„Цвет марсианского неба на закате синий...” Неужели правда?
Американские средства массовой информаци заставили поверить весь мир, что небо на Марсе голубое, почти как на Земле . Но этот факт вызывает сильные сомнения.
Фотография, переданная с американского марсохода.
Дело в том, что атмосферное давление на поверхности Марса составляет примерно 0,6% от земного - как на Земле в стратосфере, на высоте 30-32 км. И небо в стратосфере чёрное.
Вид неба с высоты 30 км над землёй.
Поэтому примерно такую же картину мы должны увидеть и с поверхности Марса - совершенно чёрное небо и только вдали у горизонта - едва заметная сине-фиолетовая линия. Законы физики, что на Земле, что на Марсе - одинаковые.
Но снимки, которые в большом количестве выкладывает НАСА, не соответствуют законам рассеяния света, что вызывает обоснованное предположение, что США снимает "Марс" где-то в безлюдной пустыне на Земле.
Но оказывается, закаты на Марсе тоже не подчиняются привычной логике. Согласно фотографиям НАСА, они не красноватые, как на Земле, а синие.
Снимок от марсохода Кьюриосити.
Вот типичное объяснение синим закатам, которое можно найти в интернете:
Т.к. атмосфера Марса в основном состоит из углекислого газа, то при попадании солнечного света при заходе Солнца оно становится таким.
На Земле больше кислорода, из-за этого наши закаты/рассветы красные.
Объяснение, прямо скажем, для домохозяек, которые давно забыли основы школьного курса физики. При чём здесь кислород, если основную часть атмосферы на Земле составляет азот - 78%.
И рассеяние света не зависит от состава воздуха. Но ведь кто-то активно распространяет такие сведения. И я решил разобраться в этом вопросе - почему небо голубое и кто распространяет дезинформацию.
Со школьных лет я интересовался астрономией - ходил в астрономический кружок, смотрел через телескоп на Луну, Венеру, Марс, на спутники Юпитера, кольца Сатурна - и тема Марса мне особенно близка. Здесь, на Дзене, я написал 7 статей про американские марсоходы, про их фотокамеры (которые мало чем отличаются от камер сотового телефона) и про то, что под видом "прямого эфира с Марса" США показали заранее заготовленную 3D-графику, перемешанную с земными съёмками.
Давайте же сначала разберёмся, отчего небо становится голубым.
Я воспользуюсь одной главой из книги Л. Асламазова и А. Варламова «Удивительная физика», (Москва, "Наука", Главная редакция физико-математической литературы, 1988 г.), где авторы, физики-теоретики, разбирают картину Аркадия Рылова "В голубом просторе".
Глядя на картину глазами физиков, они определяют на картине скорость ветра, оценивают вид моря и волн, объясняют цвет неба и вид облаков, а также определяют скорость полёта птиц.
А. Рылов. „В голубом просторе”.
Я возьму один фрагмент, посвящённый цвету неба, стр.27:
Цвет неба можно понять на основании физических законов. Ясно, что цвет неба определяется рассеянием солнечных лучей в земной атмосфере.
Но почему рассеяние лучей солнца, спектр которого сплошной, то есть содержит все длины волн, приводит к синему, голубому цвету неба, а само солнце мы видим желтым?
Разобраться в этом вопросе нам поможет закон Релея для рассеяния света.
Дж. У. Рэлей (1842-1919) - английский физик, председатель Лондонского Королевского Общества, лауреат Нобелевской премии 1904 г.
В 1898 г. английский физик Релей создал теорию рассеяния света на частицах, размеры которых значительно меньше длины волны рассеиваемого света.
Найденный им закон гласит: интенсивность рассеянного света пропорциональна четвертой степени частоты световой волны или обратно пропорциональна четвертой степени длины волны.
Для объяснения цвета неба Релей применил свой закон к рассеянию солнечного света в атмосфере (поэтому иногда сформулированный выше закон называют «законом синего неба»).
Для тех, кто не любит формулы, следующие два абзаца (они отмечены жирными точками) можно пропустить:
Попробуем понять качественно содержание закона Релея. Свет представляет собой электромагнитные волны. Молекулы состоят из ядер и электронов - частиц заряженных.
Попадая в поле электромагнитной волны, эти заряженные частицы начинают двигаться, причем можно считать, что их движение происходит по гармоническому закону:
Однако ускоренно движущиеся заряженные частицы сами становятся источниками электромагнитного излучения - так называемых вторичных волн. Амплитуда такой вторичной волны пропорциональна ускорению порождающей ее частицы (равномерно движущиеся заряженные частицы, как известно, создают электрический ток, но не излучают электромагнитных волн).
Соответственно интенсивность излучения вторичных волн оказывается пропорциональной квадрату ускорения движения электронов в поле первичной волны (движением тяжелых ядер можно пренебречь), а следовательно, четвертой степени частоты (I~а2~(х"t)^2~w^4).
