Анатомия зари

Что же такое сумерки, и почему изменяются краски зари? Едва было открыто явление рассеяния света, как в 1863 году Бецольд высказал правильное объяснение сумеречных явлений. Вскоре Грунер предложил «математическую теорию зари», но она осталась в архивах науки: для расчета сумеречных явлений надо было знать строение атмосферы, а сведения о ней в те времена были очень бедны.

Еще в XVII—XVIII веках измерения на горах и при помощи воздушных шаров показали, что плотность воздуха быстро убывает с высотой. Одновременно снижается и температура — в среднем на 6°С через каждый километр высоты. Наблюдения за облаками показывали, что они всегда располагаются ниже 10—11 км. Не вызывало сомнений, что только в этом сравнительно тонком приземном слое — тропосфере — происходят события, которые мы называем погодой: дуют ветры, выпадают осадки, разражаются грозы, изменчива температура. А выше? Выше должна была располагаться пустыня — неподвижный кристально чистый воздух, сильно разреженный, с быстро убывающими по высоте плотностью и температурой. Правда, на рубеже XX века было обнаружено, что выше 9—11 км. температура перестает падать. Эту область постоянной температуры назвали стратосферой, но как далеко она простирается ввысь, оставалось загадкой.

Первая попытка разорвать покров тайны была сделана в 1915 году В. Г. Фесенковым. Если, рассуждал он, нельзя рассчитать явления зари потому, что нам неизвестно строение атмосферы, то можно поставить обратную задачу — исследовать атмосферу, наблюдая зарю и пользуясь ее теорией. Опять идея Альгазена привлекла внимание ученых, и высокая поэзия знания повела мифологическую Эос на анатомический стол.

Чтобы правильно использовать сумерки, необходимо было прежде составить отчетливо представление о роли различных факторов, участвующих в их образовании. Это было выполнено в работах В. Г. Фесенкова, Н. М. Штауде, Ф. Линка, и других.

Проследим сначала за лучами, освещающими атмосферу после захода Солнца. Выходя из-за горизонта, они сперва погружаются в атмосферу, скользят вдоль земной поверхности и затем снова уходят ввысь. При этом лучи рассеиваются воздухом и ослабляются. Кстати, те из них, которые проходят мимо Земли вблизи от ее поверхности, ослабевают гораздо больше, чем те, которые скользят на больших высотах с меньшей плотностью воздуха. Самые нижние слои атмосферы практически совсем непрозрачны для скользящих лучей. Это можно видеть, например, по тени Земли на Луне во время затмений: радиус тени всегда больше радиуса Земли.

Представим себе спутник, вылетающий из области тени. Продвигаясь по небу, он будет все ярче освещаться менее и менее ослабленными лучами. А так как плотность воздуха с высотой быстро убывает, то переход от тени к свету будет хотя и плавным, но крутым. Практически спутник окажется освещенным только тогда, когда на него упадут лучи, минующие Землю на некоторой высоте (они образуют как бы эффективную границу земной тени). Для слаборассеиваемых красных лучей высота эта равна 3—5 км, для сильно-рассеиваемых синих лучей она достигает 25—30 км. Поэтому спутник сначала будет освещен только красными лучами, затем к ним присоединятся желтые, зеленые, голубые и, наконец, синие. Так же будет освещен и воздух вокруг спутника (и на всем пути освещающего его луча).

Представим себе теперь столб воздуха над головой наблюдателя. Нижняя часть его погружена в тень и не рассеивает свет, верхняя освещена всеми лучами и рассеивает свет так же, как дневное небо. Промежуточная же часть столба освещена лишь красными лучами и рассеивает только их. Поэтому цвет сумеречного неба краснее, чем дневного. Различие высот эффективной границы тени для лучей разного цвета появляется только тогда, когда Солнце склоняется к горизонту. По мере того, как Солнце опускается под горизонт, объем, освещенный красными лучами, увеличивается, и небо краснеет. Если за горизонтом находятся облака, то эффективная граница тени для красных лучей поднимается (облака их загораживают) и небо синеет. Сами же облака, располагаясь ниже эффективной границы тени для синих лучей, освещены только красными, поэтому они так ярко пылают на заре пурпурным светом.

