Исследования планетных атмосфер

После завершения подготовительных исследований, связанных с проведением лабораторных экспериментов, астрономических и метеорологических наблюдений и теоретических размышлений, петербургские ученые приступили к непосредственным поискам атмосфер небесных тел. Первая работа, носившая подчеркнуто астрофизический характер, была опубликована в журнале «Примечания на ведомости» за 1729 г. и, по-видимому, принадлежала Делилю. Она называлась «О совокуплении Венеры с Луною» [139, 1729, ч. 78, с. 313—316]. Эта небольшая заметка сыграла важную роль в развитии проблемы поиска планетных атмосфер, которая отныне стала в Петербурге традиционной.

Сообщив об удачных наблюдениях покрытия Венеры Луной, проходивших при особо благоприятных условиях, и изложив суть явления, а также методы его наблюдения, автор подчеркнул, что петербургские астрономы использовали явление покрытия Венеры Луной не для астрометрических целей, как это делалось обычно, а для решения вопроса о наличии атмосферы на Луне.

В статье подробно освещалась история вопроса, поставленного еще Кеплером, допускавшим существование атмосферы на Луне. Автор рассказал о Гевелии, «который не токмо Луне, но и всем протчим планетам парный круг (атмосферу, — Н.Н.) приписует» [139, 1729, ч. 78, с. 315], о Гюйгенсе и других противниках этой точки зрения. Весьма детально описана и парижская дискуссия 1715—1717 гг., о которой говорилось выше. Отсутствие в 1729 г. цветовых эффектов при покрытии Венеры Луной свидетельствовало об отсутствии атмосферы на Луне.

Удобный случай для выяснения вопроса атмосферы Луны представился при наблюдении кольцеобразного солнечного затмения 25 июля 1748 г. Делиль, находившийся тогда уже в Париже, составил детальную инструкцию для таких наблюдений. Она была включена в его «Обращение к астрономам» [203], которое он разослал по разным странам мира. Петербургская Академия одна из первых получила такое обращение.

Для проведения ожидавшихся наблюдений кольцеобразного затмения была спешно восстановлена пострадавшая при пожаре 1747 г. обсерватория. Наблюдения проводились весьма торжественно, в присутствии президента. В них участвовали Попов, Браун и Ломоносов. Русские наблюдатели пришли к выводу о том, что на Луне атмосферы нет, так как расширения яркого кольца замечено не было.

В наблюдениях кольцеобразного затмения в разных странах участвовало много добровольцев. В их числе был и Эйлер, находившийся тогда в Берлине, и видный немецкий астроном Т. Майер. Делиль вел наблюдения в Париже. На основании всех проведенных работ, обработанных Делилем, было неоспоримо доказано отсутствие атмосферы на Луне. Однако Эйлер, опираясь на свою модель атмосферы-облака и считая, что атмосферу планеты издалека заметить нельзя, пришел к противоположным выводам.

В 1761 и 1769 гг. представилась редкая возможность проверить вопрос о наличии атмосферы на Венере по наблюдениям прохождения этой планеты по диску Солнца. Эти редчайшие астрономические явления приходились лишь дважды на XVIII столетие. Как известно, в связи с необходимостью определения солнечного параллакса были организованы несколько экспедиций в разные страны мира. Делиль, взявший на себя руководство первым международным научным предприятием, разработал метод наблюдений, составил и разослал соответствующие инструкции.

К этим наблюдениям петербургские ученые готовились заранее. В России прохождение Венеры по диску Солнца 1761 г. наблюдалось в трех пунктах. Курганов, Красильников, Ломоносов и Браун проводили наблюдения в Петербурге. Кроме того, в Селенгинск и в Иркутск были посланы две экспедиции под руководством Попова и Румовского. В результате проведенных наблюдений была получена довольно точная величина параллакса Солнца. Однако наиболее интересными для астрофизики были результаты Ломоносова, который, не преследуя астрометрических щелей, поставил своей задачей поиски атмосферы Венеры по разработанной Делилем методике. Опираясь на разработанную им самим и Бернулли модель планетной атмосферы, обладавшую значительно большей прозрачностью, чем допускала модель Эйлера, Ломоносов смог не только заметить весьма тонкие оптические эффекты, но и совершенно правильно их истолковать. Аналогичные наблюдения выполнил и Попов в Иркутске, заметивший характерную размытость края Солнца перед вступлением Венеры на его диск.

