Небо разных эпох и разных планет

Мы так привыкли к виду земного неба, что обычно не задумываемся, почему оно такое, всегда ли оно было и останется таким, как выглядит небо иных планет? А некоторые любознательные люди с давних пор задавались этими вопросами. Например, почему небо голубое? Пытаясь объяснить этот общеизвестный факт, различные гипотезы предлагали Леонардо да Винчи (1452—1519), Исаак Ньютон (1643—1727), Иоганн Гёте (1749—1842) и Леонард Эйлер (1707—1783). Каждый из них считал, что сам воздух бесцветен, а голубую окраску ему придают какие-то примеси. Глядя, как из камина поднимается голубоватый дым, Леонардо да Винчи думал, что цвет неба тоже создается рассеянными в воздухе похожими на дым мелкими частицами. Ньютон полагал, что дневное небо окрашивают мельчайшие капельки воды, но и он заблуждался. Оказалось, что даже самый чистый горный воздух все равно окрашен в голубой цвет, а все из-за молекул самого воздуха.

Это открытие было сделано всего лишь 110 лет назад. Английский физик лорд Рэлей опубликовал в 1899 г. работу «О свете от неба, его поляризации и цвете», в которой доказал, что голубые лучи солнечного света рассеиваются в атмосфере не какими-то примесями, а самими молекулами воздуха. Еще раньше, в 1871 г., Рэлей вывел закон отклонения лучей света мелкими частицами вещества. Закон рэлеевского рассеяния гласит: чем голубее свет, тем сильнее его рассеивают очень мелкие частицы. Основываясь на нем, Рэлей объяснил голубой цвет неба. В XX в. физики Мариан Смолуховский (1872—1917) и Альберт Эйнштейн (1879—1955) уточнили теорию Рэлея. Они обнаружили, что солнечный свет рассеивают не столько сами молекулы, сколько их небольшие группы, постоянно возникающие и распадающиеся из-за случайных флуктуаций плотности. Но все же главная идея этого открытия принадлежит Рэлею. Кстати, полное имя ученого, открывшего тайну голубого неба, — Джон Уильям Стретт (1842—1919), а титул лорда Рэлея III он унаследовал в 1873 г. от своего отца. Его сын, Роберт Джон Стретт (1875—1947), ставший лордом Рэлеем IV, тоже был известным физиком, он изучал атмосферу. Чтобы не путать двух ученых, отца обычно называют Рэлеем Рассеивающим, а сына — Рэлеем Атмосферным.

На фоне голубого неба особенного красивы белые облака. Кстати, почему они белые? Оказывается, их цвет объясняется свойствами мелких частиц, летающих в воздухе; их называют аэрозолями. К ним относятся и частицы облаков — мельчайшие капельки воды величиной в сотые доли миллиметра. Но все же эти капельки гораздо крупнее молекул воздуха, поэтому солнечные лучи они рассеивают иначе: одинаково, независимо от их цвета. Поэтому облака того же цвета, что и Солнце: днем белые, а на закате оранжевые.

Тут самое время спросить: «А почему на закате и на восходе солнечный диск красновато-оранжевый?» Впрочем, у горизонта краснеет не только Солнце, но также и Луна, и любое другое небесное светило. Зная о рэлеевском рассеянии, мы легко объясним и это явление. Синим лучам сложнее всего пройти через атмосферу — их рассеивает даже чистый воздух. А толстый слой воздуха рассеивает также зеленые и даже желтые лучи. Когда Солнце высоко над горизонтом, до нас доходит весь его свет, кроме некоторой части голубого, когда же оно приближается к горизонту, нас достигает все меньше его голубых, зеленых и желтых лучей. У самого горизонта слой воздуха вдоль луча зрения особенно толстый, поэтому из всех цветов заходящего и восходящего Солнца сквозь воздух пробивается лишь красный, да и то сильно ослабленный.

