Яркость
Характеристика яркости
Яркость излучающей поверхности в астрономии и в физике определяется одинаково. Это понятие применимо только для протяженных (неточечных) источников, поскольку в ней присутствует площадь излучающей поверхности. Так как сила света убывает пропорционально квадрату расстояния до источника, а телесный угол, под которым видна проекция излучающей площадки, также убывает по тому же закону, то яркость источника не зависит от расстояния до него и в астрономии часто измеряется как поток с 1 кв. секунды дуги видимой поверхности источника или же как освещенность, создаваемую таким участком видимой поверхности источника.
Если попытаться дать определение яркости, то оно может звучать так:
Яркость – это фотометрическая величина, характеризующая излучательную способность протяжённых тел в данном направлении.
Яркость тела в данном направлении определяется энергией, излучаемой в единицу времени внутри единичного телесного угла элементом поверхности тела, проекция которого на плоскость, перпендикулярную выбранную направлению, имеет единичную площадь. За единицу яркости в Международной системе единиц (СИ) принят 1 кандела на квадратный метр – яркость поверхности, каждый квадратный метр которой излучает в перпендикулярном к ней направлении в пределах угла 1 стерадиан поток, равный 1 люмену. В астрономии яркость часто измеряется видимой звёздной величиной поверхности площадью в одну квадратную секунду дуги. Ранее в Международной системе единиц (СИ) за единицу яркости принимали 1 нит (1 нт=10кд/м2).
Для примера яркость ночного неба составляет около 21.6 квадратной секунды дуги, то есть около 2·10 -4 нт, яркость видимой поверхности Солнца сотавляет около 150000 квадратных секунд дуги (примерно 1,4 нт), а средняя яркость полной Луны - примерно 0.25 квадратных секунд дуги (около 2,3·10-6 нт).
Если подходить к определению яркости с точки зрения физического смысла, то можно дать следующее определение: Яркость поверхности – световой поток dФ, исходящий из площадки dS в рассматриваемом направлении, отнесенный у единице телесного угла и к единице видимой величины площадки, т. е. dScosq:
,
где dZ=dФ/dW – сила света площадки dS (рис. 1). Буква В снабжена индексом q, так как яркость зависит от угла q, под которым рассматривается площадка dS.
 |
Рис. 1
При рассмотрении полного светового потока, посылаемого единицей светящейся поверхности в одну сторону необходимо ввести такое понятие как светимость
Светимостью К называется полный световой поток, посылаемый единицей светящейся поверхности в одну сторону, т. е. в телесный угол W=2p. Единица измерения светимости в Международной системе единиц (СИ) такая же, что и единица освещенности, то есть люмен на квадратный метр (лм/м2). Так как световой поток с единицы поверхности в телесный угол dW равен dФ=Bq cosqdW, то
(1.15)
Для поверхностей, излучающих по закону Ламберта (т. е. поверхностная яркость не зависит от направления излучения), яркость Вq=В не зависит от угла q, поэтому
К=pВ
Так как световой поток, который в том числе характеризует яркость, прежде всего, воспринимается человеком посредством органов зрения, то есть глаз, то необходимо рассмотреть как он воспринимается человеком. При действии света на глаз возникает раздражение сетчатки. От сетчатки возбуждение передается в зрительный нерв и далее в мозг, вызывая ощущение света. Свойство зрительного ощущения, согласно которому предметы кажутся испускающими больше или меньше света, называется светлотой. Как мы уже знаем, на сетчатку попадают только определенные доли всей световой энергии, испускаемой предметами в окружающее пространство. Они выражаются величинами яркостей. Таким образом, интенсивность светового раздражения определяется величинами яркостей, а интенсивность светового ощущения — величинами светлот. Чем больше яркость, тем больше светлота. Поэтому можно сказать, что светлота есть мера ощущения яркости.
В повседневной жизни между понятиями яркости и светлоты часто не делают отчетливого различия, но при изучении зрительного восприятия света их необходимо четко различать. Яркость — объективная величина, ее можно измерить соответствующим прибором (как вы уже догадались, он называется яркометром). Светлота — величина субъективная, как и все ощущения. Например, лист белой бумаги на солнечном свету летом имеет яркость порядка 30000 нт, а при свете настольной лампы — порядка 10–30 нт. Однако никто не скажет, что один и тот же лист бумаги в одном случае более светлый, чем в другом. В числе ряда особенностей зрительного восприятия здесь проявляется его способность отделять характеристику освещения от характеристики освещаемого предмета. Это явление относится к разряду психологических, и, в частности, связано с памятью.
Из сказанного следует, что светлота не может быть непосредственно измерена и выражена абсолютными числами. Однако возможна количественная оценка, выражаемая словами: больше, меньше, равно, намного больше или меньше, едва различается. Причем этим выражениям можно вполне определенно сопоставить разности измеряемых яркостей. Таким образом можно изучить зависимость ощущения от раздражения.
В середине прошлого века немецкий физик Вильгельм Эдуард Вебер (1804–1891) ставил опыты для того, чтобы найти зависимость между величинами раздражения и ощущения. В 1851г. Вебер открыл закон, общий для всех органов чувств: и данная величина раздражения (яркость света, вес, сила звука, и др.) является мерой замечаемости его изменения.
Говоря проще, мерой чувственно воспринимаемых различий является не минимальная величина разности двух раздражений при данном уровне раздражения, а относительная величина, которая остается неизменной при изменении раздражения.