Какое небо на марсе. Какого цвета небо? Почему небо голубое с точки зрения физики? Цвет неба на других планетах

Какого цвета небо на Марсе? Астрофизик Сантьяго Перес-Ойос об атмосфере Марса, эффекте Пуркине и восприятии цвета марсианского неба человеческим глазом В настоящий момент есть много фотографий Марса, но не все из них позволяют судить о цвете неба на этой планете. На многих из них слишком высок баланс белого, поэтому наше зрение не позволяет нам различить контрасты на этих фотографиях. К счастью, есть довольно интересные исследования, в которых ученые пытаются различить цвета на небе Марса и объяснить их физическими закономерностями. В рамках программы Mars Exploration Rover ученые NASA доставили на красную планету марсоходы Spirit, Oppotunity и Bell III. Марсоходы были оборудованы панорамными камерами Pancam Instrument. Ученые получили радиометрические калиброванные изображения, с помощью которых можно определить цвет неба. Данные изображений были трансформированы в физические величины (поток и сияние) с учетом спектральной чувствительности камеры и фильтров, солнечного излучения, достигающего поверхности Марса, и других факторов. Spirit и Oppotunity сфотографировали синевато-черное и черное небо в тех слоях атмосферы, где нет пыли. Однако большую часть времени в атмосфере Марса много пыли, поэтому чаще всего небо другого цвета. Цвет неба на Марсе зависит от того, как солнечное излучение рассеивается из прямого светового луча и освещает поверхность, а также от того, как рассеянные лучи поглощаются молекулами и частицами в атмосфере. Например, если бы не было никакой атмосферы, как на Луне, то было бы темное небо и желтое Солнце. На Земле небо голубое из-за рэлеевского рассеяния, из-за которого молекулы с радиусом меньше длины волны радиации (примерно 1/10) лучше рассеиваются на более коротких волнах. При этом сечение рассеивания обратно пропорционально четвертой степени длины волны. Атмосфера Марса гораздо тоньше, поэтому молекулярное рассеивание менее эффективно. Марсианская пыль, возможно, играет ту же роль, что и молекулы воздуха на Земле, которые рассеивают короткие волны света и способствуют формированию голубого неба и красного заката на Земле. На Марсе это работало бы так же, если бы частицы рассеивали свет без какого-либо поглощения. Однако марсианская пыль богата голубым поглощающим оксидом железа, который производит обратный эффект и просто уводит короткие волны света от потока излучения. Марсоходы сделали снимки «темного желтовато-коричневатого» неба в обычной ситуации, когда много пыли остается в атмосфере Марса. Но так как иногда из-за пыли небо кажется более голубым (из-за рассеивания света) или красным (из-за поглощения света), здесь нужно более глубинное понимание. Курт Элерс и его коллеги провели исследование, которое ценится всеми, кто знаком с атмосферной оптикой. Элерс и коллеги рассмотрели комплексный эффект от пыли микронного размера, поглощающей синий свет, и продемонстрировали, что покраснение немного более эффективно и ведет к желтовато-коричневому цвету неба в «пыльных ситуациях». Кроме того, более длинные волны (красные) и более короткие волны (синие) рассеиваются очень по-разному, производя интересные эффекты, такие как голубое свечение, которое следует за Солнцем на пути к небу Марса. Согласно этому исследованию, небо желтовато-коричневатого цвета, а Солнце светится голубым и особенно хорошо видно во время заката. Но это все сложнее, чем можно представить. Так как Марс находится на расстоянии 1,5 астрономических единиц от Солнца, количество света на поверхности вдвое меньше, чем на Земле. Из-за недостаточного освещения наши глаза переключают чувствительность на голубой свет, потому что мы переключаемся от использования колбочек, чувствительных к цвету, на использование палочек, не воспринимающих цвета. Это называется эффект Пуркине. Поэтому первый астронавт, который окажется на Марсе, вероятно, опишет небо более голубым, чем можно ожидать.

Видео заходящего солнца выше было сделано с помощью марсохода «Оппортьюнити», который бороздил марсианские ландшафты более 10 лет.

