Приложение 1. Астрономия для художников: фазы Луны

Лунная ночь Иван Николаевич Крамской

Художники любят изображать Луну и с этим обычно проблем не возникает. Но вот нарисовать правильно месяц уже не так просто. Во всяком случае если работа идет не с натуры или с фотографии. Потому что надо учитывать не только его положение на небе, но и ширину яркой области, а также разворот рогов. Здесь многое зависит от взаимного расположения Луны и Земли относительно Солнца в данный конкретный момент, а также от места наблюдателя на Земле.

Представить всю эту механику и грамотно переложить ее на холст довольно сложно. Потому что:

• Земля вращается вокруг своей оси сменяя дни и ночи.
• Земная ось колеблется подобно оси детского волчка (прецессия) сменяя времена года.
• Луна вращается вокруг Земли.
• Земля и Луна вместе вращаются вокруг Солнца.
• Орбиты Земли и Луны не круговые, а эллиптические.
• Плоскость орбиты Луны имеет наклон относительно эклиптики.
• Все эти вращения никак не синхронизированы.
• И все это вместе освещается Солнцем.

Хотя учет перечисленных физических процессов позволил бы художнику избежать грубых ошибок, кажется невозможным установить здесь какие-то закономерности потому что и Земля, и Луна движутся вокруг Солнца по очень сложным траекториям. Действительно, потребовались тысячи лет пока стало более-менее ясно, что на самом деле происходит. Попробуем и мы приблизиться к пониманию. Как оказалось все достаточно просто.

Для наблюдателя на Земле Солнце и Луна всегда проплывают по небу с востока на запад. При этом они описывают плавные выпуклые вверх дуги. В разное время года траектория Солнца может проходить выше траектории Луны или наоборот - Луна проходит выше Солнца. Но независимо от этого Луна движется немного медленнее, чем Солнце. И это почти все, что нужно знать художнику. Остальное можно вывести путем логических рассуждений.

Лунный месяц начинается с новолуния, т.е. с момента, когда Луна находится между Землей и Солнцем. При этом освещена ее обратная сторона, а та, которая обращена к нам - темная. Поэтому мы не видим Луну независимо от того, произошло это ночью или днем.

Да, новолуние может произойти в любое время суток, если иметь в виду какое-либо конкретное место на Земле. Длительность лунного месяца составляет примерно 29,5 дней, что отличается от длительности любого календарного месяца. Момент начала, а следовательно и окончания лунного месяца можно точно рассчитать. Этот момент может выпасть на любой день календаря и на любое время суток - на утро, день, вечер или ночь (т.е. за горизонтом). Поскольку в момент новолуния Луна визуально должна быть рядом с Солнцем, то она в любом случае не видна.

Хотя есть одно исключение. Для наблюдателя на Земле траектория движения Луны по небу обычно отстоит довольно далеко от траектории движения Солнца. Но иногда обе траектории почти совпадают и этот особый случай приводит к солнечному затмению. Луна полностью или частично закрывает собой солнечный диск и это тот редкий случай, когда мы ее видим днем, а не ночью.

Предупреждение: Яркость Солнца настолько велика, что оно способно мгновенно выжечь сетчатку глаза, что приведет к полной слепоте. Поэтому смотреть на Солнце, даже при полном, а тем более при частичном солнечном затмении можно только через очень темное стекло. И при этом не использовать никакие оптические приборы типа биноклей, подзорных труб или телескопов. На ясное Солнце смотреть еще опаснее. Оптические наблюдения за Солнцем - задача для профессиональных астрономов.

Итак, начался новый лунный месяц. Важно понимать, что Земля вращается вокруг своей оси намного быстрее, чем Луна вращается вокруг Земли. Луна медленно плывет по своей орбите вокруг Земли. А Земля в это время очень быстро вращается вокруг своей оси сменяя дни и ночи - 29,5 раз за полный оборот Луны. Это значит, что вид Луны с Земли практически не меняется в течение одних суток. Если лунный серп появился вечером на востоке, то он таким и проплывет по небу за ночь на запад. Но конечно на следующую ночь он будет уже немного другим.

То, куда направлены рога месяца, совершенно ясно любому, кто хоть раз пробовал нарисовать освещенную сбоку сферу. Они всегда направлены в противоположную от Солнца сторону. Это становится особенно важно, если на картине требуется изобразить одновременно и Солнце, и Луну. Такое бывает в реальности и может создавать необычное, двойное и возможно интересное для художника освещение объектов.

