Таємниця вечірньої зорі

Встала з мороку молода, з перстами пурпурними Еос. (Гомер).

П’ята частина земної поверхні постійно оповита сутінками. На екваторі вони тривають в цілому майже одну десяту частину року, а на полюсі (білі ночі) – близько третини року. Не випадково велике місце займають зорі в поетичних описах природи. Але справжні причини настільки повсякденних і, мабуть, найяскравіших явищ природи знайдені не так давно. Виявилося, що головну роль грає будова тих високих шарів атмосфери, куди спрямовуються нині ракети і висотні літаки. Це відкрило можливість, перебуваючи на землі і спостерігаючи течію сутінків, отримувати відомості про стан атмосфери на самих різних і поки ще мало доступних висотах. Про те, що таке сутінки і які відомості можна отримати з їх допомогою, і піде мова в нашій статті.

МЕЖІ ЗЕМНОГО НЕБА

Тижнями незмінна бездонна блакить південного неба: ні хмари, ні тіні не пропливає в її глибині. Але кожен день, ледь Сонце наближається до обрію, цей нерухомий спокій поступається місцем швидкій зміні фарб. Спочатку червоніє диск Сонця, поступово втрачає свій полуденний блиск, і на сяючій блакиті проступає легкий рум’янець. Він розгорається яскравіше, коли Сонце ховається за горизонтом. Урізноманітнюються фарби зорі: пурпурні, червоні, рожеві, зелені – широко розливаються вони по небу. Але в той же час зі сходу повільно, заповнюючи небо, піднімається округла тінь Землі, облямована рожевим поясом. Спочатку смутна, вона потім все різкіше виділяється на блякнучому сутінковому небі, і тільки там, де сховалося Сонце, залишається яскрава барвиста пляма – зірковий сегмент.

Та й він швидко зменшується і скоро зникає за горизонтом. Небо меркне. Все прозоріше стає його пелена, і нарешті, виступає зоряне небо астрономів і мореплавців. А вранці вся зміна кольорів виникає заново, але в зворотному порядку, і знову застилає зірки незмінна палаюча блакить денного неба.

Століттями оспівували поети красу давньогрецької богині зорі, юної «розовострокатої» Еос, що з’являється завжди в нових святкових одежах, щоб сповістити схід сонця. Але невідомим залишалося її походження. Першим, хто наважився підняти покрив, що приховує таємниці чарівної Еос, був арабський лікар Ібн Ель Хасан, або, на поганій латині середньовіччя, Альгазена. Мало, з третіх рук, знаємо ми про бурхливе життя цього чудового чоловіка. Але сміливість його думки проклала багато нових шляхів в історії науки. Це він перший зрозумів, що існує світло – щось матеріальне, що виходить від світних тіл, світло, яке, потрапивши в наше око, створює у нас відчуття світлоти. Це він у глухому XI столітті зважився вперше анатомувати людське око.

Ретельно вивчивши його пристрій, Альгазена дізнався, що ми бачимо не власне навколишні нас предмети, а їх зображення на очному дні, і що зображення це створюють промені Сонця, що відбилися від поверхні предметів. Тоді-то він і задумався: звідки ж береться блакитний серпанок, що огортає обриси віддалених гір? Відповідь була простою: це світло, відбите повітрям; Сонце освітлює не тільки гори, а й повітря перед ними. Світло блакитного неба – теж світло Сонця, відбите повітрям. Коли Сонце ховається за горизонтом, небо меркне, повітря стає невидимим і вже не затуляє світла зірок. Значить, блакитне денне небо – це не містичне місце для поселення богів, а наше, земне небо, світле одіяння самої Землі.

Чи не можна дізнатися межі цієї одежі, оцінити її товщину? Для цього достатньо з’ясувати, як високо простягається тінь Землі, коли Сонце перестає висвітлювати повітря і на зміну сутінків приходить ніч. Вимірявши тривалість сутінків, Альгазена знайшов, що глибина повітряного океану 5200 кроків; розрахунки Альгазени не настільки вже й далекі від істини, оскільки, за сучасними даними, вище цього рівня знаходиться менше однієї тисячної частки всієї маси повітря. У XV столітті Кеплер уточнив розрахунки Альгазена. Але сама ідея розрахунку залишалася хиткою: геніальної здогадки в ній було більше, ніж істинного знання. Треба було ще довести, що повітря відбиває світло, і дізнатися, як воно його відображає і розсіює, а шлях до цього був довгий.

ЛАЗУРНА ПЕЛЕНА

12 квітня 1961 року чоловік вперше побачив свою планету ззовні. Важко навіть уявити велику кількість відчуттів і вражень, що випали на долю першого космонавта за його короткий політ. Але найбільше привернули його увагу краса блакитного ореолу, що огортає земну кулю, і райдужні переливи на кордоні дня і ночі. Приділивши їм значну частину своєї першої розповіді, Юрій Гагарін тут же прозаїчно додав, що все виглядало так, як передбачали вчені.