Когда Солнце заходит или поднимается на Земле, оно сжимается как дыня из-за атмосферной рефракции (преломления). Толстый слой воздуха, прилегающий к горизонту, изгибает свет Солнца наверх, выталкивая дно солнечного диска в верхнюю половину, которая меньше подвержена рефракции, поскольку находится выше. Как только Солнце поднимается достаточно высоко и мы уже смотрим на него через меньший слой атмосферы, рефракция убывает и диск снова становится круглым.

Можно много раз пересмотреть видео марсианских закатов, но форма Солнца не изменится. Догадываетесь, почему? Потому что воздух слишком тонкий, чтобы рефракция была хоть сколько-нибудь заметна.

Сумерки задерживаются на Красной планете дольше, поскольку взвешенная в стратосфере пыль отражает свет Солнца в течение двух или более часов после захода Солнца.

Итак, само видео:

А это снимки марсианского заката, сделанные «Кьюриосити»

Во время восхода и захода Солнца марсианское небо в зените имеет красновато-розовый цвет, а в непосредственной близости к диску Солнца - от голубого до фиолетового.

А какое же небо на других планетах?

На Луне, а также на Меркурии атмосферы нет. Ничто не отражает лучи света. Поэтому небо черное и на нем ярко мерцают звезды. Но с поверхности Луны открывается потрясающий вид на нашу планету.

Плутон

Об атмосфере Плутона известно… почти ничего не известно. Мы знаем, что она довольно велика, но крайне разрежена. Кроме того, состав и величина атмосферы Плутона меняется в зависимости от расстояния до Солнца. Дело в том, что при движении по орбите расстояние между этой карликовой планетой и Солнцем меняется почти в два раза. Поэтому, когда Плутон далеко от Солнца, его атмосфера съёживается: газы замерзают и выпадают на планету в виде льда. Когда Плутон подходит к Солнцу ближе, немного льда испаряется, и атмосфера Плутона увеличивается. Поэтому говорить о том, какого цвета небо Плутона, довольно сложно.

Предположительно такой вид открывается с Плутона:

Венера

Атмосфера Венеры настолько плотная, что через её толщу днём на небе нельзя разглядеть Солнце, а уж звёзды ночью и подавно никто не увидит. Советские зонды серии «Венера» передали несколько цветных снимков с поверхности. Судя по ним, небо на Венере тёмно-оранжевого или красного цвета.

Такой снимок передал аппарат Венера-13 (это обработка старых черно-белых фотографий, основанная на вычислениях).

Сатурн

Небо Сатурна может оказаться самым впечатляющим. Состав атмосферы Сатурна таков, что небо у границы атмосферы должно казаться голубым и желтеть с погружением вглубь. Все газовые планеты имеют кольца, но в отличие от других, Сатурн – обладатель самых заметных и больших колец. Они очень хорошо видны из верхних слоёв атмосферы.

Представьте себе огромную серебряную дугу, состоящую из множества тонких колец и проходящую через всё небо. В серебряных кольцах иногда посверкивают маленькие блёстки, особенно на восходе или закате. После захода солнца эта серебряная лента ещё продолжает быть освещённой Солнцем.

Интересно, что толщина колец всего километр, поэтому с экватора Сатурна их почти не видно. Словом, на Сатурне стоит побывать, и если туда когда-либо попадёт человек, то он никогда не разочаруется в увиденном.

Уран

Уранианское (именно так по правилам русского языка звучит прилагательное от существительного «Уран») небо должно иметь очень красивый голубовато-зелёный, аквамариновый цвет. Землю называют голубой планетой, хотя на самом деле из космоса она более кажется белой, нежели голубой, из-за наличия белых облаков в атмосфере. Подлинно голубой планетой в Солнечной системе является Уран.

Таким удивительным цветом планета обязана составу своей атмосферы. В верхних слоях атмосферы присутствует немного метана, который очень хорошо поглощает красный свет, а отражает голубой и зелёный. Поэтому верхние слои атмосферы будут светло-голубого цвета, а при движении вглубь небо будет темнеть и краснеть. У Урана тоже есть своя система пылевых колец, но вряд ли их можно будет разглядеть даже из верхних слоёв атмосферы, поскольку они очень разреженные и тёмные.

Нептун

Атмосфера Нептуна очень похожа по составу на атмосферу Урана, но небольшие различия в пропорциях газов приводят к тому, что цвет внешних слоёв атмосферы синее. О том, что происходит при движении вглубь атмосферы, нам остаётся только догадываться.

