Содержание
Коротко: на Марсе днём небо оранжевое или красноватое, а когда Солнце садится, небо вокруг него становится серо-голубым. На Земле наоборот: голубое небо, красный закат. Солнце то же самое; разница в том, на что падает его свет. Молекулы земного воздуха намного меньше световой волны и сильнее всего рассеивают синий, по всему небу, поэтому на закате, сквозь гораздо большую толщу воздуха, проходят красные и жёлтые цвета. В воздухе Марса взвешены мелкие пылинки крупнее световой волны, и синий свет, который они рассеивают, остаётся близко к направлению на Солнце.
На Марсе — наоборот
NASA Space Place: "During the daytime, the Martian sky takes on an orange or reddish color. But as the Sun sets, the sky around the Sun begins to take on a blue-gray tone." («Днём марсианское небо приобретает оранжевый или красноватый цвет. Но когда Солнце садится, небо вокруг Солнца начинает приобретать серо-голубой оттенок».)
Самый известный снимок этого сделал марсоход NASA Curiosity в кратере Гейл 15 апреля 2015 года (снимок JPL PIA19400, "Sunset in Mars' Gale Crater").
На Земле всё наоборот: днём голубое, на закате красное. То же Солнце, тот же солнечный свет.
Земля: крошечные молекулы разбрасывают синий повсюду
Национальная метеослужба NOAA во Флагстаффе: "While all colors are scattered by air molecules, violet and blue are scattered most." («Молекулы воздуха рассеивают все цвета, но сильнее всего — фиолетовый и синий».) NASA Space Place объясняет почему: "Blue light is scattered more than the other colors because it travels as shorter, smaller waves." («Синий свет рассеивается сильнее других цветов, потому что распространяется более короткими, мелкими волнами».)
Так синий разбрасывается по всему небу, и небо выглядит голубым.
Насколько сильнее: примерно в 5 раз
Лорд Рэлей вывел это в 1871 году (тогда ещё достопочтенный Дж. У. Стретт, "On the light from the sky, its polarization and colour", Philosophical Magazine). Как формулирует Physics FAQ Калифорнийского университета в Риверсайде: "He showed that the amount of light scattered is inversely proportional to the fourth power of wavelength for sufficiently small particles." («Он показал, что для достаточно малых частиц количество рассеянного света обратно пропорционально четвёртой степени длины волны».)
Синий свет — около 470 нм (HyperPhysics), а красный, самые длинные волны, — около 700 нм (NASA Science). Наш расчёт: (700 ÷ 470)⁴ ≈ 4,9, то есть синий рассеивается примерно в 5 раз сильнее красного.
Почему же тогда небо не фиолетовое? NOAA: "The sky looks blue, not violet, because our eyes are more sensitive to blue light (and the sun also emits more energy as blue light than as violet)." («Небо выглядит голубым, а не фиолетовым, потому что наши глаза чувствительнее к синему свету (а ещё солнце излучает больше энергии в синем свете, чем в фиолетовом)».)
Закат на Земле: примерно в 38 раз больше воздуха
На закате путь света гораздо длиннее. NASA Space Place: "As the Sun gets lower in the sky, its light is passing through more of the atmosphere to reach you. Even more of the blue light is scattered, allowing the reds and yellows to pass straight through to your eyes." («Чем ниже Солнце на небе, тем большую толщу атмосферы проходит его свет, прежде чем дойти до вас. Синего света рассеивается ещё больше, и красные и жёлтые цвета проходят прямо к вашим глазам».)
Насколько длиннее? Формула Кастена и Янга 1989 года (Applied Optics), приведённая в статье Википедии "Air mass (astronomy)", даёт "an air mass of approximately 38 at the horizon" («воздушную массу примерно 38 у горизонта»): примерно в 38 раз больше воздуха, чем свет проходит, когда Солнце в зените.
Марс: пыль крупнее световой волны
Воздух Марса полон пыли. По снимкам Mars Pathfinder Томаско и коллеги (JGR Planets, 1999) установили: "The geometric cross‐section‐weighted mean particle radius is 1.6 ± 0.15 μm" («средний радиус частиц, взвешенный по геометрическому сечению, составляет 1,6 ± 0,15 мкм»). Значит, пылинка — около 3 мкм в поперечнике, против 0,47 мкм у синего света (наш расчёт): крупнее световой волны.
Красный расходится, синий держится у Солнца
Марк Леммон из Техасского университета A&M, участник команды Curiosity, объяснил NASA/JPL цвета в 2015 году: "The colors come from the fact that the very fine dust is the right size so that blue light penetrates the atmosphere slightly more efficiently," («цвета объясняются тем, что очень мелкая пыль имеет как раз такой размер, что синий свет проходит сквозь атмосферу чуть эффективнее»,)
И: "When the blue light scatters off the dust, it stays closer to the direction of the sun than light of other colors does. The rest of the sky is yellow to orange, as yellow and red light scatter all over the sky instead of being absorbed or staying close to the sun." («Когда синий свет рассеивается на пыли, он остаётся ближе к направлению на солнце, чем свет других цветов. Остальное небо — от жёлтого до оранжевого, потому что жёлтый и красный свет рассеиваются по всему небу, а не поглощаются и не остаются рядом с солнцем».)
Поэтому сияние вокруг заходящего Солнца голубое
Подпись JPL к PIA19400: "Dust in the Martian atmosphere has fine particles that permit blue light to penetrate the atmosphere more efficiently than longer-wavelength colors." («В пыли марсианской атмосферы есть мелкие частицы, благодаря которым синий свет проходит сквозь атмосферу эффективнее, чем цвета с большей длиной волны».)
Не всё марсианское небо: по описанию NASA, серо-голубым становится небо вокруг заходящего Солнца.
Вывод
Четыре неба: Земля голубая днём и красная на закате, Марс оранжево-красный днём и голубой вокруг заходящего Солнца. Цвет задаёт не Солнце, а то, что находится в воздухе.
Источники
- NASA Space Place, Why Is the Sky Blue?, обновлено 29 августа 2022 года
- NOAA National Weather Service, Flagstaff, Why is the sky blue?
- Philip Gibbs, Why is the sky blue?, Physics FAQ, UC Riverside, 1997
- HyperPhysics (Georgia State University), Color
- NASA Science, Visible Light
- J. W. Strutt, On the light from the sky, its polarization and colour, Philosophical Magazine 41, февраль 1871 года
- Wikipedia, Air mass (astronomy), для Kasten & Young, Applied Optics 28(22), 1989
- NASA/JPL, NASA's Curiosity Rover Views Serene Sundown on Mars, 8 мая 2015 года
- NASA/JPL, PIA19400: Sunset in Mars' Gale Crater, 8 мая 2015 года
- Tomasko et al., Properties of dust in the Martian atmosphere from the Imager on Mars Pathfinder, JGR Planets, 1999
Видео анимировано кодом, а сценарий написан с помощью ИИ; каждая цифра выше сверена с источниками, а два расчёта — наши. Условно показано всё: каждое небо, луч, пылинка и молекула нарисованы, а не сфотографированы, а рассеяние изображено, а не смоделировано. Видео на английском. Сделано в Shotloop — моём бесплатном Mac-приложении для объясняющих видео из кода, которые правятся по одной сцене за раз.