Продолжение:
Но вернемся к цвету неба. Отношение длины волны красного к длине волны синего света равно 650 нм/450 нм = 1,44 (1 нм (нанометр)=10^-9 м). Возводя это число в четвертую степень, получим 4,3.
Таким образом, согласно закону Релея интенсивность рассеянного в атмосфере синего света в четыре раза превышает интенсивность рассеянного красного света, и слой воздуха толщиной в десятки километров приобретает окраску с заметным преобладанием синих и голубых цветов.
А видимый солнечный свет, который дошел до нас сквозь «заслон» атмосферы, в большей степени лишен коротковолновой части своего спектра.
Поэтому солнце, которое мы видим в прошедших сквозь атмосферу лучах, принимает слабый желтый оттенок.
Этот оттенок может усиливаться, становиться оранжевее и краснее по мере захода солнца, когда солнечным лучам приходится преодолевать больший путь в атмосфере (при восходе солнца, естественно, смена цветов происходит в обратном порядке).
Заметим, что в законе Релея предполагается только, что длина волны рассеиваемого света намного превышает размеры рассеивающих частиц, однако сам этот размер в выражение для интенсивности не входит.
Релей первоначально предполагал, что цвет неба обусловлен рассеянием солнечного света на мельчайших частицах, запыляющих атмосферу.
Однако позже он пришел к убеждению, что солнечные лучи рассеиваются на молекулах газов, входящих в состав воздуха.
Через десять лет, в 1908 г., польский физик-теоретик М. Смолуховский высказал идею о том, что рассеивателями в оптически однородной среде должны выступать весьма неожиданные объекты - неоднородности плотности частиц.
М. фон Смолан-Смолуховский (1872-1927) - польский физик, автор классических работ по теории флуктации и теории броуновского движения.
С помощью этой гипотезы Смолуховскому удалось объяснить известное задолго до его исследований явление критической опалесценции - сильного рассеяния света в жидкости или газе вблизи критической точки.
Наконец, А. Эйнштейн в 1910 г. создал последовательную количественную теорию молекулярного рассеяния света, основанную на идее Смолуховского.
Для газов интенсивность рассеянного света, вычисленная по формуле Эйнштейна, в точности совпала с результатом, полученным ранее Релеем.
Все, казалось бы, стало на свои места. Но откуда берутся неоднородности в плотности воздуха?
Ведь он находится в состоянии термодинамического равновесия, а если даже дует ветер, то связанные с этим движением неоднородности имеют гигантские размеры, превышающие длину волны света в огромное число раз, и на рассеянии света сказываться никак не могут.
Для понимания природы неоднородностей показателя преломления света давайте более детально разберемся с понятием термодинамического равновесия. Для простоты рассмотрим некоторый макроскопический объем газа, находящийся в замкнутом сосуде.
Физика рассматривает системы, состоящие из гигантского числа частиц, поэтому единственно возможный путь описания свойств таких систем - статистический.
Статистический подход означает, что мы следим не за состоянием каждой молекулы в отдельности, а вычисляем средние значения соответствующих физических величин для всей системы в целом.
При этом вовсе не обязательно, чтобы для всех молекул значение рассматриваемой физической величины равнялось соответствующему среднему.
При рассмотрении нашего макроскопического объема газа наиболее вероятным будет состояние, в котором молекулы газа распределены в среднем равномерно по всему объему сосуда.
Однако благодаря тепловому движению молекул всегда имеется отличная от нуля вероятность того, что концентрация молекул в некоторой области сосуда на некоторое время превысит среднюю концентрацию молекул в рассматриваемом объеме (при этом, естественно, в другой области рассматриваемого объема концентрация молекул на эти время понизится).
Теоретически возможно даже такое coстояние, когда все молекулы газа соберутся в одной половине объема рассматриваемого сосуда, а вторая окажется абсолютно пустой.
Но вероятность такого события выражается столь малым числом, что нет никакой надежды на его реализацию даже в пределах существования Вселенной, которое по современным представлениям составляет 10^10 лет.
Однако небольшие отклонения физических величин от их средних значений возможны, и не только возможны, но и постоянно происходят благодаря тепловому движению молекул.
Эти отклонения называются флуктуациями (от латинского слова fluctuari - колебаться). Именно они и приводят к тому, что в некоторых областях плотность газа возрастает, а в других убывает, что сказывается на величине коэффициента преломления света в данных областях.
Если мы теперь вернемся к рассмотрению рассеяния света в атмосфере, то все рассуждения, проведенные для ограниченного объема газа, останутся справедливыми.
Кроме того, так как воздух является смесью различных газов, различие в тепловом движении молекул разных газов приводит к дополнительным возможностям появления неоднородностей коэффициента преломления света в пространстве, обусловленных флуктуациями.
Характерный размер неоднородности коэффициента преломления света (неоднородности плотности) зависит от температуры.
Для слоев атмосферы, в которых происходит основное рассеяние солнечного света, размеры таких неоднородностей оказываются много меньшими длины волны видимого света, но значительно превышающими размеры молекул газов, входящих в состав воздуха.