Известно тринадцать спутников Нептуна. Наибольший из них – Тритон - будет казаться чуть крупнее нашей Луны; следующий за ним по размеру Протей будет в половину меньше. Остальные луны Нептуна малы и будут видны как обыкновенные звёздочки.

Юпитер

На Юпитере все дни пасмурные. Он не имеет твердой поверхности, это газовый гигант. Газ, из которого он состоит, просто становится плотнее с глубиной. А вверху он формирует сплошные плотные облака. Цвета облаков изменяются с высотой: нижние облака голубые, потом идут коричневые и белые, и, наконец, красные -- самые верхние. Иногда можно увидеть более низкие слои через дыры в верхних.

На трехмерном изображении показан упрощенный вид того, что можно увидеть, находясь между слоями облаков на Юпитере. Картинка составлена на основе данных, полученных камерами космического корабля "Галилео".

Осирис

Экзопланета HD209458b – одна из первых открытых экзопланет. Планета Осирис находится очень близко возле своего Солнца, это достаточно большая планета, согласно расчётам ее размер составляет около 70 процентов размера Юпитера.

Звезда вокруг которой вращается Осирис белого цвета. Когда она опускается к горизонту, то приобретает слегка сиреневатый оттенок, так как натрий в атмосфере Осириса поглощает свет в красной и оранжевой части спектра. Ближе к поверхности атмосфера Осириса рассеивает голубой свет и Звезда приближаясь к горизонту вначале становится зеленой, а затем зеленовато-коричневой.

Kepler-22 b

Расстояние от планеты Kepler-22 b до ее звезды Kepler-22 примерно на 15% меньше, чем дистанция от Земли до Солнца. Световой поток от Kepler-22 на 25 % меньше, чем от Солнца. Такое сочетание дает ученым основания предполагать, что температура у поверхности Kepler-22 b равна 22°C. Возможно, что планета похожа скорее не на Землю, а на Нептун, то есть покрыта океаном.

Постановочные кадры

На самом деле, чаще всего космические аппараты, исследующие Солнечную систему, делают черно-белые снимки — такие камеры проще, надежнее и дешевле. Для того чтобы получить цветное изображение, роверы или зонды делают три черно-белых кадра: через красный, зеленый и синий фильтры, а потом составляют из них цветное изображение. Кстати, именно так в начале XX века получил первые в мире цветные снимки большой энтузиаст фотографии и изобретатель Сергей Прокудин-Горский. Его камера имела три объектива, которые одновременно делали три черно-белых снимка через фильтры, а цветное изображение «синтезировалось» уже после, в проекторе.

Несмотря на «окольный» способ производства, получаемые таким образом цветные изображения вполне передают реальные цвета. Так откуда же берется синий закат на Марсе?

Физика и пыль

Дело в том, что атмосферы Марса и Земли очень сильно отличаются. На Марсе она заметно менее плотная и очень пыльная. В составе пыли есть совсем крошечные частицы, размер которых сопоставим с длиной волны света. Днем мельчайшие пылинки поглощают синюю часть спектра солнечного света и небо на Марсе имеет такой же красноватый оттенок, как и вся его поверхность. Когда Солнце садится, путь, который свет проделывает в атмосфере планеты, становится длиннее и главенствующим оказывается другой эффект — рэлеевское рассеяние света . При этом в марсианской атмосфере сильнее рассеивается синий свет. Именно из-за этого вокруг садящегося Солнца на Марсе мы видим голубое сияние.

Типичный марсианский закат. Фото: NASA/JPL-Caltech/MSSS/Damia Bouch

Другие небеса

Марс входит в элитный клуб из четырех небесных тел с атмосферой, поверхность и небо которых мы смогли увидеть в цвете. Другие два члена клуба — Венера и Титан, ну и, конечно, наша Земля.

1 марта 1983 года на поверхность Венеры опустился зонд «Венера-13», который смог проработать при температуре 456 градусов по Цельсию и давлении в 92 атмосферы 127 минут. «Венера» с несчастливым номером была не первым аппаратом, который передал снимки с поверхности нашей ближайшей соседки по Солнечной системе, однако это были первые цветные снимки. На спускаемом аппарате находилось две «цветные» телефотометрические камеры TFZL-077. Они получали изображение, делая снимки через три цветных фильтра — синий, зеленый и красный.

