Независимый бостонский альманах

Какое небо голубое…

23-08-2017

«Под голубыми небесами…»

Пушкин

— А что случилось? У него кончился воздух?

— У него кончилось небо.

Джо Хилл

 

Почему – главный вопрос детства и жаль, что со временем мы утрачиваем это неуемное любопытство. Ибо на некоторые вопросы так и нет ответа. К примеру, каждый из нас рано или поздно спрашивает, почему небо голубое? Почему закаты окрашены в золотые и багряные тона, как парадный занавес императорского театра?

А и впрямь, почему? Нет, это не научная статья, я, хоть и радиофизик по образованию, не столь самоуверен и не возьмусь за объяснение не самых простых вопросов. Это небольшое эссе о небесах и вечных вопросах. Их следует периодически задавать. Вот, Борис Штерн, у которого я испросил позволения сослаться на него, пишет по этому поводу: «Вообще, это слишком тривиальные вещи, чтобы ссылаться. Ну, если очень нужно, то ради бога».

Конечно, нужно! Ибо не столь уж они тривиальны, эти вопросы! Основной посыл статьи как раз в том и заключается, что каждый из цитируемых ученых по своему (и очень по разному) трактует рэлеевское рассеяние и границы его применения.

Но к делу! Итак, считается, что вопрос цвета неба давно научно объяснен, но… Да, еще Ньютон открыл дисперсию солнечного света – он является смесью волн разной длины (хотя и до Ньютона все видели радугу). Да, лорд Релей объяснил синеву неба рассеянием: мол, чем короче длина волны, тем сильнее рассеивается свет Солнца, а интенсивность такого света обратно пропорциональна четвертой степени длины волны. Отсюда как бы следует, что рассеянный свет обогащен короткими, то бишь синими волнами, что и объясняет цвет наших небес обетованных.

 

Илл. 1. Опалесцирующее стекло.

1

В 1910 году в речи «Цвет моря и неба», произнесенной в Королевском Институте Рэлей сказал:

«Что касается небесного света, то теория, приписывающая его происхождение светорассеянию, вызванному присутствием мельчайших частичек, большинство которых меньше световой волны, может считаться теперь общепринятой. Она объясняет, по крайней мере в первом приближении, как поляризацию, так и цвет небесного света... по-видимому, можно считать установленным, что самые молекулы воздуха способны в достаточной степени рассеивать синий цвет для того, чтобы придать небу его лазурный вид».

Примером рэлеевского рассеяния считается опалесцирующее стекло: оно выглядит синим со стороны, но оранжевым на просвет. То есть короткие волны рассеиваются во все стороны, а длинные проходят насквозь. Красивый пример!

Да, все это прекрасно и даже научно-отлично, но есть одно увесистое но. Дело в том, что на Марсе, где то же Солнце, где какая-никакая, но атмосфера, к тому же пыльная, а значит, еще сильнее рассеивающая, теория Рэлея не работает. Небо там розоватое или бледно-оранжевое, а закаты голубые. А если учесть, что и поляризацию солнечного света теория Рэлея не способна объяснить, то надо либо искать более универсальное объяснение, либо иные подходы. Не в составе ли атмосферы дело? Думаю, да, но пока вернемся на землю, под ее лазурные небеса.

Илл. 2. Закат на Марсе.

2

Может быть, причина в том, что голубой преобладает в спектре солнечного света? В начале двухтысячных я много возился с атомными спектрометрами. Они работают главным образом в оптической части спектра, но заходят как в инфракрасный (длина волны больше 740 нм), каковой мы не видим, так и (при анализе ртутных контаминаций) ‑ в ультрафиолет (меньше 400 нм), на каковой лучше не смотреть – «зайчиков» нахватаетесь, как начинающий сварщик. С тех пор хорошо помню, что синий цвет занимает диапазон 440-485 нм (иногда указывают чуть более широкие рамки) и действительно, его интенсивность (особенно голубого участка) намного выше, чем красного.

Но максимум приходится все же на зеленый. Ах, этот зеленый! Самый живой цвет, цвет  нашей жизни. На иных планетах нашей системы его практически нет. Но что касается небес, то лишь пару раз в жизни я видел их зеленоватыми – ранней весной, предзакатные, когда по вечерам еще тянет холодком, но у девушек уже блестят глаза… Очень красивое и романтичное зрелище! Но это и все. Так что зелень неба больше поэзия, чем наука. И потому продолжим наши спектральные поиски.