Поэтому рассеяние света происходит именно на них, а не на молекулах, как это предполагал Релей.
И все же небо мы видим синим, а не фиолетовым, хотя закон Релея предсказывает преобладание фиолетового цвета.
Оказывается, что это расхождение обусловлено двумя причинами.
Во-первых, в спектре солнечного света гораздо меньше фиолетовых лучей, чем синих.
Вторым виновником кажущегося расхождения теории и практики является наш «регистрирующий прибор» - глаз человека с нормальным зрением.
Дело в том, что острота зрительного восприятия человеческого глаза существенно зависит от длины волны света. Чувствительность глаза к фиолетовым цветам гораздо слабее, чем к сине-зеленые.
Именно поэтому воспринимаемые человеческим глазом рассеянные солнечные лучи практически не имеют фиолетовой компоненты.
А почему же на голубом небе мы ясно видим белые облака? Разве при рассеянии света на составляющих их частицах не справедливы выводы из закона Релея?
Дело в том, что облака состоят из мельчайших капель воды или кристалликов льда, размеры которых, однако, значительно превышают длины волн видимого света.
Поэтому при рассеянии солнечного света на частицах, составляющих облака, закон Релея не применим - рассеяние света всех длин волн в этом случае происходит приблизительно с одинаковой интенсивностью, и облака воспринимаются белыми, что мы и видим на картине.
< Цитирование закончено. >
Главный вывод - рассеяние света происходит на флуктуациях в атмосфере, а не на молекулах, как это предполагал Релей.
А теперь посмотрим, как объясняют наличие голубого неба на Марсе некоторые каналы. Мне попалось несколько ссылок на канал "Улица Шкловского" с астрофизиком Вячеславом Авдеевым.
Вначале ведущий рассказывает о том, что синие лучи рассеиваются в атмосфере в несколько раз сильнее, чем красные. Но в качестве рассеивающих элементов называет молекулы кислорода и азота, говоря, что их размер около 0,3 нанометра.
Молекула кислорода. Стоп-кадр из видеоролика.
Но что следует из такой фразы? Давайте посчитаем! Если сравнить размер молекулы с длиной волны зелёного цвета в середине спектра (550 нм), то получится, что длина волны больше молекул примерно в 1670 раз.
А теперь давайте представим молекулу кислорода (0,35 нм) или молекулу азота (0,364 нм) в виде 5-рублёвой монеты (её реальный размер 25 мм).
5-рублёвая монета.
Тогда по сравнению с монетой длина волны зелёного света получится 40-метровой. Конечно, такая длина волны пройдёт и не заметит молекулу.
Но астрофизик Вячеслав приводит картинку, где размер молекул кислорода соизмерим с длиной волны света, и на этом строит свою версию. (По ссылке - видеоролик)
Стоп-кадр из видеоролика.
Конечно, это ошибочное представление. Мы же чуть выше выяснили, что рассеяние света происходит не на молекулах, а на неоднородностях в атмосфере, которые много меньше длины волны видимого света, но значительно превышают размеры молекул газов, входящих в состав воздуха.
В стратосфере на высоте 30 км молекулы кислорода и азота присутствуют в большом количестве. Из уравнения состояния идеального газа p = n * k * T находим n = p / (k * T)
n = 10000 / 1.
38 * 10- 23 * (273,15 - 20) = 2,862 * 1024 молекул в одном кубометре
т.е. в кубометре атмосферы находится большое количество 2,862 * 1024 молекул.
Но на высоте 30 км свет молекулами практически не рассеивается. Малы флуктуации - и небо выглядит чёрным.
Вернёмся к ролику. После объяснения рассеяния света молекулами кислорода я останавливаю видео и понимаю, что эта ошибка допущена ведущим специально.
Возможно, чтобы впоследствии сказать фразу типа такой:
На Земле больше кислорода, из-за этого наши закаты/рассветы красные. А вот атмосфера Марса в основном состоит из углекислого газа, то при попадании солнечного света при заходе Солнца небо становится синим.
Возможно, что он скажет что-то другое, чтобы выйти на синий закат на Марсе. Но в этот момент меня заинтересовало другое - кто спонсор этого канала. И вот я читаю в описании:
«Улица Шкловского»
Астрофизик Вячеслав Авдеев в компании с приглашенными экспертами, среди которых астрономы, психологи, физики и даже специалист Лаборатории реактивного движения NASA, рассказывает, как устроен космос.
Так вот откуда растут ноги - информацию для канала в "нужном изложении" предоставляет НАСА через своих специалистов.
Как сказал депутат Госдумы Евгений Фёдоров, США подготовили для России 86 тысяч иностранных агентов для работы в наших СМИ. Вот мы и видим их деятельность.
Теперь объяснение голубого неба и синих закатов на Марсе для россиян пойдёт строго в нужном для НАСА направлении. И десятки других каналов услужливо растиражируют данную информацию.
Но давайте об этом поговорим в следующей статье.
Л. Коновалов
***Источник.
НАВЕРХ.