В поле зрения панорамных камер «Венеры-13» находилась эталонная цветовая шкала. Получив синтезированные цветные изображения, земные ученые смогли откорректировать их по этой шкале. Целью съемки была поверхность планеты, однако в уголках панорам видно желтеющее небо. Четыре дня спустя, 5 марта, цветные снимки сделал дублер «Венеры-13», аппарат «Венера-14», проработавший на поверхности всего 57 минут. Желто-зеленый цвет Венеры тоже объясняется рэлеевским рассеянием. Однако, по словам заместителя руководителя лаборатории инфракрасной спектроскопии планетных атмосфер высокого разрешения МФТИ Александра Родина, именно такой цвет обусловлен, во-первых, повышенной плотностью венерианской атмосферы, а во-вторых, наличием в ней большого количества серной кислоты.

По краям от венерианской поверхности видны фрагменты неба. Фото: ИКИ РАН

«Цветного» покорения следующего небесного тела с атмосферой пришлось ждать больше десяти лет. 14 января 2005 года созданный в Европейском космическом агентстве (ESA) спускаемый аппарат «Гюйгенс», доставленный в систему Сатурна зондом NASA «Кассини», опустился на поверхность крупнейшего спутника Сатурна, Титана.

Долгое время считалось, что это самый большой спутник в Солнечной системе, но исследования «Вояджеров» в 1980-х показали, что Титан кажется крупнее, чем он есть, из-за плотной метановой атмосферы, которую принимали за поверхность спутника. Но даже за вычетом атмосферы это немаленькое небесное тело: среди спутников его обгоняет только юпитерианский Ганимед. Титан больше не только нашей Луны, но и Меркурия с Плутоном.

«Гюйгенс» проработал 147 минут во время спуска на парашюте и еще 72 минуты передавал сигналы с поверхности, успев отправить на Землю 700 мегабайт информации, в том числе было 350 снимков, некоторые из которых были цветными.

На фотографиях Титан выглядит хоть и безжизненным, но вполне мирным. На деле человек не продержался бы там и нескольких секунд. Фото: NASA/JPL/ESA/University of Arizona

Камеры аппарата запечатлели желто-коричневую поверхность спутника из замерзших углеводородов, только что омытую метановым дождем (климат на Титане не слишком хорош). Небо на сатурнианской луне тоже желто-коричневое, а сам спутник на снимках желто-зеленый. И здесь опять «работает» то самое рассеяние, только на других газах.

После того как астрономы сфотографировали пейзаж на Титане, в Солнечной системе не осталось «атмосферных» объектов с цветными небесами (планеты-гиганты, которые состоят из газа и жидкости, не в счет). На всех остальных небесных телах Солнечной системы, от Меркурия и до Плутона, небо будет черным — хоть на черно-белой, хоть на цветной фотографии. Там нет сколько-нибудь значимой атмосферы, а значит, рассеиваться солнечному свету не на чем.

В фантастических фильмах мы видим иные миры с небесами, кажется, всех цветов радуги. Но ответить на вопрос, какого цвета действительно может быть небо на планетах вне Солнечной системы (так называемых экзопланетах), ученые пока не могут. Мы можем только предполагать, какие у этих планет атмосферы: на сегодня открыто больше трех тысяч экзопланет, и большинство из них находятся в звездных системах, которые совсем не похожи на Солнечную. Да и сам свет звезд, которые освещают эти планеты, может быть совсем не таким, как свет от Солнца: планеты могут быть у красных карликов, у голубых гигантов, у белых гигантов и даже у почти фиолетовых (в видимом диапазоне) коричневых карликов.

Мы все привыкли, что цвет неба — характеристика непостоянная. Туман, облака, время суток — все влияет на окраску купола над головой. Ежедневная ее смена не занимает умы большинства взрослых, чего нельзя сказать о детях. Они постоянно интересуются тем, почему небо голубое с точки зрения физики или что окрашивает закат в красный. Попытаемся разобраться в этих не самых простых вопросах.