Илл. 3. График интенсивности солнечного света.

3

Возможно, наш глаз более чувствителен именно к голубому? В его сетчатке есть специальные клетки-рецепторы, отвечающие за восприятие цвета. Они имеют коническую форму, поэтому их называют колбочками. У человека три типа колбочек: одни лучше всего воспринимают свет в сине-фиолетовой области, другие в жёлто-зелёной, третьи в красной. С недавних пор пишут, правда, что у 10% женщин имеется еще один вид колбочек и зрение у них тетрахромное, но информации пока мало, явление изучается, поэтому не будем усложнять. С дамами все и всегда непросто…

Помнится, кандидат химических наук О. Белоконева объясняла в статье в журнале «Наука и жизнь» («Почему мир разноцветный», №10, 2008), что мы видим предметы потому, что они отражают свет, и он, сфокусированный хрусталиком, попадает на сетчатку. Свет, поглощённый предметом, глаз видеть не может. Так, сажа поглощает почти всё излучение и кажется нам чёрной (о цвете неба в космосе поговорим в следующий раз). Снег, наоборот, равномерно отражает почти весь падающий на него свет и потому выглядит белым.

Значит, если свет упадёт на голубые глаза вашей подруги, то от них отразятся синие лучи, остальные будут поглощены. Неплохо. Поверяем алгеброй гармонию. Но с атмосферой это объяснение не проходит. Поэтому продолжим.

Итак, не предпочитает ли наш глаз голубизну? Гм, как будто нет, относительная «видность» (дневная) красного и голубого цветов для среднего глаза примерно одинакова: красный 630 нанометров – 26,5%; 620 нм – 38,1%; голубой 500 нм – 32,3%; 490 нм – 20,8%. Ну а максимальная чувствительность глаза приходится опять-таки на зеленый: 550 нм – 99,5%. Зато сумеречная «видность» дает огромный перевес голубым тонам. Красный вечером мы видим очень плохо. Так говорит Заратуст… э, наука. Тем не менее, закаты багровеют!

Так что по всем параметрам дневное небо должно быть зеленым! А оно голубое. Помните, кстати, «Эдем» Лема? Там чужая планета переливалась цветами опаловой капли…

Теория Рэлея как-то работает, объясняя тона земных закатов и рассветов, когда свет, идя по касательной к земной поверхности, проходит намного больший путь в атмосфере, чем днём. При этом коротковолновая компонента рассеивается в стороны и прямой свет солнца, а также освещаемые им облака и небо вблизи горизонта окрашиваются в красные тона.

Но на Марсе, повторю, во время заката Солнце окружено озерцом голубизны. Так сказывается углекислая атмосфера? Но тогда не предположить ли самое простое объяснение для цвета земного неба? Не цвет ли это нашей атмосферы? К примеру, жидкий кислород, а его в атмосфере довольно много, 21%, ‑ бледно-синего цвета. Хорошо помню сей факт. Запускал хроматографы на Макеевском металлургическом комбинате, а поскольку в лаборатории кондиционеров не имелось, то обходились дедовскими способами – черпали кислород из сосуда Дьюара и плескали голубую холодную жидкость прямо на пол. Сразу становилось легче дышать.

Но тогда мы снова приходим к тому, с чего начали, – почему кислород такого цвета? Что ж, попробуем зайти с другого конца.

Неупругое рассеяние

В чем смысл рэлеевского рассеяния? В том, что электрон атома поглощает квант света и переходит на промежуточный уровень энергии, а затем возвращается обратно, излучая фотон с той же энергией-частотой, но с другим – случайным, вероятностным – направлением распространения. Это упругое рассеяние.

(Для Илл. 4 использован рисунок из статьи «Рассеяние света», Наука и жизнь. 1988. №1, Д. Клышко, доктор физико-математических наук. Электронная версия: © НиТ. Научные журналы, 2002. Он же пишет об электронных переходах).

Но что если оно неупругое? Если рожденный фотон имеет иную частоту?