Все эти эволюции иллюстрирует приведенное ниже видео. Оно сделано с помощью компьютерной программы-планетария Stellarium. Получилась симуляция движения Солнца и Луны за один полный лунный месяц - как видит это наблюдатель на Земле. Время здесь ускорено, поэтому видео длится чуть больше 4 минут. Если оно по каким-либо причинам не воспроизводится в браузере, то его можно скачать ("Сохранить объект как...") и посмотреть в любом плеере. Размер файла 17,8 Мб.

К сожалению кроме Луны и Солнца на видео есть и "лишние" объекты - на ночном небе присутствуют две планеты (Сатурн и Юпитер), от которых не удалось избавиться несмотря на то, что в данном случае они не нужны. Также видно, что визуально размеры и Луны, и Солнца изменяются при движении по небу - в зените они становятся больше, чем у горизонта, что конечно неправильно. Из-за несовершенства программы Луна почти не окрашена даже в полнолуние несмотря на то, что освещена Солнцем, которое вообще-то является желтой звездой. Тем не менее видео дает представление об изменении формы и о положении серпа Луны в течение лунного месяца.

Ниже - небольшое объяснение того, что получилось.

Итак, в новолуние Луна не видна. Но и в первые дни нового лунного месяца она тоже практически не видна потому что визуально находится рядом с Солнцем, которое маскирует ее своим сиянием. Каждый день Луна немного отстает от Солнца, примерно на 49 минут. Поэтому для наблюдателя на Земле Солнце в начале лунного месяца восходит несколько раньше, чем Луна. Каждый день эта разница увеличивается. Наконец через несколько дней после новолуния Луна достаточно отстала от Солнца (смещена от него к востоку) и уже может быть видна если Солнце ее не затмевает. В это время рано утром мы можем увидеть одновременно и Солнце, и довольно близко к горизонту растущую Луну, которая имеет форму тонкого месяца. При этом его рога, как и положено, обращены в противоположную от Солнца сторону. В средних широтах Северного полушария рога развернуты чуть влево (к востоку). И слегка вниз (к югу) потому что, как уже отмечалось выше, оба небесных тела для наблюдателя на Земле описывают в течение дня выпуклую вверх дугу с востока на запад и в данном случае траектория Солнца проходит выше траектории Луны. В другом лунном месяце, возможно зимой, при низком Солнце, рога месяца будут развернуты слегка вверх.

Днем Солнце набирает силу и Луна, которая следует за ним пока еще на небольшом расстоянии, становится не видна.

Вечером, сразу после захода Солнца, Луна снова ненадолго появляется над горизонтом, но уже на западе. Это тот же тонкий лунный серп, но теперь его рога развернуты чуть влево и слегка вверх. Такое можно видеть довольно часто.

В последующие дни лунного месяца видим все увеличивающийся серп Луны. А в середине лунного месяца наступает полнолуние - Луна видна как яркий правильный диск потому что находится с противоположной от Солнца стороны по отношению к Земле. Ночные пейзажи с полной Луной и ее загадочным светом на воде или деревьях всегда были и остаются любимы художниками.

В последние дни лунного месяца, то есть за несколько дней до новолуния, Луна настолько отстала от Солнца, что находится уже с другой стороны от него. Теперь она восходит раньше Солнца. Поэтому перед утренней зарей на востоке в еще темном небе виден тонкий серп старой Луны. В Северном полушарии он смотрит рогами вправо.

Если бы траектория Солнца по-прежнему проходила выше траектории Луны, то рога месяца были бы развернуты слегка вниз. Но на представленном видео они повернуты немного вверх. Это произошло потому, что траектория Солнца теперь почти совпадает с траекторией Луны. И мы даже наблюдаем частичное солнечное затмение. Хорошо видно, что в последний день лунного месяца Луна "откусила" кусочек от Солнца.

Вечером, перед заходом Солнца, Луна может быть еще видна на западе, близко к горизонту. В такое время можно увидеть на небе одновременно и Луну, и Солнце. Тонкий серп старой Луны в Северном полушарии смотрит рогами чуть вправо и слегка вниз.

