冲日浪

✍ dations ◷ 2025-08-03 06:20:57 #天文现象,月球科学,光学现象,观测天文学,辐射度学,散射、吸收和辐射转移 (光学)

冲日浪(opposition surge,有时称为冲日效应、冲日尖峰或西利格效应)是当照明直接来自观测者的后方,而在粗糙的表面,或有许多颗粒物体产生的亮光。这个名词广泛的应用在天文学,一般是指天体,如行星、月球或彗星,在观测时的相位角接近零时,亮度突然明显增加的现象。它会如此命名是因为在冲时月球和火星反射的光,比简单的朗伯反射率所预测的亮度出现显著的增加。对这种观测的现象提出了两种物理机制:阴影的隐匿性和相干的反向散射。

相位角的定义是观测者观察的天体和光源之间的角度。在太阳系中,光源是太阳,观测者是坐落在地球上。在相位角为0时,太阳是在观测者的后方,而被观测的天体在前方,因此向着地球的这一面完全被照亮着。

天体的亮度与相位角的关系,当与太阳的相位角迅速地降低,而天体的亮度会急遽的增加。这主要的原因是受光的面积增加,但也有一部分是因为阳光照射部分的内在亮度,影响这个因素的是来自被观测天体反射阳光的角度。因此,可见的被照亮区域确实只有两倍大,但满月光度超过上弦月或下弦月的两倍。

当反射角接近光线击中物体表面的角度时(从观测者的角度看,即当太阳和物体接近冲的位置),通常这个物体的内在亮度是接近其最大值。在相位角是0度时,物体被充分的照明,所有的阴影都会消失。而当相位角趋近于0时,表观亮度还会突然增加,这突然增加的亮度就称为冲日浪。

这种效应在太阳系天体没有大气的风化层表面上特别明显,主要原因是被照明的表面充满了小孔和坑洞,当观察者与光源几乎在同一条线上时,在其它入射角时的阴影处会被照亮。这种效应只有在相位角接近0的很小的范围内才看得见。当对物体的反射性质已进行过定量研究,详细的冲日效应 -其强度和角度- 可以由两个哈普克参数描述。在行星环(例如土星环),冲日浪是肇因于环上粒子的阴影覆盖。这是雨果·冯·泽利格在1887年率先提出的解释。

冲日浪亮度增加的另一个理论是相干散射。在相干散射,如果散射体表面的尺度相当于光的波长,而散射粒子间的距离大于一个波长,反射光会在很窄的角度被增强。亮度的增加是因为所发出的反射光连贯的结合。

相干散射的现象也已经用雷达观测到。特别是,最近卡西尼-惠更斯号使用2.2公分的雷达观测泰坦显示,需要相干散射效应来解释雷达波长的高反照率。

汤姆·格雷尔斯在1956年研究来自一颗小行星的反射光时就描述了冲日浪的存在。格雷尔斯后来的研究显示月球的亮度也有相同的效果。他创造了冲日效应("opposition effect")这个名词描述此一现象,但更直观的冲日浪("opposition surge")现在被更广泛的使用。

自格雷尔斯的研究开始,就注意到冲日浪只出现在没有大气层的太阳系天体,对有大气层的天体则没有这种亮度激增的报告。

在月球,B. J. Buratti 建议在相位角4°和0°之间,亮度增加了40%。这种增加大部分来自表面粗糙的月球高地,而非对平滑的月海。对于这种现象的主要机制,测量显示与波长的依赖性很小:涌浪的3-4%在0.41μm,然后是1.00 μm。此一结果显示冲日浪的主要原因是阴影隐藏而不是相干散射。

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