Ведь большинство веществ состоит не из изолированных атомов, а из молекул, взаимодействующих друг с другом. При этом рассеяние света намного разнообразнее атомного. Чем больше в молекуле атомов, тем разнообразнее набор ее внутренних движений и соответственно богаче спектр рассеянного ею света. Иными словами, между структурой молекулы и частотой спектральных компонентов, появляющихся при» рассеянии, имеется жесткая связь, поэтому число таких компонентов и их положение в спектре позволяют определить состав и структуру молекул. Для нас важно, что при рассеянии на молекулах происходит изменение частоты света, что и было обнаружено в 1928 году Г.С. Ландсбергом и Л.И. Мандельштамом и независимо от них, хотя и несколько позже, индийскими физиками Ч. Раманом и К. Кришнаном. Его называют рамановским рассеянием (в советской литературе принят термин «комбинационное рассеяние»).

Оно объясняется тем, что молекула в результате взаимодействия с налетающим и испущенным фотонами переходит на другой энергетический уровень. И если бы удалось показать, что в результате этого образуется больше голубых фотонов, нежели прочих, то цвет неба получил бы объяснение. Тут я могу сказать только то, что при комнатной температуре интенсивность образующегося низкочастотного, стоксового излучения, намного выше, чем высокочастотного, антистоксового. Но с ростом температуры интенсивность последнего быстро растет. Вопрос лишь в том, как считать температуру.

Илл. 4. Комбинационное рассеяние света

 4

Весьма интересно также рассеяние света на свете. В нашем случае прямого солнечного ‑ и рассеянного (молекулами воздуха, отраженного от облаков, льдов, поверхности воды). Одна световая волна меняет оптические свойства атмосферы за счет вынужденных колебаний электронов в ее электромагнитном поле и для другой световой волны та становится неоднородной, следовательно, вторая волна частично рассеивается, порождая третью волну, частота которой равна разности первых двух. Но и это рассеяние не ведет к голубой доминанте, наоборот, длина новой волны будет больше и она окажется в красной и в инфракрасной части спектра.

Глядя с Марса и с Олимпа

Так почему же небо на земле голубое, а на Марсе бледно-оранжевое? Я старый любитель Марса и даже темпоральную НФ-повесть написал «Последний рейд на Марс», о том, как советские космонавты улетели туда в 1991 году от путча ‑ и свергли там тиранию Компартии Красного Марса. Генсеком коей была Аэлита…

С этими вопросами (не об Аэлите, о цвете неба) я обратился к астрофизику и писателю, ведущему научному сотруднику Института ядерных исследований РАН и Астрокосмического центра ФИАН, популяризатору науки, главному редактору газеты «Троицкий вариант ‑ Наука». Борису Евгеньевичу Штерну. Он ответил категорично: «Рэлеевское рассеяние происходит без всяких атомных переходов ‑ это рассеяние на всем атоме, как целом. Вероятность рассеяния пропорциональна четвертой степени частоты ‑ поэтому доминирует именно синий цвет, хотя его в солнечном спектре меньше, чем зеленого и желтого.

Комбинационное рассеяние дает какой-то вклад, но основное ‑ рэлеевское. При нем работает атом в молекуле. Всякие молекулярные линии, это в основном инфракрасный диапазон. На Марсе, скорей всего, рассеивает мелкая пыль с размером пылинок около микрона ‑ ее там предостаточно в воздухе, но не уверен. Это как при горящих торфяниках или лесных пожарах».

Гм, насчет малого влияния комбинационного рассеяния Штерн, видимо, прав. Хотя в верхних слоях стратосферы температура повышается от ‑56.5 Цельсия до почти нуля, так что молекулы там шустрые и любопытно было бы оценить соотношение стоксового и антистоксового рассеяния.

Но что касается отсутствия электронных переходов, то тут доктор физико-математических наук Штерн противоречит доктору физико-математических наук Д. Клышко, на которого я ссылался выше. Хотя наглядную физику Бориса Евгеньевича вполне можно понять: длинные цуги красных волн (длина волны более 600 нм, а в цуге их несколько) намного больше размеров основных молекул воздуха (около трети нанометра) и мало рассеиваются последними. Более короткие цуги синих волн рассеиваются, значит, сильнее, хотя и они примерно на четыре порядка габаритнее молекул воздуха.

