Тайна вечерней зари

Встала из мрака младая, с перстами пурпурными Эос. (Гомер).

Пятая часть земной поверхности постоянно окутана сумерками. На экваторе они длятся в общей сложности почти одну десятую часть года, а на полюсе (белые ночи) — около трети года. Не случайно большое место занимают зори в поэтических описаниях природы. Но истинные причины столь обыденных и, пожалуй, самых красочных явлений природы найдены не так давно. Оказалось, что главную роль играет строение тех высоких слоев атмосферы, куда устремляются ныне ракеты и высотные самолеты. Это открыло возможность, находясь на земле и наблюдая течение сумерек, получать сведения о состоянии атмосферы на самых различных и пока еще мало доступных высотах. О том, что такое сумерки и какие сведения можно получить с их помощью, и пойдет речь в нашей статье.

ПРЕДЕЛЫ ЗЕМНОГО НЕБА

Неделями неизменна бездонная лазурь южного неба: ни облака, ни тени не проплывает в ее глубине. Но каждый день, едва Солнце приближается к горизонту, это неподвижное спокойствие уступает место стремительной смене красок. Сначала багровеет диск Солнца, постепенно теряющего свой полуденный блеск, и на сияющей синеве проступает легкий румянец. Он разгорается ярче, когда Солнце скрывается за горизонтом. Все разнообразнее становятся краски зари: пурпурные, алые, розовые, зеленые — широко разливаются они по небу. Но в то же время с востока медленно, заполняя небо, поднимается округлая тень Земли, окаймленная розовым поясом. Вначале смутная, она затем все резче выделяется на блекнущем сумеречном небе, и только там, где скрылось Солнце, остается яркое красочное пятно — заревой сегмент.

Да и он быстро уменьшается и скоро исчезает за горизонтом. Небо меркнет. Все прозрачнее становится его пелена, и наконец, выступает звездное небо астрономов и мореходов. А утром вся смена цветов возникает заново, но в обратном порядке, и опять застилает звезды неизменная пылающая лазурь дневного неба.

Веками воспевали поэты красоты древнегреческой богини зари, юной «розовоперстой» Эос, появляющейся всегда в новых праздничных одеждах, чтобы возвестить восход солнца. Но неведомым оставалось ее происхождение. Первым, кто осмелился приподнять покров, скрывающий тайны пленительной Эос, был арабский врач Ибн Эль Хасан, или, на дурной латыни средневековья, Альгазен. Мало, из третьих рук, знаем мы о бурной жизни этого замечательного человека. Но смелость его мысли проложила много новых путей в истории науки. Это он первый понял, что существует свет — нечто материальное, исходящее от светящихся тел, свет, который, попав в наш глаз, создает у нас ощущение светлоты. Это он в глухом XI веке решился впервые анатомировать человеческий глаз.

Тщательно изучив его устройство, Альгазен узнал, что мы видим не сами окружающие нас предметы, а их изображение на глазном дне, и что изображение это создают лучи Солнца, отразившиеся от поверхности предметов. Тогда-то он и задумался: откуда же берется голубая дымка, окутывающая очертания отдаленных гор? Ответ был простым: это свет, отраженный воздухом; Солнце освещает не только горы, но и воздух перед ними. Свет голубого неба — тоже свет Солнца, отраженный воздухом. Когда Солнце скрывается за горизонтом, небо меркнет, воздух становится невидимым и уже не заслоняет света звезд. Значит, лазурное дневное небо — это не мистическое место для поселения богов, а наше, земное небо, светящееся одеяние самой Земли.

Нельзя ли узнать пределы этого одеяния, оценить его толщину? Для этого достаточно выяснить, как высоко простирается тень Земли, когда Солнце перестает освещать воздух и на смену сумеркам приходит ночь. Измерив продолжительность сумерек, Альгазен нашел, что глубина воздушного океана 5 200 шагов; расчеты Альгазена не столь уж далеки от истины, так как, по современным данным, выше этого уровня находится менее одной тысячной доли всей массы воздуха. В XV веке Кеплер уточнил расчеты Альгазена. Но сама идея расчета оставалась зыбкой: гениальной догадки в ней было больше, чем истинного знания. Надо было еще доказать, что воздух отражает свет, и узнать, как он его отражает и рассеивает, а путь до этого был долог.

ЛАЗУРНАЯ ПЕЛЕНА

12 апреля 1961 года человек впервые увидел свою планету извне. Трудно даже вообразить обилие ощущений и впечатлений, выпавших на долю первого космонавта за его короткий полет. Но больше всего привлекли его внимание красота голубого ореола, окутывающего земной шар, и радужные переливы на границе дня и ночи. Уделив им значительную часть своего первого рассказа, Юрий Гагарин тут же прозаически добавил, что все выглядело так, как предвидели ученые.

