Різнобарвне небо: якого кольору небосхил на різних планетах

Багатьом із нас діти ставили питання: чому небо блакитне? Дехто вважає, що на його колір впливає відбиття сонячного світла від океану. Хтось переконаний, що це через водяну пару в атмосфері. Так що ж насправді забарвлює наш небосхил у сині кольори? Розберімося в цьому, а також з’ясуймо, чи існують планети, де небо забарвлене по-іншому.

Шари земної атмосфери, забарвлені в різні кольори. Світлина зроблена з борту шатла Endeavour (місія STS-127) невдовзі після того, як Сонце сховалося за обрієм. Джерело: NASA

Життєвий досвід підказує нам, що колір неба якось пов’язаний із сонячним світлом: воно блакитне, поки Сонце над горизонтом, але після його заходу починає темнішати й урешті стає зовсім чорним із розсипами зірок — саме такий вигляд має небосхил на планетах і їхніх супутниках, позбавлених атмосфери.

А тепер придивімося уважніше до Сонця, яке опускається до горизонту. Неважко помітити, що чим воно нижче — тим червонішим стає його колір. Часом воно стає зовсім червоним і настільки тьмяним, що на нього можна спокійно дивитися незахищеним оком. Ба більше — Місяць поблизу горизонту теж виразно «червонішає». Чому так відбувається? І як це пов’язано з кольором неба?

Насправді обидва ці явища викликані одним і тим самим фізичним процесом, відомим як молекулярне розсіяння світла. Розберемо його детальніше.

Спектральна діаграма електромагнітного випромінювання, що показує довжину хвилі у порівнянні з об’єктами відповідних розмірів

Сонце випромінює енергію у вигляді фотонів (квантів світла), що мають різну енергію, якій відповідає різна довжина хвилі випромінювання: чим енергія вища — тим коротша хвиля. В тій частині спектра, до якої чутливе людське око, ми сприймаємо ці «різноенергетичні» фотони як різні кольори веселки. Короткохвильове випромінювання ми бачимо як синій і фіолетовий колір, довгохвильове — як червоний і помаранчевий. Найбільшу чутливість наше око має до жовто-зеленого світла з довжиною хвилі 555 нм. Коли на сітківку одночасно потрапляють фотони з різними довжинами хвиль у приблизно однаковій кількості, наш мозок «синтезує» з них біле світло.

За відсутності перешкод фотони рухаються прямолінійно (задля спрощення не будемо тут згадувати релятивістські ефекти) й надходять лише від «безпосереднього» джерела світла. Тому, наприклад, на Місяці ми побачимо Сонце на чорному небі. Крім нього, ми зможемо помітити лише декілька найяскравіших зірок і планет, бо сонячне сяйво змусить наші зіниці звузитись, а це обмежить чутливість зору. Повноцінне зоряне небо в космосі можна побачити, лише сховавшись від сліпучих променів нашого світила й давши очам трохи часу, щоб звикнути до темряви.

Якщо на шляху електромагнітної хвилі трапиться якийсь предмет, розмір якого значно більший за її довжину, вона відіб’ється від нього чи поглинеться ним. Зовсім інша картина спостерігатиметься, якщо хвиля зіткнеться з чимось дрібнішим за себе. Вона змінить напрямок руху, причому іноді досить сильно — до майже протилежного (знов-таки, не ускладнюватимемо розповідь тонкощами її взаємодії з електронами). І якщо навколо нас буде достатньо таких «розсіювальних частинок», освітлених Сонцем — кожна з них час від часу посилатиме квант світла в наш бік.

Неважко зрозуміти, що у випадку Землі такими частинками є атоми та молекули атмосферних газів. Вони й забезпечують світіння неба, причому не лише вдень — навіть після заходу Сонця до нас доходить його світло, розсіяне верхніми шарами атмосфери, для яких воно ще не зайшло (завдяки цьому виникають сутінки). Але чому це світіння має блакитний колір?

Розсіювання світла без зміни довжини хвилі наприкінці XIX століття вивчав британський фізик лорд Рейлі, у російськомовній літературі більш відомий як Релєй, тому це явище отримало назву релеївського розсіювання. Між іншим, учений з’ясував, що таке розсіювання відбувається тим активніше, чим ближче довжина електромагнітної хвилі до розміру перешкоди. Власне, у видимому спектрі при переході від червоного кінця до фіолетового ця довжина поступово наближається до перерізу частинок, із яких в основному складається атмосфера — молекул азоту та кисню. Тому вони сильніше розсіюють «холодні» кольори (блакитний, синій, фіолетовий). В результаті ми бачимо блакитний колір неба.