Переменчивое

Начать стоит с ответа на вопрос о том, что, собственно, небо представляет собой. В древнем мире оно виделось действительно как купол, накрывающий Землю. Сегодня, однако, вряд ли кто-то не знает, что, на какую бы высоту ни поднялся любопытный исследователь, достичь этого купола он не сможет. Небо — это не вещь, а, скорее, панорама, которая открывается при взгляде с поверхности планеты, некая видимость, сотканная из света. Причем если наблюдать из разных точек, оно может выглядеть иначе. Так, из поднявшегося над облаками, открывается совсем иной вид, чем с земли в это время.

Ясное небо — голубое, но стоит набежать облакам — и оно становится серым, свинцовым или грязно-белым. Ночное небо — черное, иногда на нем можно заметить рыжеватые участки. Это отсвет искусственного освещения города. Причина всех подобных изменений — свет и его взаимодействие с воздухом и частичками различных веществ в нем.

Природа цвета

Для того чтобы ответить на вопрос о том, почему небо голубое с точки зрения физики, нужно вспомнить о том, что представляет собой цвет. Это волна определенной длины. Свет, идущий от Солнца к Земле, видится как белый. Еще с экспериментов Ньютона известно, что представляет собой пучок из семи лучей: красного, оранжевого, желтого, зеленого, голубого, синего и фиолетового. Цвета отличаются длиной волны. Красно-оранжевый спектр включает волны, наиболее внушительные по этому параметру. части спектра характеризуются короткой длиной волны. Разложение света на спектр происходит при столкновении его с молекулами различных веществ, при этом часть волн может быть поглощена, а часть — рассеяна.

Исследование причины

Многие ученые пытались объяснить, почему небо голубое, с точки зрения физики. Все исследователи стремились обнаружить явление или процесс, который в атмосфере планеты рассеивает свет таким образом, что в результате до нас доходит только голубой. Первыми кандидатами на роль подобных частиц были и воды. Считалось, что именно они поглощают красный свет и пропускают голубой, а в результате мы видим небо синего цвета. Последовавшие за этим подсчеты, однако, показали, что того количества озона, кристаллов льда и молекул водяного пара, которое есть в атмосфере, недостаточно для придания небу голубого цвета.

Причина в загрязнении

На следующем этапе исследований Джоном Тиндаллом было высказано предположение, что роль искомых частиц играет пыль. Синий свет обладает наибольшей стойкостью к рассеиванию, а потому способен пройти сквозь все слои пыли и других взвешенных частиц. Тиндалл провел эксперимент, подтвердивший его предположение. Он создал в условиях лаборатории модель смога и осветил ее ярким белым светом. Смог приобрел голубой оттенок. Ученый сделал однозначный вывод из своего исследования: цвет неба определяется частичками пыли, то есть если бы воздух Земли был чистым, то над головами людей светились не голубые, а белые небеса.

Исследование лорда

Окончательную точку в вопросе о том, почему небо голубое (с точки зрения физики), поставил английский ученый, лорд Д. Рэлей. Он доказал, что не пыль или смог окрашивает пространство над головой в привычный для нас оттенок. Дело в самом воздухе. Молекулы газа поглощают большую и в первую очередь самые длинные волны, эквивалентные красному. Синий при этом рассеивается. Именно так и сегодня объясняется то, какого цвета небо мы видим в ясную погоду.

Внимательные заметят, что, следуя логике ученых, купол над головой должен быть фиолетовым, поскольку именно у этого цвета самая короткая длина волны в видимом диапазоне. Однако это не ошибка: доля фиолетового в спектре значительно меньше, чем синего, да и глаза человека более чувствительны именно к последнему. По сути, видимый нами голубой — результат смешения синего с фиолетовым и некоторыми другими цветами.

Закаты и облака

Все знают, что в разное время суток можно увидеть разный цвет неба. Фото красивейших закатов над морем или озером — прекрасная иллюстрация этого. Всевозможные оттенки красного и желтого в сочетании с голубым и темно-синим делают подобное зрелище незабываемым. А объясняется оно все тем же рассеиванием света. Дело в том, что во время заката и рассвета солнечным лучам приходится преодолевать гораздо больший путь сквозь атмосферу, чем в разгар дня. При этом свет сине-зеленой части спектра рассеивается в разные стороны и облака, расположенные у линии горизонта, становятся окрашенными в оттенки красного.