Як же склалося передбачення вчених? Ще за 200 років до того, в 1761 році, Ломоносов вперше побачив світловий ореол навколо іншої планети – Венери і звідси висновок, що у неї є атмосфера. Але ореол Венери зовсім не схожий на земний: він жовтувато-білого кольору. Чим же атмосфера Венери відрізняється від земної? І чи не можна по виду цього світлого ореолу судити про будову і властивості атмосфери далекої планети? Щоб відповісти на ці питання, повернемося до земного неба.

Першим, хто на досліді показав, що повітря здатне відбивати сонячне світло і що це світло має блакитне забарвлення, був Іоган Вольфганг Гете, великий німецький поет і натураліст. Він помістив у променях Сонця полум’я спирту і, розглядаючи його нижню, несамосвітну частину на чорному тлі, побачив блакитнувату вуаль.

Наступне важливе відкриття було зроблено в 1840 році Форбсом, який звернув увагу, що диск Сонця, якщо на нього дивитися крізь пари паровоза, здається червоним. Через 13 років Брюкке пропустив сонячний промінь крізь звичайний мутнуватий канцелярський клей. Так само, як у Форбса, промінь, що пронизав посудину з клеєм, виявився червонувато-жовтим. Але якщо дивитися на посудину збоку, то можна було бачити виразний яскраво-блакитний слід променя. Це означало, що сині і блакитні промені сильно відбиваються частинками клею на всі боки і тому майже не проходять крізь посудину, тоді як червоні і жовті промені відбиваються дуже слабо і проходять крізь посудину майже без втрат.

Те ж саме має відбуватися в атмосфері. Сині і блакитні промені Сонця сильно відбиваються повітрям, і тому небо синє. Червоні ж майже безперешкодно проникають крізь повітряну товщу, і тому червоніє диск Сонця, що схиляється до горизонту, бо прохідна променями товща повітря стає більше, і тільки червоні промені зберігають здатність пронизати її, не погаснувши.

Нарешті, Гові (1860 рік) і Тіндаль (1869 рік), вивчаючи віддзеркалення світла димами, вони виявили, що це зовсім не звичайне відображення – його закони інші, ніж закони відбиття від суцільних тіл. Стало ясно, що фізики натрапили на нове явище, що отримало згодом назву розсіювання світла малими частинками, і що саме це явище відповідально за яскравість і блакить денного неба.

У 1899 році Релей зробив сміливе припущення, що світло розсіюється не тільки сторонніми частинками, а й молекулами газів, що входять до складу повітря. Виявилося, що їх здатність розсіювати світло тим більше, чим коротше довжина світлової хвилі; сині промені розсіюються в 2,5 рази сильніше зелених і в 5 разів сильніше червоних. Крім того, з’ясувалося, що здатність розсіювати світло пропорційна числу молекул, тобто щільності повітря. Виникла дивна можливість. Вимірюючи ослаблення прямих променів Сонця, можна було підрахувати число розсіюючих світло молекул на шляху променя крізь атмосферу, а звідси обчислити і їх кількість в кубічному сантиметрі. Такі розрахунки були виконані в 1902 році Кельвіном, і отримані ним результати добре узгоджувалися з результатами вимірювання тієї ж величини іншими способами. Так було отримано доказ справедливості теорії розсіювання світла, а разом з тим і пояснення блакитного світіння денного неба. Це було і одним з перших доказів реальності існування молекул взагалі.

Однак повітря ніколи не буває чистим. У ньому завжди витають чужорідні частинки: порошинки, крапельки води, кристалики льоду, спори рослин (їх суспензії об’єднують під загальною назвою аерозоль). Вони теж розсіюють світло, але інакше, ніж молекули, і забарвлення розсіяного світла залежить від розмірів і природи частинок. Чи заслуговують уваги ці нікчемні частинки, що випадково змішалися з повітрям? Так, і навіть найпильнішої. Адже саме повітря змінюється дуже мало і розсіює світло завжди майже однаково. Але як сильно змінюється від дня до дня оптичний стан атмосфери! То вона дуже прозора, і можна розрізняти гори, віддалені на сотні кілометрів, то все огортається густим непроглядним серпанком.

У цьому винні виключно частинки аерозолю, дуже мінливі і майже невловимі, – багато з них ми виявляємо тільки по помутнінню повітря. Саме густі хмари пилинок надають жовтувато-білявий колір атмосфері Венери. Отже, від присутності аерозолю, від розмірів, концентрації та походження часток залежать умови видимості та освітлення і навіть тепловий режим самої атмосфери, ґрунту і сільськогосподарських культур. Нагадаємо, що для захисту садів від морозу їх обкурюють димом, тобто одягають у хмару аерозолю. Тому дуже важливо дізнатися, як розподіляється аерозоль в повітряному океані, як він змінюється і переноситься. Тоді відкриються перед нами шляхи не тільки для прогнозу впливу цього явища на наше життя, але й для активного втручання в життя природи. Прямий шлях до цього – вивчення тієї світлоповітряної димки, яка на Землі застилає віддалені предмети вдень, а на висоті стає видимою з Землі в сутінкові години.

Далі буде.

Автор: Г. В. Розенберг.