Темно-червоний колір Місяця під час повного затемнення 4 квітня 2015 року особливо добре видно на контрасті з яскравим місячним «окрайцем», який освітлює ще не закрите Землею Сонце. Джерело: Phil Walter/Getty Images

З іншого боку, сонячні промені, що проходять крізь атмосферу, «втрачають» частину короткохвильових фотонів, тому Сонце при спостереженні з поверхні Землі здається жовтуватим. Чим ближче воно до горизонту — тим більшу товщу атмосферних газів доводиться долати його променям, і тим менше в них «лишається» синіх і фіолетових кольорів. Тому при сході та заході наше світило стає помаранчевим. Коли під час вивержень вулканів або піщаних бур у повітря здіймається багато пилових частинок, що за розміром значно перевищують молекули, вони починають активно розсіювати також зелені та жовті промені, а Сонце біля горизонту набуває криваво-червоного кольору. Таким же воно часто буває взимку, коли в морозні дні атмосфера насичується дрібними кришталиками льоду. Всі описані ефекти спостерігаються й у випадку Місяця.

Більшість пасажирських авіалайнерів курсують на висотах 10,5 км, і з них ми можемо побачити вже не блакитне, а насичено-синє небо. Для пілотів висотних військових літаків, що підіймаються вище 16 км, небо стає майже чорним — бо саме в межах цієї висоти міститься 99% усієї маси земної атмосфери. Це неважко помітити під час прямих трансляцій із відеокамер, встановлених на зовнішній поверхні ракет, які виводять вантажі в космос.

Коли Місяць під час повного затемнення занурюється у тінь Землі, він майже ніколи не зникає повністю — ми все одно бачимо його, лише забарвленого в незвичний коричневий колір. Таким його робить «суміш» сонячних променів, що пройшли крізь атмосферу нашої планети й за рахунок ефекту рефракції були спрямовані нею до осі земної тіні. Знову-таки, в цьому «відфільтрованому» світлі майже не лишається короткохвильової компоненти — фіолетових, синіх і зелених кольорів. У результаті утворюється «кривавий» колір, що змушував представників багатьох культур у давнину вважати такі явища провісниками нещасть і катастроф.

Світлина марсіанського неба, зроблена посадковим апаратом Viking 29 серпня 1976 року. Джерело: NASA/JP

З усього сказаного вже можна спробувати «вирахувати», яким буде колір неба, наприклад, на Марсі. Молекули вуглекислого газу, з якого майже на 97% складається його атмосфера, приблизно в півтора раза більші за молекули кисню й азоту, а отже, марсіанське небо теж буде… блакитним, хіба що трохи зеленуватого відтінку. Саме це ми й бачимо на світлинах, переданих із поверхні Червоної планети, після того, як баланс кольорів на них приводять до стандартного (такого, що відповідає чутливості людського ока). Лише під час потужних пилових бур небо стає жовтим. Звичайно, воно має меншу яскравість, ніж земне, і набагато швидше «згасає» після заходу Сонця: розкішних земних сутінків на Марсі немає. А майбутні альпіністи, які здійснять сходження на марсіанські гори заввишки хоча б 9-10 км, побачать над собою вже абсолютно «космічне» чорне небо.

Реконструкція вигляду місцевості у точці посадки апарата «Венера-13». Джерело: Don Mitchell

Відверто синім буде чисте небо на Юпітері, Сатурні, Урані та Нептуні — їхні атмосфери складаються головним чином із водню, що має найменші молекули з усіх можливих і відповідно найефективніше розсіює випромінювання короткохвильового кінця спектра. А от Венера та сатурніанський супутник Титан — два останніх тіла Сонячної системи, що мають щільну газову оболонку — навпаки, можуть «похвалитися» жовтим і навіть помаранчевим небосхилом. Тут уже головну роль у розсіюванні грають атмосферні аерозолі з достатньо великими частинками: вони активно взаємодіють не лише з короткохвильовими фотонами, але навіть із «носіями» червоного кольору. Тому більшу частину дня венеріанське небо здавалося б нам жовтогарячим (що й підтвердили кольорові світлини, передані радянськими зондами «Венера-13» і «Венера-14»), а світанки та вечірні сутінки на сусідній планеті, швидше за все, дійсно мають бути кривавого відтінку.

Тільки найцікавіші новини та факти у нашому Telegram-каналі!

Долучайтеся: https://t.me/ustmagazine

Геть із Чумацького Шляху: знайдена найближча до Землі гіпершвидкісна зоря
Небезпечний випадок декомпресії на МКС викликав переполох в радіоефірі
Безпрецедентна роздільна здатність: супутник компанії Maxar зазнімкував МКС і Starliner
Інтерактивна карта «Жнива надії» допоможе українським аграріям
Людина, яка показала нам Сонячну систему: голова місії Voyager Ед Стоун помер у віці 88 років
Короткочасні космічні подорожі не шкодять здоров’ю людини
Зразки зі зворотного боку Місяця прибудуть на Землю 25 червня
Космічний телескоп Hubble розкрив таємницю вибуху 40-річної давнини
На кораблі Starliner виявлено новий витік гелію
Місячна станція стала на крок ближче до запуску