Карл Саган - Голубая точка. Космическое будущее человечества

В августе 1957 г. человек впервые проник за пределы синевы и осмотрелся. Это был Дэвид Симонс, бывший офицер ВВС и врач, оказавшийся на максимальной высоте за всю предыдущую историю человечества. Управляя аэростатом, он в одиночку поднялся до 30-километровой высоты и сквозь толстые иллюминаторы увидел иное небо. Доктор Симонс, впоследствии ставший профессором Медицинской школы Калифорнийского университета в Ирвайне, вспоминал, что над ним открылось темное, насыщенно-фиолетовое небо. Он достиг переходной зоны, где синева приповерхностной атмосферы постепенно уступает место идеальной космической черноте.

Со времен полузабытого полета Симонса представители многих наций побывали за пределами атмосферы. Сегодня по результатам многократных наблюдений, выполненных пилотируемыми (и автоматическими) экспедициями, известно, что дневное небо в космосе черное. Солнце ярко освещает ваш корабль. Земля под вами искрится огнями. Но небо черно как ночью.

Вот знаменитое описание, сделанное Юрием Гагариным – первым человеком, оказавшимся в космосе и рассказавшим, что он увидел с борта корабля «Восток-1» 12 апреля 1961 г.:

Небо совершенно черное. Величина звезд и их яркость немножко четче на этом черном фоне. Виден очень красивый горизонт, видна окружность Земли, горизонт имеет красивый голубой цвет. У самой поверхности Земли нежно-голубой цвет, постепенно темнеющий и переходящий в фиолетовый оттенок, который плавно переходит в черный цвет.

Естественно, цвет дневного неба – вся эта синева – как-то связан с атмосферой. Но если вы посмотрите на человека, сидящего за столом напротив вас, он (скорее всего) не покажется вам синеватым. Соответственно, цвет неба возникает не просто в силу наличия воздуха, а из-за того, что атмосфера очень мощная. Если присмотреться к Земле из космоса, то можно различить, что она окружена тонкой голубой лентой, по толщине примерно такой, как нижние слои атмосферы. Действительно, это и есть нижняя часть атмосферы. Выше этой зоны заметно, как голубое небо постепенно сменяется черным космосом. Именно в этой переходной зоне впервые оказался Симонс, ее же первым наблюдал сверху Гагарин. Обычный космический полет начинается в нижней голубой части атмосферы, эта зона преодолевается в течение нескольких минут после старта. Затем вы оказываетесь в беспредельном пространстве, где нельзя даже сделать вдох без помощи сложной системы жизнеобеспечения. Человеческая жизнь напрямую зависит от существования этого голубого неба. Мы вправе считать его ласковым и священным.

Днем небо кажется нам голубым, поскольку солнечный свет рассеивается в воздухе вокруг нас и над нами. В безоблачную ночь небо черное, так как отсутствует достаточно интенсивный источник света и рассеиваться нечему. Почему-то в воздухе рассеивается преимущественно голубой свет. В чем дело?

Видимый свет, прилетающий от Солнца, окрашен в разные цвета – фиолетовый, синий, зеленый, желтый, оранжевый – в зависимости от длины световой волны. (Длина волны – это расстояние между ее соседними гребнями во время перемещения волны по воздуху или по космосу.) Фиолетовые и синие волны самые короткие, оранжевые и красные – самые длинные. Мы различаем цвета в зависимости от того, как именно наши глаза и мозг воспринимают свет с разной длиной волны. Мы с тем же успехом могли бы слышать волны света как звуки разной высоты, но наши органы чувств развивались иначе.

Если смешать вместе все цвета радуги, как в солнечном свете, то получится почти белый оттенок. Эти волны все вместе за восемь минут преодолевают 150 млн км пространства, отделяющих Землю от Солнца. Попадают в земную атмосферу, состоящую в основном из молекул азота и кислорода. Некоторые волны отражаются обратно в космос. Другие отскакивают от молекулы к молекуле, и в это время их можно увидеть. Кроме того, некоторые волны отражаются в космос от облаков и поверхности Земли. Подобное отскакивание волн света в атмосфере и называется «рассеяние».

Но молекулы воздуха по-разному рассеивают свет в зависимости от длины волны. Если длина волны больше, чем размер молекулы, то такие волны рассеиваются хуже; они обтекают молекулы, практически «не замечая» их. Те волны, длина которых сопоставима с поперечником молекулы, рассеиваются сильнее. Кроме того, волнам сложно обтекать препятствия, сравнимые с ними по размеру. Вспомните, как расходятся морские волны от свай пирса или волны в ванне от резиновой уточки. Короткие волны света, которые мы воспринимаем как синие и фиолетовые, рассеиваются эффективнее, чем более длинные – красный и оранжевый свет. Когда в безоблачный день мы смотрим в ясное небо и восхищаемся его синевой, мы убеждаемся, что в воздухе рассеиваются преимущественно короткие волны солнечного света. Это явление называется «рэлеевское рассеяние» – в честь английского физика, который впервые дал ему правильное объяснение. Сигаретный дым имеет голубой оттенок по той же причине: частицы, из которых он состоит, в поперечнике сопоставимы с длиной волны голубого света.

Итак, почему же закат красный? Дело в том, что, когда вся синяя часть спектра рассеется в воздухе, от солнечного света остается именно красная составляющая. Поскольку атмосфера – это тонкая газовая оболочка, окутывающая твердый земной шар и удерживаемая его гравитацией, солнечный свет на закате (или на восходе) должен пройти по более длинной наклонной траектории, чем в полдень. Поскольку фиолетовые и синие волны рассеиваются еще активнее, когда этот путь увеличивается (по сравнению с полуднем, когда солнце у нас над головой), мы, глядя на закатное солнце, видим остаток спектра – те волны, которые почти не рассеиваются, в частности, красные и оранжевые. В голубом небе получается красный закат. Полуденное солнце кажется желтоватым отчасти потому, что излучает желтый свет активнее, чем остальные цвета спектра, а также потому, что даже в полдень часть голубого света все-таки расcеивается в земной атмосфере.

Иногда говорят, что ученые не романтичны, что их стремление все разложить по полочкам лишает мир красоты и волшебства. Но разве не волнительно понимать, как именно устроен мир – знать, что белый свет состоит из всех цветов радуги, что воспринимаемые нами цвета соответствуют длинам волн, что прозрачный воздух отражает свет, что различные волны света отражаются по-разному и что небо голубое именно по той причине, по которой закат – красный? Солнечный закат не становится менее романтичным оттого, что мы знаем о нем чуть больше.

Поскольку размеры большинства простых молекул примерно одинаковы (около стомиллионной доли сантиметра), голубой цвет земного неба не слишком зависит от состава воздуха, так как воздух не поглощает свет. Молекулы кислорода и азота не поглощают видимый свет; они просто отражают его под углом от источника. Однако другие молекулы могут впитывать свет. Оксиды азота (соединения азота с кислородом), образующиеся в автомобильных двигателях и в промышленных факелах, окрашивают смог в угрюмые бурые оттенки. Оксиды азота поглощают свет; это, как и рассеяние, может влиять на цвет неба.