Но между тенью Земли и заревым сегментом обычно располагается широкий голубоватый пояс. Секрет его сложнее. Цвет неба зависит от того, каково соотношение между количествами света, рассеиваемого в верхней и промежуточной областях воздушного столба. Соотношение же это зависит не только от размеров этих областей, но и от скорости уменьшения с высотой плотности воздуха. Чем быстрее она убывает, тем меньше света рассеивается в верхней части столба, тем краснее небо. Голубая полоса опоясывает те места на небе, где граница земной тени поднимается высоко над Землей. Это означает, что чем выше, тем медленнее убывает плотность воздуха с высотой.

В. Г. Фесенков и Н. М. Штауде обратили внимание на одно важное обстоятельство. Так как плотность воздуха быстро убывает с высотой, то в верхних слоях атмосферы рассеивается очень мало света. Львиная доля света рассеивается в сравнительно тонком слое (толщиной около 20 км), непосредственно примыкающем к эффективной границе земной тени. Поэтому в каждый момент сумерек мы получаем свет, рассеянный в сравнительно небольшом и довольно резко выделанном интервале высот. Когда Солнце у горизонта, то слой лежит недалеко от земной поверхности. По мере того, как Солнце глубже погружается за горизонт, он поднимается все выше и выше. Вот почему блекнет сумеречное небо: чем выше земная тень, тем меньше плотность освещенного Солнцем слоя воздуха, тем слабее рассеивается свет Солнца. Если измерять яркость сумеречного неба в зависимости от высоты рассеивающего слоя, то можно определить, как рассеивает атмосфера на различных высотах, по крайней мере, до 100—120 км.

Когда тень Земли достигает высоты примерно 100 км, небо снова начинает краснеть. Причина этого еще малопонятна, хотя можно полагать, что здесь начинает играть роль повторное рассеяние атмосферой уже однажды рассеянных лучей Солнца.

ВОЗДУШНОЕ ОДЕЯНИЕ ЗЕМЛИ

Теперь за полетом Эос следят уже не только поэты, но и ученые. Они стремятся узнать, каковы плотность и температура воздуха в стратосфере. Первые результаты удивительны. Плотность убывает с высотой медленнее, чем предполагали. Где-то на высоте около 50 км располагается слой теплого воздуха. Это подтверждается новыми и новыми наблюдениями — по измерениям слышимости отдаленных взрывов, из наблюдений яркости полярных сияний и метеоров. Так, на рубеже тридцатых и сороковых годов прошлого века было открыто, что на высоте около 35 км стратосфера сменяется мезосферой — областью, где воздух обогащен озоном и где температура сначала быстро растет с высотой, достигает на высоте около 50 км примерно + 10°С и затем на высоте около 80 км резко падает примерно до —80°С. Здесь мы вступаем уже в область ионосферы, где отражаются радиоволны и температура плавно растет с высотой, достигая на высоте 300 км примерно 1 000°С (заметим кстати, что высокая температура в данном случае определяется скоростью движения молекул, но их так мало и воздух здесь так разрежен, что помещенное там тело заметно не нагревается).

Голубая опояска земной тени — это еще одно убедительное доказательство существования теплой мезосферы. Но как изменчивы цвета одеяний Эос! Причиной неповторимых картин сумеречного неба может быть только присутствие в стратосфере и мезосфере аэрозоля. Это подтверждают и результаты зондирования атмосферы лучом прожектора, который можно проследить до высот 50—60 км. Раньше были известны только таинственные серебристые облака, изредка появляющиеся на высоте 80 км, и перламутровые облака на уровне 25 км. Теперь оказалось, что весь слой атмосферы до 80—100 км замутнен, причем частицы аэрозоля образуют порой облака, переносимые ветром.

Мы еще не знаем, что это за частицы и как они попадают на такие высоты, — быть может, их заносит ветром с земной поверхности, а может быть, это осколки метеоров, постоянно бомбардирующих нашу планету извне. Но они принимают активное участие в жизни не только стратосферы и мезосферы, но и тропосферы. Поэтому изучение их аэрозольной составляющей необходимо для исследования погоды в высоких слоях атмосферы, тех ее слоях, которые начинает завоевывать современная авиация. А ее развитие требует не только знания погоды на этих высотах, но и умение предвидеть и даже управлять ею. Мы только отправляемся в этот путь, и какие нас ждут открытия, еще неизвестно. Но нельзя сомневаться, что юная Эос еще долго будет нашей верной помощницей в научных исследованиях больших высот.

Автор: Г. В. Розенберг.