Анатомія зорі

Що ж таке сутінки, і чому змінюються фарби зорі? Ледве було відкрито явище розсіювання світла, як в 1863 році Бецольд висловив правильне пояснення сутінкових явищ. Незабаром Грунер запропонував «математичну теорію зорі», але вона залишилася в архівах науки: для розрахунку сутінкових явищ треба було знати будову атмосфери, а відомості про неї в ті часи були дуже бідні.

Ще в XVII-XVIII століттях вимірювання на горах і за допомогою повітряних куль показали, що щільність повітря швидко зменшується з висотою. Одночасно знижується і температура – в середньому на 6 °С через кожен кілометр висоти. Спостереження за хмарами показували, що вони завжди розташовуються нижче 10-11 км. Не викликало сумнівів, що тільки в цьому порівняно тонкому приземному шарі – тропосфері – відбуваються події, які ми називаємо погодою: дмуть вітри, випадають опади, вибухають грози, мінлива температура. А вище? Вище повинна була розташовуватися пустеля – нерухоме кристально чисте повітря, сильно розріджене, з щільністю, що швидко убуває по висоті і температурою. Правда, на рубежі XX століття було виявлено, що вище 9-11 км. температура перестає падати. Цю область постійної температури назвали стратосферою, але як далеко вона тягнеться вгору, залишалося загадкою.

Перша спроба розірвати покрив таємниці була зроблена в 1915 році В. Г. Фесенковим. Якщо, міркував він, не можна розрахувати явища зорі тому, що нам невідома будова атмосфери, то можна поставити зворотну задачу – дослідити атмосферу, спостерігаючи зорю і користуючись її теорією. Знову ідея Альгазена привернула увагу вчених, і висока поезія знання повела міфологічну Еос на анатомічний стіл.

Щоб правильно використовувати сутінки, необхідно було перш скласти чітке уявлення про роль різних чинників у їх утворенні. Це було виконано в роботах В. Г. Фесенкова, Н. М. Штауде, Ф. Лінка, та інших.

Простежимо спочатку за променями, що висвітлюють атмосферу після заходу Сонця. Виходячи з-за обрію, вони спершу занурюються в атмосферу, ковзають вздовж земної поверхні і потім знову йдуть вгору. При цьому промені розсіюються повітрям і послаблюються. До речі, ті з них, які проходять повз Землю поблизу від її поверхні, слабшають набагато більше, ніж ті, які ковзають на великих висотах з меншою щільністю повітря. Самі нижні шари атмосфери практично зовсім непрозорі для ковзних променів. Це можна бачити, наприклад, по тіні Землі на Місяці під час затемнень: радіус тіні завжди більше радіуса Землі.

Уявімо собі супутник, що вилітає з області тіні. Просуваючись по небу, він буде все яскравіше висвітлюватися менш і менш ослабленими променями. А так як щільність повітря з висотою швидко убуває, то перехід від тіні до світла буде хоча і плавним, але крутим. Практично супутник опиниться освітленим тільки тоді, коли на нього впадуть промені, що проходять повз Землю на деякій висоті (вони утворюють як би ефективний кордон земної тіні). Для слабо-розсіюваних червоних променів висота ця дорівнює 3-5 км, для сильно-розсіюваних синіх променів вона досягає 25-30 км. Тому супутник спочатку буде висвітлено тільки червоними променями, потім до них приєднаються жовті, зелені, блакитні і, нарешті, сині. Так само буде освітлене і повітря навколо супутника (і на всьому шляху променя, що висвітлює його).

Уявімо собі тепер стовп повітря над головою спостерігача. Нижня частина його занурена в тінь і не розсіює світло, верхня висвітлена усіма променями і розсіює світло так само, як денне небо. Проміжна ж частина стовпа висвітлена лише червоними променями і розсіює тільки їх. Тому колір сутінкового неба червоніший, ніж денного. Різниця висот ефективного кордону тіні для променів різного кольору з’являється тільки тоді, коли Сонце схиляється до горизонту. У міру того, як Сонце опускається під горизонт, обсяг, освітлений червоними променями, збільшується, і небо червоніє. Якщо за горизонтом знаходяться хмари, то ефективна межа тіні для червоних променів піднімається (хмари їх загороджують) і небо синіє. Самі ж хмари, розташовуючись нижче ефективного кордону тіні для синіх променів, висвітлені тільки червоними, тому вони так яскраво палають на зорі пурпуровим світлом.