Как уже отмечалось, возможна ситуация, когда траектория Солнца проходит ниже траектории Луны. Это приведет к тому, что рога будут направлены не совсем так как в видео. Но логика остается той же. Можно также добавить, что бывают периоды, когда Луна всю ночь остается за горизонтом и поэтому не появляется на небе совсем (а днем ее разумеется не видно).

В Южном полушарии картина зеркальная. В частности, восток будет справа, а запад - слева. Но и Луна, и Солнце все равно будут двигаться с востока на запад - справа налево.

А вот если наблюдатель находится вблизи экватора, то рога смотрят почти точно вниз (арка) или почти точно вверх (лодочка на водной глади). Такой месяц можно изобразить над пальмами, но не над кедрами Сибирской тайги.

Луна на экваторе.

Получается, что вид лунного серпа на картине подчиняется определенным закономерностям и его не следует изображать произвольно. Мало того, он даже может подсказать зрителю то, какая фаза лунного месяца, какое время суток и даже какое время года изображены на картине. Если известно место наблюдения на Земле, хотя бы приблизительно. Конечно все это неточно и вполне допускает различные толкования. Зато даже такое минимальное знание небесной механики позволит избежать явных несуразностей, которые порой встречаются не только на новогодних открытках и постерах, но и во вполне профессионально сделанных картинах.

Напоследок - еще несколько "лунных" эффектов.

	Пепельный свет Луны - это освещение ее солнечным светом, отраженным от Земли. Фактически это космических масштабов рефлекс, который создает освещенная Солнцем Земля. Такое иногда можно наблюдать через один-пять дней после новолуния (молодая Луна на утреннем небе) или за один-пять дней до новолуния (старая Луна на вечернем небе). Конечно Солнце в это время должно быть экранировано чтобы не затмевать Луну. Например низкое зимнее Солнце может находится ниже горизонта. В этом случае будет видна вся поверхность Луны, которая обращена к Земле. Она имеет специфический цвет, который окрестили пепельным. Иногда говорят про свечение да Винчи. И только совсем тоненький полумесяц в виде ярко-желтого узкого серпа освещается Солнцем. В данном случае мы наблюдаем необычный тип освещения. Солнце подсвечивает Луну сзади и немного сбоку, а рефлекс от Земли - фронтально. Интересно, что "пепельная" луна видна уже не в виде диска, а как сфера. Часто она выглядит как висящий в небе шарик из местами прозрачных облаков.
	Кровавая Луна. Никаких ужасов в этом явлении нет. И Луна здесь ни при чем. Мы часто наблюдаем этот эффект на восходе или закате, когда небо и облака становятся желто-розово-пурпурными - как получится. Просто лучи Солнца, проходя через атмосферу Земли, окрашиваются в желтовато-красный или даже в красновато-коричневый цвет. Атмосфера Земли в данном случае работает как красный светофильтр. Если система Солнце-Земля-Луна выстраивается в одну линию, то Луна оказывается в тени Земли и освещается только теми лучами Солнца, которые проходят сквозь нашу атмосферу. Это - лунное затмение. Луна при этом не такая яркая как обычно, но зато она приобретает красноватый и несколько зловещий оттенок. Особенно впечатляющим это зрелище бывает когда затмение Луны совпадает с полнолунием. Кажется это происходит дважды в год. Похожий эффект для Луны (и независимо от ее фазы) может вызывать наличие в атмосфере Земли большого количества взвешенных частиц, например, пыли. Луна при этом должна быть видна низко над горизонтом,
	Суперлуние. Луна движется вокруг Земли не по круговой орбите, а по эллиптической. Поэтому существует минимальное расстояние до нее - перигей. Когда момент прохождения Луной перигея совпадает с полнолунием, мы наблюдаем необычно большой диск Луны - суперлуну. Это не оптическая иллюзия, а реальность. Таких фотографий много в Интернете. Чтобы получить изображение суперлуны совсем не обязательно ждать суперлуния. Фотографы с успехом используют длиннофокусные телеобъективы, а художникам достаточно кисточки.

Понимание закономерностей, которые управляют процессами очень помогает. И не только в случае с фазами Луны, а на самом деле - всегда. К тому же бывает очень интересно разобраться почему что-то происходит так, а не иначе. Но конечно не стОит ограничиваться только теорией. Не менее занимательно наблюдать и запоминать. Оба подхода вместе практически всегда дают хорошие результаты - позволяют достойно изображать существующую или выдуманную реальность, в чем и состоит цель художника.