Обратился я по старой памяти и к Юрию Николаевичу Ефремову, астроному, доктору физико-математических наук, профессору, главному научному сотруднику отдела изучения Галактики и переменных звёзд ГАИШ МГУ. Мэтр не отказал! Более, того откликнулся благожелательно, хотя и не стал вдаваться в детали: «К сожалению "проконсультировать" я оказался не в силах. Эту физику я проходил еще в 50-х годах. Но текст читабельный и задача интересная. Чуть исправленный текст ‑ в приложении. Наилучшие пожелания. Юрий Ефремов». Спасибо, Юрий Николаевич!

И еще одного специалиста удалось привлечь к обсуждению, это Евгений Михайлович Беркович, главный редактор многих известных и популярных изданий («Семь искусств», «Мастерская» и пр.). Он окончил физический факультет МГУ, кандидат физико-математических наук, так что вполне может судит профессионально.

Илл. 5. Следы марсианских «dust devil», «пыльных дьяволов.

5

 

 

Евгений 6ссылается на Википедию. Мол, на Земле все объясняет Рэлей, а на Марсе небо жёлто-оранжевое по причине тонкой, разреженной, содержащей взвешенную пыль атмосферы. Там рэлеевское рассеяние играет незначительную роль, эффект его слаб, но проявляется в виде голубого свечения при восходе и закате Солнца, когда свет проходит более толстый слой воздуха. Предположительно, жёлто-оранжевая окраска неба также вызывается присутствием 1% магнетита в частицах пыли, постоянно взвешенной в марсианской атмосфере и поднимаемой сезонными пылевыми бурями.

Да, Марс довольно-таки пыльное место и во время грандиозных пылевых бурь весь его диск заволакивает мутная, красноватая пелена.

Илл. 6. Планетарная пылевая буря.

6

Но даже в тихие сезоны, а Марс с его почти двухлетним периодом обращения вокруг Солнца и впрямь планета долгих сезонов, снимки роверов показывают, что "пыльные дьяволы", марсианские торнадо, постоянно подкачивают пыль в атмосферу. Поверхность планеты буквально исчерчена их следами. Так что цвет атмосферы можно просто объяснить цветом мелкодисперсной пыли.

Но все же: почему на Марсе голубые закаты? Почему заходящее Солнце, маленькое, но слепящее, окружено голубым озером? Что, микронная пыль лучше поглощает длинные волны, а шустрые короткие проскакивают между ее частицами?

Жаль, что у меня нет лишних сотен тысяч долларов и я не могу записаться добровольцем в команду Илона Маска, которую он набирает для заселения Марса. Увидеть бы все своими глазами. А после можно и умереть.

Комментарии
  • Vallu - 27.08.2017 в 18:35:
    Всего комментариев: 14
    Закон Релея не действует на лунный свет почему-то.
    Рейтинг комментария: Thumb up 1 Thumb down 0
    • Юрий Кирпичев - 01.09.2017 в 23:41:
      Всего комментариев: 531
      На Земле действует, японцы это знают: "Луч Луны коснулся моего окна - и сломался..."
      Рейтинг комментария: Thumb up 0 Thumb down 0
  • MurKLnT2 - 28.08.2017 в 05:16:
    Всего комментариев: 120
    Конечно, понравилась, ответил я, оценивая статью. И я бы не отказался взглянуть на марсовский закат, если бы не одно обстоятельство - никогда мне не увидеть оттенки Показать продолжение
    Рейтинг комментария: Thumb up 2 Thumb down 0
    • Юрий Кирпичев - 01.09.2017 в 23:38:
      Всего комментариев: 531
      Спасибо и Вам за столь лестный, интересный - и поэтический комментарий!
      Рейтинг комментария: Thumb up 0 Thumb down 0

Добавить изображение



Добавить статью
в гостевую книгу

Будем рады, если вы добавите запись в нашу гостевую книгу. Будьте добры, заполните эту форму. Необходимой является информация о вашем имени и комментарии, все остальное – по желанию… Спасибо!

Если у вас проблемы с кириллическими фонтами, вы можете воспользоваться автоматическим декодером AUTOMATIC CYRILLIC CONVERTER.

Для ввода специальных символов вы можете воспользоваться вот этой таблицей. (Латинские буквы с диакритическими знаками вводить нельзя!)

Ваше имя:

URL:

Штат:

E-mail:

Город:

Страна:

Комментарии:

Сколько бдет 5+25=?