Днем больно смотреть на Солнце — оно очень яркое. Зато вечером его диск светится мягко и не режет глаза. Как вы думаете, во сколько раз чистая безоблачная атмосфера ослабляет блеск светила? Когда оно опускается до высоты 15° над горизонтом, его яркость ослаблена атмосферой лишь вдвое по сравнению с той, какая была бы в зените. Когда высота составляет 5° (для Луны и Солнца это 10 их видимых диаметров), яркость становится меньше примерно в 10 раз. А у самого горизонта блеск светила ослаблен в несколько тысяч раз!

Почему же у горизонта столь велико поглощение света? Когда мы видим светило у горизонта, его луч проходит длинный путь вдоль поверхности Земли, преодолевая слой атмосферы почти в 40 раз более толстый, чем когда светило наблюдается в зените. Чтобы ощутить, насколько трудно лучам света пробиться сквозь атмосферу на закате, проделайте простой опыт: направьте настольную лампу себе в лицо и поместите перед глазами чистый лист белой бумаги. Яркость света весьма высока. Теперь добавьте второй лист... третий... Вам не понадобится и десяти листов, чтобы полностью преградить путь свету.

Необходимость учитывать рассеяние света в атмосфере Земли создает астрономам множество хлопот. И все же это большая удача, что воздушная оболочка нашей планеты, сохраняя на ней жизнь, позволяет видеть космос. Но всегда ли атмосфера Земли благоприятствовала наблюдениям Вселенной? Никто не знает точно, каким было небо Земли в древности; об этом можно лишь догадываться. Вид неба зависит от свойств атмосферы, которые меняются со временем. Ученым уже кое-что известно об эволюции земной атмосферы в прошлом. К тому же ее можно сравнивать с атмосферами других планет, которые отстали от Земли в своей эволюции или обогнали ее.

Сейчас в атмосфере Земли содержится по объему 78% азота, 21% кислорода, 0,93% аргона, 0,03% углекислого газа и немного водяного пара. Но атмосфера не всегда являлась такой: в прошлом она была плотнее и состояла из других газов. Около 3,8 млрд. лет назад, когда у Земли образовалась твердая гранитная кора, она была усеяна многочисленными вулканами. Через их жерла из недр Земли вырывались газы, формировавшие атмосферу и океан; в основном это были углекислый газ, водяной пар и азот. Кислорода тогда не было вовсе.

На Земле в ту эпоху было жарко, и она была немного похожа на современную Венеру, атмосфера которой очень плотная и на 96% состоит из углекислого газа. На Венере, расположенной ближе к Солнцу, чем Земля, всегда было теплее, и поэтому эволюция атмосферы там шла иным путем. Если на остывающей Земле водяной пар сконденсировался в жидкость, и поверхность нашей планеты покрыл океан, то на Венере пар разрушился под действием солнечного излучения и улетучился в космос. Было это так: солнечный ультрафиолет расщеплял молекулы H₂O на водород и кислород. Подвижный водород покидал атмосферу Венеры в первую очередь, причем так интенсивно, что захватывал с собой и большую часть кислорода (планетологи называют это гидродинамическим оттоком газа из атмосферы). Но захватить с собой более тяжелые молекулы CO₂ водородный поток не смог. Так атмосфера Венеры лишилась воды. А без воды, необходимой для связывания углекислого газа в известняк, молекулы CO₂ накапливались в атмосфере и создали тот ад, который мы наблюдаем сейчас на Венере. Если на Земле зародившаяся жизнь способствовала удалению CO₂ из атмосферы, то на Венере жизнь так и не возникла, ее атмосфера осталась плотной и до сих пор состоит из углекислого газа. Поэтому ученые считают, что Венера похожа на Землю далекого прошлого.

А какое небо на Венере? Оно там всегда затянуто густыми облаками, которые ураганный ветер мчит высоко над поверхностью планеты. Эти облака не очень плотные, они больше напоминают туман. Но их слой толщиной 30 км сильно поглощает солнечный свет, а остатки света рассеивает так, что днем не угадаешь, с какой стороны светит Солнце. Облачное небо Венеры окрашено в оранжевые тона, а у горизонта становится желто-зеленым. Ночью на Венере не видно звезд, лишь сполохи далеких молний и вулканических извержений подсвечивают облака. Вероятно, таким же было и небо юной Земли. В ту эпоху астрономам на ней нечего было бы делать.