Результаты Ломоносова явились величайшим астрофизическим открытием XVIII столетия. Однако, как показало изучение всех материалов, связанных с подготовкой этих наблюдений Ломоносова, результат его не был случайным. Ломоносов смог сделать свое открытие лишь потому, что был великолепно к нему подготовлен, изучив эксперименты по дифракции света. Фундаментом для такого открытия стали известные ему достижения петербургских астрофизиков — так с достаточно полным основанием можно назвать ученых, группировавшихся вокруг Делиля. Прежде всего им были ясны цели и задачи астрофизики. Например, в 1762 г. Ломоносов дал четкое их определение для зарождавшейся тогда науки. Он писал: «Астрономическо-физические наблюдения неподвижных звезд и наших планет со спутниками при помощи труб с максимально возможным увеличением полезны тем, что важные явления, которые в течение многих веков не случаются на нашем Солнце и нашей Земле, могут происходить и наблюдаться на многих светилах» [7, т. 4, с. 475].

В этой фразе дана совершенно современная формулировка целей и задач астрофизики — использование Вселенной как своеобразной космической лаборатории для выяснения физических свойств тел в разных условиях наблюдения. Любопытно, что, назвав наблюдения такого рода «астрономическо-физическими», Ломоносов почти точно определил и название новой науки — астрофизики.

Ломоносов, Эйлер, Делиль и другие работавшие в Петербурге ученые много сделали также для разработки основ фотометрического и спектроскопического методов исследования, принятых в современной астрофизике. А примененная впервые Делилем методика сопоставления лабораторных экспериментов с астрономическими наблюдениями стала в настоящее время основной в проведении астрофизических исследований.

Следует отметить также и то, что Делиль, Бернулли, Ломоносов, Крафт, Рихман и многие другие петербургские ученые разработали конструкции разнообразных инструментов, теперь широко употребляемых. Здесь прежде всего следует назвать ртутный термометр Цельсия. Основные характеристики этого инструмента были предложены Делилем на основе совместных экспериментов, выполненных петербургскими учеными в 1727—1733 гг. Цельсий лишь предложил несколько упростить шкалу, ввести 100°-ную, десятичную систему вместо 150°-градусной.

Петербургские ученые, опираясь на эксперименты по дифракции света, много сделали также и для развития теории света и цветов, теории ахроматов Эйлера, теории атмосферной рефракции. Весьма интересно, что они положили начало разработке проблемы атмосфер небесных тел, которая стала традиционной для обсерватории в Петербурге — Петрограде — Ленинграде. Советская школа ленинградских астрофизиков, начавшая работы под руководством В.А. Амбарцумяна и В.В. Соболева над теорией звездных атмосфер, имела хороших предшественников!

Для более глубокого понимания разных подходов Эйлера и Ломоносова к проблеме планетных атмосфер подробнее остановимся на анализе взглядов этих ученых и проведенных ими наблюдений. Сложную проблему атмосфер на Луне и Венере Эйлер подробно анализировал, в письме к члену Лондонского королевского общества К. Ветштейну.

26 мая 1757 г. Эйлер писал Ветштейну: «...когда я наблюдал при кольцевом затмении Солнца в 1748 г., что диаметр кольца стал больше, чем диаметр Солнца ранее и после, я заключил из этого, что у Луны должна быть атмосфера, хотя и несравненно более тонкая, чем атмосфера Земли. Но отсюда следовало далее, что эта атмосфера должна была оказывать заметный эффект при покрытиях неподвижных звезд, чего, однако, не наблюдается... Чтобы разрешить этот парадокс, я говорю, что Луна, правда, имеет атмосферу, способную расширить в известной мере диаметр солнечного кольца, но что звезды, лучи которых проходят через атмосферу Луны, абсолютно невидимы. Ибо, когда эти лучи проходят через атмосферу, их яркость настолько ослабевает, что они уже не могут действовать на наше зрение точно так же, как мы ничего не можем видеть в тумане, и это происходит в тем большей мере, чем больше мы от них отдалены.

К этому присоединяется еще одно обстоятельство, которое скрывает от нас звезды независимо от атмосферы, а именно то, что лучи делаются более расходящимися. Однако те же причины не мешают нам видеть солнечное кольцо, как вследствие большей яркости солнечного света, так и потому, что остальная часть Солнца закрыта Луной. И если бы даже лучи звезд и не целиком поглощались атмосферой Луны, они были бы все же слишком слабыми, чтобы их можно было видеть вблизи Луны. По этой же причине я убежден, что хотя наша Земля обладает большой атмосферой, однако жители Луны не могли бы заметить никакого ее влияния при покрытиях звезд Землею, ибо мы знаем, что при лунных затмениях земная атмосфера играет роль непрозрачного тела».