Как же сложилось предвидение ученых? Еще за 200 лет до того, в 1761 году, Ломоносов впервые увидел световой ореол вокруг другой планеты — Венеры и отсюда заключил, что у нее есть атмосфера. Но ореол Венеры совсем не похож на земной: он желтовато-белого цвета. Чем же атмосфера Венеры отличается от земной? И нельзя ли по виду этого светящегося ореола судить о строении и свойствах атмосферы далекой планеты? Чтобы ответить на эти вопросы, вернемся к земному небу.

Первым, кто на опыте показал, что воздух способен отражать солнечный свет и что этот свет имеет голубую окраску, был Иоган Вольфганг Гете, крупнейший немецкий поэт и естествоиспытатель. Он поместил в лучах Солнца пламя спирта и, рассматривая его нижнюю, несамосветящуюся часть на черном фоне, увидел голубоватую вуаль.

Следующее важное открытие было сделано в 1840 году Форбсом, который обратил внимание, что диск Солнца, если на него смотреть сквозь пары проходящего паровоза, кажется красным. Через 13 лет Брюкке пропустил солнечный луч сквозь обыкновенный мутноватый канцелярский клей. Так же, как у Форбса, луч, пронизавший сосуд с клеем, оказался красновато-желтым. Но если смотреть на сосуд сбоку, то можно было видеть отчетливый ярко-голубой след луча. Это означало, что синие и голубые лучи сильно отражаются частицами клея во все стороны и потому почти не проходят сквозь сосуд, тогда как красные и желтые лучи отражаются очень слабо и проходят сквозь сосуд почти без потерь.

То же самое должно происходить в атмосфере. Синие и голубые лучи Солнца сильно отражаются воздухом, и поэтому небо синее. Красные же почти беспрепятственно проникают сквозь воздушную толщу, и поэтому краснеет диск Солнца, склоняющегося к горизонту, ибо проходимая лучами толща воздуха становится больше, и только красные лучи сохраняют способность пронизать ее, не угаснув.

Наконец, Гови (1860 год) и Тиндаль (1869 год), изучая отражение света дымами, обнаружили, что это совсем не обыкновенное отражение — его законы иные, чем законы отражения от сплошных тел. Стало ясно, что физики натолкнулись на новое явление, получившее впоследствии название рассеяния света малыми частицами, и что именно это явление ответственно за яркость и голубизну дневного неба.

В 1899 году Релей сделал смелое предположение, что свет рассеивается не только инородными частицами, но и молекулами газов, входящих в состав воздуха. Оказалось, что их способность рассеивать свет тем больше, чем короче длина световой волны; синие лучи рассеиваются в 2,5 раза сильнее зеленых и в 5 раз сильнее красных. Кроме того, выяснилось, что способность рассеивать свет пропорциональна числу молекул, то есть плотности воздуха. Возникла удивительная возможность. Измеряя ослабление прямых лучей Солнца, можно было подсчитать число рассеивающих свет молекул на пути луча сквозь атмосферу, а отсюда вычислить и их количество в кубическом сантиметре. Такие расчеты были выполнены в 1902 году Кельвином, и полученные им результаты хорошо согласовались с результатами измерения той же величины другими способами. Так было получено доказательство справедливости теории рассеяния света, а вместе с тем и объяснения голубого свечения дневного неба. Это было и одним из первых доказательств реальности существования молекул вообще.

Однако воздух никогда не бывает чистым. В нем всегда витают инородные частицы: пылинки, капельки воды, кристаллики льда, споры растений (их взвеси объединяют под общим названием аэрозоль). Они тоже рассеивают свет, но иначе, чем молекулы, и окраска рассеянного света зависит от размеров и природы частиц. Заслуживают ли внимания эти ничтожные частички, случайно смешавшиеся с воздухом? Да, и даже самого пристального. Ведь сам воздух меняется очень мало и рассеивает свет всегда почти одинаково. Но как сильно изменяется ото дня ко дню оптическое состояние атмосферы! То она очень прозрачна, и можно различать горы, отстоящие на сотни километров, то все окутывается густой непроглядной дымкой.

В этом виноваты исключительно частицы аэрозоля, очень изменчивые и почти неуловимые, — многие из них мы обнаруживаем только по помутнению воздуха. Именно густые облака пылинок придают желтовато-белесый цвет атмосфере Венеры. Следовательно, от присутствия аэрозоля, от размеров, концентрации и происхождения частиц зависят условия видимости и освещения и даже тепловой режим самой атмосферы, почвы и сельскохозяйственных культур. Напомним, что для защиты садов от мороза их окуривают дымом, то есть одевают в облако аэрозоля. Поэтому очень важно узнать, как распределяется аэрозоль в воздушном океане, как он изменяется и переносится. Тогда откроются перед нами пути не только для прогноза влияния этого явления на нашу жизнь, но и для активного вмешательства в жизнь природы. Прямой путь к этому — изучение той световоздушной дымки, которая на Земле застилает отдаленные предметы днем, а на высоте становится видимой с Земли в сумеречные часы.

Продолжение следует.

Автор: Г. В. Розенберг.