отсутствует. Подобное явление вызывает ощущение, что лунная съемка проводилась в среде, где есть рассеяние света, например в атмосфере.
Чтобы разобраться в причинах появления ореола вокруг «лунного солнца», необходимо учесть технические различия между съемкой из космоса и с поверхности, а также особенности лунных условий.
Солнце, снятое с Луны экипажем Apollo 17 (слева) и с околоземной орбиты экипажем Gemini 6 (справа). NASA
Модель Hasselblad Data Camera с поляризационным фильтром (слева) и без него. Hasselblad, NASA
В программе Apollo во время выходов на поверхность использовалась специально подготовленная Hasselblad Data Camera с объективом Zeiss Biogon f/5.6–60 мм. Эта камера редко использовалась для съемки с орбиты. Если же ознакомиться с техническим описанием камеры на сайте NASA, то встречается упоминание поляризационного фильтра, который мог применяться астронавтами. Может ли такой фильтр привести к возникновению подобного эффекта на снимках?
Фотографы используют поляризационные фильтры как раз с целью избавления от лишних бликов, но такие фильтры требуют дополнительной работы, поскольку их эффективность зависит от положения относительно источника света. Видимо, поэтому такие фильтры не пользовались популярностью у астронавтов – на Луне у них работы хватало и без этого. На многочисленных снимках с поверхности, где видны камеры в руках командира и пилота лунного модуля, не наблюдается фильтров на объективах.
Если поляризационные фильтры были необязательным атрибутом, то другая модификация камеры, способная влиять на качество съемки, была на всех экземплярах Hasselblad Data Camera Apollo. Это так называемая пластина Réseau (от французского «сетка»), благодаря которой на всех снимках с поверхности Луны видны характерные черные крестики. Для ученых такие метки (их называют «фидуциальные маркеры» или «опорные точки») важны как средство определения ошибок в размещении пленки в фотокамере или ошибок сканирования пленки. Если на итоговом изображении расстояние между метками везде равное, значит, печать прошла без ошибок. Для остальных же эти крестики просто любопытная деталь изображения, сохраняющая романтику лунных экспедиций на заре космонавтики.
Лунные камеры Hasselblad без поляризационных фильтров в руках астронавтов разных экипажей Apollo. NASA
Чтобы создать такую сетку на всех снимках, в камеры устанавливалось дополнительное стекло, на которое и были нанесены эти крестики. Стекло практически прижималось к пленке, поэтому кроме опорных крестиков на него наносили электропроводящее покрытие, чтобы пленка от трения в вакууме не электризовалась и возникающие искры не засветили ценные кадры. Судя по обычным лунным кадрам, стекло и покрытие никаким образом не снижали качество изображений. Однако избыток яркого солнечного света мог привести к дополнительному рассеянию на стекле и его покрытии.
К сожалению, пока мы не имеем возможности перепроверить гипотезу о влиянии пластины Réseau или объектива Zeiss Biogon на фотографии Солнца с Луны. В орбитальных полетах эти камеры Солнце не снимали, а с Луны больше никто, кроме астронавтов Apollo, не фотографировал его. На современных китайских снимках автоматических станций можно найти лишь единичную панорамную серию с Солнцем в кадре, но там слишком сильная засветка, чтобы сказать однозначно, виден ореол или нет.
Съемка эффекта свечения лунного горизонта (Lunar Horizon Glow) автоматическими станциями Surveyour. NASA
Хотя возможна и сугубо лунная причина появления такого эффекта – окружающая среда. Даже если сравнивать с условиями на Земле, газовая атмосфера нашей планеты сама по себе не создает подобных ореолов вокруг Солнца и Луны. И для них существует специальный термин – «галó». Земное гало – это атмосферное явление, возникающее, когда солнечный свет проходит через тонкие облака мельчайших кристаллов льда на высоте 5–10 км. Шестиугольная структура кристалла воды приводит к тому, что земное гало имеет угловой диаметр 22 градуса, а на снимках астронавтов Apollo солнечный ореол имеет диаметр примерно 24,5 градуса.
Хотя привычной для людей атмосферы у Луны нет, но она не окружена абсолютным вакуумом. Впервые этот факт смогли подтвердить в ходе программы автоматических станций NASA Surveyor. Оказалось, что на границе между освещенной и теневой сторонами Луны, если смотреть из тени, наблюдается свечение над горизонтом.
Подобное явление описывали и астронавты из экспедиций Apollo 15 и Apollo 17. Впоследствии красивый снимок свечения лунного горизонта удалось сделать при помощи звездного датчика лунного зонда NASA Clementine в 1990-е годы.
Ночная сторона Луны, звезды и Венера в съемке автоматической межпланетной станции Clementine. NASA
Свечение лунного неба регистрировалось и советскими «Луноходами». Этот эффект вызван мелкими пылевыми частицами, которые находятся в окололунном пространстве и рассеивают солнечный свет.
Сегодня ученые рассматривают несколько гипотез о причинах таких «пылевых бурь». Малый зонд LADEE NASA в 2014 году обнаружил, что удары микрометеоритов и межпланетной пыли о поверхность Луны способны поднимать асимметричные облака сильно разреженной пыли вокруг естественного спутника Земли. А в наземных экспериментах ученые подтвердили возможность электризации и перемещения лунной пыли под действием солнечного ультрафиолетового излучения и солнечного ветра.
Эффект гало вокруг отражения солнечного света от теплоизоляции лунного модуля Apollo 11. NASA
Любопытно, что Солнце в кадрах экспедиций Apollo оказывалось только в момент более низкого положения к горизонту. Позже оно поднималось выше, и на панорамы попадали только лучи боковой засветки. Именно в таком, близком к горизонту положении светила, когда лучи проходят наибольший путь вдоль поверхности, лунная пыль способна оказать наибольший рассеивающий эффект. Если бы кому-то из астронавтов перед взлетом с Луны удалось снять солнечный диск, то мы могли бы срав