Далее в том же письме Эйлер высказал интересные соображения относительно атмосферы Венеры: «Точно так же установлено, что когда Венера скрывает от нас звезды, мы не замечаем никакого влияния атмосферы этой планеты, хотя другие наблюдения, по-видимому, доказывают с несомненностью существование атмосферы на Венере, притом довольно мощной; я думаю, что это и есть истинное решение упомянутого парадокса...» [204, с. 273, 274].

Приведенные высказывания Эйлера сыграли большую роль в развитии дальнейших исследований в этой области.

Для обнаружения атмосферы Венеры, в которой преломляются солнечные лучи, наиболее удобны моменты внутренних прикосновений Венеры и Солнца, т. е. второй и третий контакты. Если внимательно просмотреть журнал наблюдений Ломоносова, становится ясно, что он искал атмосферу и знал, где и как ее найти. Первый контакт, столь важный для определения параллакса, он наблюдал более чем невнимательно. Отметив, правда, размытость края Солнца, он все же перед самым наступлением первого контакта даже «отстал от трубы» [7, т. 4, с. 365]. Поэтому момент первого контакта был им отмечен с ошибкой примерно в 5 по сравнению с Красильниковым и Кургановым. Весьма лаконична запись о четвертом контакте: «Выхождение заднего края было также с некоторым отрывом и неясностию солнечного края» [7, т. 4, с. 380]. К движению Венеры по диску Солнца Ломоносов также был более чем равнодушен: «Течение посредине мною точно по волосам не примечено, затем что глаз устал, да и знатные были смотрители» [7, т. 4, с. 379].

Однако к наблюдениям наиболее важных для него второго и третьего контактов отношение Ломоносова совершенно иное: «...с прилежанием смотрел вступления другого края Венерина...» [7, т. 4, с. 379]. Далее приведено подробное и весьма тщательное описание явления светлого «волоса» — ободка, окружавшего внешний край Венеры. Явления, наблюдавшиеся при наступлении третьего контакта, также изложены во всех деталях и с максимально возможной точностью. Характерно, что и моменты этих контактов были определены гораздо точнее. Так, время второго контакта отличалось от наблюдений Красильникова и Курганова примерно на 1^m.5, а третьего — всего на 50^s.

Таким образом, можно заключить, что Ломоносов с особой тщательностью наблюдал именно второй и третий контакты, т. е. он знал, какие явления следует ожидать и когда. При издании результатов наблюдений он включил в свою статью наблюдения А.Д. Красильникова и Н.Г. Курганова, а определенные им самим моменты контактов опустил, так как его интересовала атмосфера Венеры, а не параллакс. Зато особенно подробно излагались наблюдения второго контакта, когда было замечено «тонкое, как волос, сияние» и третьего контакта, когда наблюдался на краю Солнца светлый «пупырь» [7, т. 4, с. 367, 368].

После этого было дано подробное, со всеми необходимыми чертежами объяснение наблюдавшихся явлений, на основании которых Ломоносов сделал заключение о наличии на Венере обширной плотной атмосферы. Работа Ломоносова тщательно изучалась весьма компетентными специалистами [63], поэтому нет необходимости останавливаться на ней подробнее.

Отметим только, что явления, наблюдавшиеся Ломоносовым, не имели ничего общего с явлением «черной капли», замеченной в 1761 г. Л. Эйлером [205] и многими наблюдателями и неправильно истолкованной ими как проявление атмосферы Венеры. Даже некоторые из современных зарубежных авторов, в частности чехословацкий астроном Ф. Линк, были склонны считать, что Ломоносов наблюдал именно явление «черной капли» [206]. Это недоразумение объяснялось тем, что Линк пользовался изданием трудов Ломоносова, где не были приведены чертежи [207, т. 8].

Многие современники Ломоносова наблюдали все описанные им явления, но не смогли правильно и последовательно объяснить их причину. Наблюдения Ломоносова интересно сравнить, например, с наблюдениями знаменитого Г. Гейнзиуса. Ломоносов спокойно и уверенно отмечает: «...вдруг показалось между вступающим Венериным задним краем и между солнечным краем разделяющее их тонкое, как волос, сияние.. [7, т. 4, с. 367]. Гейнзиус же, подробно описав явление светлой линии, растерянно, как бы оправдываясь, заметил: «Каждый подумает, что это обман зрения. Однако оно продолжалось до того, как линия... совершенно исчезла» [208].