Але між тінню Землі і зоряним сегментом зазвичай розташовується широкий блакитний пояс. Секрет його складніше. Колір неба залежить від того, яке співвідношення між кількостями світла, що розсіюється у верхній і проміжній областях повітряного стовпа. Співвідношення ж це залежить не тільки від розмірів цих областей, але і від швидкості зменшення з висотою щільності повітря. Чим швидше вона убуває, тим менше світла розсіюється у верхній частині стовпа, тим червоніше небо. Блакитна смуга опоясує ті місця на небі, де межа земної тіні піднімається високо над Землею. Це означає, що чим вище, тим повільніше убуває щільність повітря з висотою.

В. Г. Фесенков і Н. М. Штауде звернули увагу на одну важливу обставину. Так як щільність повітря швидко зменшується з висотою, то у верхніх шарах атмосфери розсіюється дуже мало світла. Левова частка світла розсіюється в порівняно тонкому шарі (завтовшки близько 20 км), що безпосередньо примикає до ефективної межі земної тіні. Тому в кожен момент сутінків ми отримуємо світло, розсіяне в порівняно невеликому і досить різко вичиненому інтервалі висот. Коли Сонце в обрію, то шар лежить недалеко від земної поверхні. У міру того, як Сонце глибше занурюється за горизонт, воно піднімається все вище і вище. Ось чому блякне сутінкове небо: чим вище земна тінь, тим менше щільність освітленого Сонцем шару повітря, тим слабкіше розсіюється світло Сонця. Якщо вимірювати яскравість сутінкового неба залежно від висоти розсіюваного шару, то можна визначити, як розсіюється атмосфера на різних висотах, принаймні, до 100-120 км.

Коли тінь Землі досягає висоти приблизно 100 км, небо знову починає червоніти. Причина цього ще малозрозуміла, хоча можна вважати, що тут починає грати роль повторне розсіювання атмосферою вже одного разу розсіяних променів Сонця.

ПОВІТРЯНІ ШАТИ ЗЕМЛІ

Тепер за польотом Еос стежать вже не тільки поети, а й вчені. Вони прагнуть дізнатися, які щільність і температура повітря в стратосфері. Перші результати дивні. Щільність зменшується з висотою повільніше, ніж передбачали. Десь на висоті близько 50 км розташовується шар теплого повітря. Це підтверджується новими і новими спостереженнями – за вимірюваннями чутності віддалених вибухів, зі спостережень яскравості полярних сяйв і метеорів. Так, на рубежі тридцятих і сорокових років минулого століття було відкрито, що на висоті близько 35 км стратосфера змінюється мезосферою – областю, де повітря збагачене озоном і де температура спочатку швидко зростає з висотою, досягає на висоті близько 50 км приблизно +10 ° С і потім на висоті близько 80 км різко падає приблизно до -80 ° С. Тут ми вступаємо вже в область іоносфери, де відображаються радіохвилі і температура плавно зростає з висотою, досягаючи на висоті 300 км приблизно 1000 ° С (зауважимо до речі, що висока температура в даному випадку визначається швидкістю руху молекул, але їх так мало і повітря тут таке розріджене, що поміщене там тіло помітно не нагрівається).

Блакитна опояска земної тіні – це ще один переконливий доказ існування теплої мезосфери. Але як мінливі кольори шат Еос! Причиною неповторних картин сутінкового неба може бути тільки присутність в стратосфері і мезосфері аерозолю. Це підтверджують і результати зондування атмосфери променем прожектора, який може простежити до висот 50-60 км. Раніше були відомі тільки таємничі сріблясті хмари, що зрідка з’являються на висоті 80 км, і перламутрові хмари на рівні 25 км. Тепер виявилося, що весь шар атмосфери до 80-100 км замутнений, причому частки аерозолю утворюють часом хмари, що переносяться вітром.

Ми ще не знаємо, що це за частинки і як вони потрапляють на такі висоти, – можливо, їх заносить вітром із земної поверхні, а може бути, це осколки метеорів, що постійно бомбардують нашу планету ззовні. Але вони беруть активну участь у житті не тільки стратосфери і мезосфери, але і тропосфери. Тому вивчення їх аерозольної складової необхідно для дослідження погоди у високих шарах атмосфери, тих її шарах, які починає завойовувати сучасна авіація. А її розвиток вимагає не тільки знання погоди на цих висотах, а й вміння передбачати і навіть керувати нею. Ми тільки вирушаємо в цей шлях, і які нас чекають відкриття, ще невідомо. Але не можна сумніватися, що юна Еос ще довго буде нашою вірною помічницею в наукових дослідженнях великих висот.

Автор: Г. В. Розенберг.