Когда небо заволакивают облака, картина совершенно меняется. не в силах преодолеть плотный слой, и большая часть их просто не достигает земли. Лучи, сумевшие пройти сквозь тучи, встречаются с водными каплями дождя и облаков, которые вновь искажают свет. В результате всех этих превращений до земли доходит белый свет, если облака небольшие по размеру, и серый, когда небо закрывают внушительные тучи, вторично поглощающие часть лучей.

Иные небеса

Интересно, что на других планетах Солнечной системы при взгляде с поверхности можно увидеть небо, сильно отличное от земного. На космических объектах, обделенных атмосферой, солнечные лучи свободно достигают поверхности. В результате небо тут черное, без какого бы то ни было оттенка. Такую картину можно увидеть на Луне, Меркурии и Плутоне.

Марсианское небо имеет красно-оранжевый оттенок. Причина этого кроется в пыли, которой насыщена атмосфера планеты. Она окрашена в разные оттенки красного и оранжевого. Когда Солнце поднимается над горизонтом, марсианское небо становится розовато-красным, при этом участок его, непосредственно окружающий диск светила, видится голубым или даже фиолетовым.

Небо над Сатурном того же цвета, как на Земле. Над Ураном простираются аквамариновые небеса. Причина кроется в метановой дымке, расположенной в верхних планеты.

Венеру от глаз исследователей скрывает плотный слой облаков. Он же не позволяет дойти до поверхности планеты лучам сине-зеленого спектра, поэтому небо здесь желто-оранжевое с серой полоской вдоль горизонта.

Исследование дневного пространства над головой раскрывает не меньше чудес, чем изучение звездного неба. Понимание процессов, протекающих в облаках и за ними, помогает постичь причину довольно привычных для обывателя вещей, которые, тем не менее, объяснить с ходу может далеко не каждый.

Всем известно, как Солнце выглядит с поверхности Земли. Достаточно просто посмотреть на небо и увидеть сияющий диск, который находится на расстоянии 149,6 миллиона километров от нас. Представить, как выглядит Солнце с других планет Солнечной системы, несколько сложнее. Работы художников и фотографии помогут тем, кому недостаточно собственного воображения. На них вы увидите Солнце таким, как оно появляется на небесах семи планет Солнечной системы и «карлика» Плутона.

Меркурий

«Маринер-10» — первый космический аппарат, достигший Меркурия (1975–1976 год). David Seal | NAS

Венера

Вторая планета Солнечной системы удалена от Солнца на 108 миллионов километров. Если смотреть на Солнце из-под сернокислотных облаков венерианской атмосферы, звезда смотрится как тусклое светящееся пятно. Солнце на Венере кажется на 50 % больше, чем на Земле.

Магеллан (США)— межпланетная станция, впервые осуществившая подробное радиолокационное картографирование Венеры, и продолжившая исследование, начатое аппаратами «Венера» (СССР) за 6 лет до этого. David Seal | NASA

Марс

На пыльном небе Красной планеты Солнце кажется намного меньше, чем на Земле. Марс расположился в 227,9 миллиона километрах от Солнца — в 1,5 раза дальше от звезды, чем наша планета. Закаты на Марсе — .

Закат на Марсе. NASA

Юпитер

Вид Солнца с Европы, одной из лун Юпитера. Юпитер находится в 778,5 миллиона километрах от Солнца, что в 5 раз больше расстояния между Землей и нашей «родительской» звездой. На Европе Солнце кажется в 5 раз меньше, чем на Земле. На изображении Юпитер собирается закрыть своим диском звезду.

NASA/JPL-Caltech

Сатурн

Уран

Уран — седьмая планета от Солнца, в 19 раз дальше от звезды, чем Земля.

«Вояджер-2» — первый и единственный аппарат, достигший Урана (1986 год). David Seal | NASA

Нептун

Полюбуемся на Солнце с Тритона, одной из лун Нептуна. Нептун — самая дальняя планета Солнечной системы. Облака пыли и газа, которые выплевывает мощный криогейзер на Тритоне, частично затмевают крошечное Cолнышко, которое в 30 раз меньше, чем на Земле.