Question

Почему с МКС не видно самолетов в небе?

Answer 1

МКС летает сейчас на высоте 409 км от поверхности Земли, авиалайнеры - на высоте 10 км.

Итого между ними примерно 400 км. Видимый угловой размер того же Боинга (длина 40 м, размах крыльев 35) со станции по расчетам простой школьной геометрии не превысит 20 градусных секунд (0°0'20").

Известно, что

Таким образом, видимый размер крупнофюзеляжного авиалайнера с МКС в 3 раза мельче предельного углового разрешения глаза, и увидеть космонавты поэтому самолеты с орбиты не могут.

Разве только как точку, освещенную солнцем на фоне водной поверхности, например.

Хороший бинокль или телескоп с многократным увеличением (больше х10 ) на МКС в принципе может решить эту задачу.

Или хороший фото или телеобъектив: вот, например, снимок самолета с конденсационным следом, сделанный космонавтом Сергеем Рязанским с помощью хорошей увеличивающей фотооптики. Тем не менее, самолет виден только как маленький силуэт.

Answer 2

А почему, собсно, её должно быть видно? МКС в это смысле ничем не отличается от всех прочих объектов, которые видно на ночном небе. Вы ж не удивляетесь, что звёзд днём тоже не видно, да?

Поэтому для объяснения будем действовать методом индукции и пойдём от общего к частному. Почему вообще днём не видно звёзд, даже ярких.

Потому что свет имеет квантовую природу.

То, каким небо видно с самолёта, мало отличается от такового же вида с земли. Мы видим воздух. Атмосферу. Свет, рассеянный атмосферой (что нами и воспринимается как "синее небо"). И это свет довольно яркий.

А яркий свет шумит.

Синий цвет неба и сам-то по себе вызван хаотическим движением молекул воздуха, но даже если у нас идеальные лабораторные условия, строго постоянный источник света и просто лист белой бумаги вместо неба - свет всё равно будет шуметь. Сколько фотонов приходит в вот эту палочку или колбочку глаза от вот этого участка белого экрана или синего неба есть величина случайная и описываемая распределением Пуассона: шум света пропорционален квадратному корню из его интенсивности (замечу, что ровно этот эффект ограничивает и динамический диапазон снимков на камеру; не самих камер, а снимков - это немного разные параметры). Это явление называется фотонным шумом, и вызывается оно квантовой природой света.

Меж тем любой объект заметен на фоне м-м... на фоне фона (можно так сказать?) только если он не забит шумами. Попробуйте различить точку на листе бумаги, если на него насыпать песок... Конечно, отчасти в этой задачке помогает инерционность зрения и неподвижность точки (фотонный шум в аналогии с песком на листе бумаги эквивалентен тому, что песчинки дёргаются туда-сюда, а вот точка - она неподвижна). Поэтому длительная выдержка для камеры с неограниченной величиной максимального сигнала помогла бы найти МКС и на фоне неба - но "выдержка" глаза какая есть, такая и есть. И в реальных условиях наблюдения яркость МКС или даже Венеры куда меньше фотонного шума, соответствующего яркости дневного неба. Поэтому такие объекты днём и не видны.

Это очень важный момент чисто с точки зрения физики: слабые объекты не видны на ярком фоне не просто потому, что они слишком слабые по сравнению с фоном, а потому, что их яркость много меньше шумовых флуктуаций фона.

А вот ночью, когда собственная яркость неба почти нулевая, почти нулевым оказывается и связанный с ней фотонный шум. Поэтому видна не только МКС, но даже и звёзды шестой величины...