Чтобы узнать будущее земной атмосферы, мы должны посмотреть на Марс. Из-за своей удаленности от Солнца он никогда не был особенно горячим, но, имея небольшую массу, он плохо удерживает летучие газы в своей атмосфере. Марс красный из-за того, что его водяной пар расщепился на водород и кислород; водород улетел в космос, а кислород окислил (покрыл ржавчиной) грунт. Отсутствие у Марса магнитного поля и мощная метеоритная бомбардировка тоже способствовали улетучиванию атмосферы. Странно, что Марсу вообще удалось хоть что-то сохранить. Сегодня его атмосфера в 100 раз тоньше земной. Она почти не препятствует астрономическим наблюдениям с поверхности планеты, но и жизнь на ней поддержать не в состоянии. Если Землю ожидает такая же судьба, то каким будет ее небо?

Днем на Марсе небо розовое из-за мелкой неоседающей пыли, которую ветер поднимает в период весенне-летних пылевых бурь. Сила тяжести на Марсе вдвое меньше, чем на Земле, поэтому пыль долго держится в воздухе. Поскольку атмосфера Марса очень разрежена, розовое небо там не такое яркое, как голубое небо Земли. Облака из водяных кристаллов на Марсе — редкое явление, слишком уж сухой там воздух. Зато над поверхностью иногда поднимаются плотные пылевые облака. Они обволакивают почти всю планету на многие дни и даже месяцы. Сквозь них не видны звезды и с трудом пробиваются лучи Солнца.

Ночью на Марсе прекрасно видны звезды, планеты и все прочие астрономические явления. Яркие стрелы метеоров вспыхивают там, вероятно, даже чаще, чем на Земле, поскольку в окрестности Марса движется больше мелких космических частиц, чем вблизи Земли. По утрам и вечерам, пока Солнце еще не взошло, марсиане (например, будущие колонисты с Земли) смогут любоваться двумя яркими светилами — Венерой и Землей. Впрочем, эти планеты, а также спутники Марса Фобос и Деймос должны быть легко заметны и днем, ведь безоблачное небо Марса довольно темное. Возможно даже, на нем видны некоторые яркие звезды, если Солнце находится не слишком близко от них и его рассеянный свет не мешает наблюдениям.

Итак, на Венере звезд не видно даже ночью, а на Марсе они видны и днем. Лишь на земном небе каждому светилу предоставлено свое время суток.

Пока наша Земля идет «марсианским» путем: она тоже теряет атмосферу, прежде всего водород, образующийся при расщеплении водяного пара. Мощность солнечного излучения растет, и высыхание Земли ускоряется. Сегодня водород оттекает из земной атмосферы «тонкой струйкой», так как основной носитель водорода — водяной пар — обычно не поднимается в стратосферу, где он может быть разрушен ультрафиолетом. Пар конденсируется в нижних слоях атмосферы и падает дождем обратно на поверхность. Но Солнце постепенно становится ярче, примерно на 10% за каждый миллиард лет. Когда Солнце разогреет нашу планету и ее океаны, атмосфера станет более влажной, и струйка утекающего водорода превратится в могучий поток. Считается, что этот процесс станет ощутимым, когда яркость Солнца возрастет на 10%, то есть через миллиард лет, и еще миллиард лет понадобится для осушения земных океанов. Земля станет пустынной планетой с крохотными полярными шапками и жалкими озерцами воды. Еще через два миллиарда лет Солнце так нещадно опалит Землю, что даже полярные оазисы исчезнут и последние остатки воды испарятся. Парниковый эффект усилится настолько, что начнут плавиться камни. Земля станет такой же безжизненной, как Венера. А дальнейшая эволюция Солнца, его превращение в красный гигант и усиление мощности свечения в сотни раз приведет к полной потере атмосферы. Земля станет похожа на современный Меркурий: место, идеальное для астрономических наблюдений и больше ни для чего.

Впрочем, в своих футуристических построениях мы зашли слишком далеко. Сегодня на Земле мы имеем идеальный баланс условий для жизни и наблюдения Вселенной. Чтобы в полной мере воспользоваться этими благами, астрономы изобрели телескоп.