Круглые пятна света под деревом часто представляют собой маленькие изображения Солнца. Узкие просветы между листьями работают как отверстия простейшей камеры: пропускают лучи на затенённую землю и проецируют солнечный диск. Поэтому пятно может быть округлым, даже если сам просвет треугольный или имеет неровные края.
Так происходит не с каждым светлым участком под кроной. Рядом с листьями рисунок освещения чаще повторяет очертания промежутков между ними. Но при подходящем размере отверстия и достаточном расстоянии до земли в рисунке начинает преобладать форма источника света. У дерева получается множество маленьких проекторов без линз и электричества.
Почему отверстие способно создавать изображение
Солнечный диск не является для нас одной светящейся точкой. Лучи приходят от разных участков его поверхности под немного разными углами. Отверстие ограничивает их пути: свет от одной части Солнца попадает преимущественно в одну область земли, от другой – в соседнюю.
Представим сначала очень маленький просвет. Пучок от верхнего края солнечного диска проходит через него и оказывается на нижней части светового пятна. Пучок от нижнего края приходит в верхнюю часть. Вместе множество таких направлений складывается в изображение источника, как в камере-обскуре.
На обычном круглом пятне перевёрнутость заметить трудно: диск остаётся диском при повороте. Но принцип тот же, что и у коробки с маленьким отверстием, на противоположной стенке которой видна перевёрнутая картина внешнего мира. Листья здесь образуют светонепроницаемый экран с естественными отверстиями.
Почему неровный просвет даёт круг
Реальное отверстие имеет ширину. Через разные его точки проходят похожие наборы лучей, поэтому на земле накладывается множество немного смещённых изображений Солнца. Из-за этого контуры пятна оказываются размытыми.
Если отверстие относительно небольшое, а земля находится достаточно далеко, смещение этих изображений невелико по сравнению с размером проекции солнечного диска. Тогда глаз видит прежде всего округлое пятно. Неровность самого просвета добавляет размытие, но не обязательно задаёт общую форму.
Если же зазор между листьями широкий, отдельные изображения сильно перекрываются со сдвигом. Получается большая освещённая область, в очертаниях которой заметнее форма самого зазора. Поэтому под одним деревом можно одновременно найти и круглые пятнышки, и вытянутые светлые полосы, и сложный узор тени.
Как влияет высота ветвей
Чем дальше поверхность от отверстия, тем крупнее становится изображение Солнца. Это геометрическое увеличение: лучи после прохождения через просвет расходятся по направлениям, заданным разными участками солнечного диска.
На земле под высокой кроной проекции поэтому могут выглядеть иначе, чем на ладони, поднесённой вплотную к листьям. На близком экране сильнее проявляется форма отверстия. При удалении экран получает более крупное изображение источника, хотя его резкость по-прежнему ограничена размером просвета.
Связанный вопрос – почему у тени бывают размытые края. В обоих случаях важно, что Солнце имеет видимый размер. Но у границы тени мы наблюдаем постепенное перекрытие источника препятствием, а внутри отдельного пятна – свет, отобранный отверстием.
Почему нельзя получить идеальную резкость
Кажется, что для чёткого изображения нужно сделать отверстие как можно меньше. До определённого предела это действительно уменьшает геометрическое размытие. Однако одновременно через него проходит меньше света, и картинка становится тусклее.
У совсем маленьких отверстий заметнее проявляется волновая природа света: дифракция тоже размывает изображение. Поэтому бесконечно уменьшать просвет ради идеальной чёткости нельзя. У естественной листвы дополнительно мешают движение веток, перекрытие лучей и неровная поверхность земли.
Для наблюдения бытового эффекта сложная оптика не нужна. В солнечный день достаточно посмотреть на затенённую дорожку под деревом. Особенно удобно замечать отдельные пятна на светлой ровной поверхности: там их контуры меньше теряются среди травы и комочков почвы.
Что происходит во время солнечного затмения
При частном солнечном затмении видимая освещённая часть Солнца меняет форму. Отверстия между листьями продолжают проецировать её на землю. Поэтому вместо привычных кружков могут появляться серпы или фигуры с заметной выемкой.
У каждого маленького просвета получается собственное изображение одного и того же частично закрытого Солнца. Из-за этого на дорожке бывает сразу множество похожих светлых серпов, повёрнутых одинаковым образом. Их различия связаны с размером отверстий, расстоянием до поверхности и наложением соседних пятен.
Именно затмение особенно наглядно показывает: перед нами не просто округлые дырочки в кроне. Форма небесного источника меняется, и множество пятен повторяет это изменение. При этом для обычного круглого рисунка никакого затмения не требуется – достаточно солнечного дня и подходящей листвы.
Почему это не увеличительное стекло
Просвет между листьями не собирает свет с большой площади в маленькую точку, как линза. Он лишь отсекает большую часть лучей и пропускает некоторые направления. Поэтому маленькое изображение Солнца под деревом не означает, что там возникла такая же концентрация энергии, как в фокусе лупы.
Яркость пятна объясняется также контрастом. Вокруг находится тень, а внутри на поверхность попадает прямой солнечный свет. Глаз хорошо замечает этот переход, даже когда сама освещённость пятна не превышает обычной освещённости открытого участка той же дорожки.
Наблюдать проекцию на земле можно, не глядя на Солнце. Смотреть же на него через отверстие, щель между пальцами или листву небезопасно: маленький просвет не является защитным фильтром для глаз. Причины этого подробно разобраны в статье почему нельзя смотреть на солнечное затмение без специальной защиты.
Таким образом, округлые солнечные пятна под кроной – результат отбора и пересечения лучей. Дерево не вырезает из света идеальные кружки: его листва при подходящих условиях помогает увидеть изображения самого солнечного диска.
