Почему же процесс умирания дня и рождения ночи выглядит именно так, а не иначе? Ответ на этот вопрос надо искать в атмосфере нашей планеты, в ее строении и взаимодействии с солнечным светом.
Красная заря
Наверное, многим из вас в школе задавали вопрос: почему небо голубое? И вы отвечали — воздух лучше всего рассеивает синие и голубые лучи Солнца, входящие в земную атмосферу. Именно их мы и видим, когда на небе нет облаков. Правильный ли это ответ? Разумеется да, если речь идет о дневном небе. Однако такой ответ в отношении сумеречного неба будет не совсем верным. Дневное небо — голубое, сумеречное — тоже, но причины тому разные! А чем можно объяснить желтовато-красный цвет зари?
Чтобы разобраться во всех оттенках сумеречного неба, необходимо вначале более тщательно познакомиться со строением атмосферы Земли. Ведь она состоит не только из молекул воздуха (в основном азота N2 и кислорода 02), но и из огромного количества так называемых аэрозольных частичек — капелек воды и пылинок. Они, также как и молекулы, рассеивают солнечный свет, но несколько иначе. Во-первых, синие лучи рассеиваются ими не так сильно, как молекулами. Во-вторых, в отличие от молекул, рассеивающих свет почти одинаково во всех направлениях, аэрозольные частицы рассеивают его в основном "вперед", то есть под небольшим углом по направлению к падающему на них свету. Именно благодаря этому свойству частичек пыли и воды мы и наблюдаем днем яркий белый ореол вокруг Солнца.
Во время же восхода и захода Солнца аэрозольные частицы играют еще большую роль в наблюдаемой нами картине. Ведь лучи Солнца у горизонта проходят через гораздо большую толщу атмосферы, а значит они испытывают еще большее прямое рассеяние на капельках воды и частичках пыли. Вследствие этого размеры светлого ореола вокруг Солнца значительно увеличиваются. И поэтому область неба там, где заходит или восходит Солнце, выглядит значительно ярче по сравнению с остальным небом. Эта светлая область неба имеет известное всем нам с детства название — заря. Но вот почему она красная?
Чтобы ответить на этот вопрос, достаточно вспомнить, что свет в земной атмосфере не только рассеивается, но и поглощается. Причем поглощение, также как и рассеяние, зависит от длины волны света. Так вот, в видимом свете молекулы азота и кислорода более всего поглощают синие лучи.
Днем, когда солнечный свет падает на земную поверхность, его поглощение невелико — при большой высоте Солнца над горизонтом даже в синих лучах не поглощается и половины света — поэтому мы и видим небо голубого цвета. Совсем иная ситуация складывается во время сумерек. Прямые солнечные лучи уже не попадают в глаз наблюдателя, и мы видим лишь свет, рассеянный в тех областях атмосферы, из которых еще видно Солнце. Но перед рассеянием лучам нужно пройти очень большой путь по касательной над поверхностью Земли. Вот где поглощение, столь незаметное днем, принимает на себя роль основополагающего фактора в формировании цвета зари!
Как мы уже сказали, синие лучи поглощаются намного сильнее остальных. Из-за этого Солнце, опускаясь к горизонту, часто становится красным, заря же приобретает желтовато-красный цвет. Причем ее оттенок — отличный показатель количества аэрозольных частиц: чем краснее заря, тем их больше. Те, кто любят вставать рано утром и встречать рассвет, хорошо знают, что утренние зори обычно не такие красные, как вечерние. Это легко объяснить: холодной ночью часть аэрозольных частиц осаждается на поверхность Земли, и под утро в атмосфере их остается мало. Белый цвет зари является хорошим сигналом для астрономов. Ведь это говорит о малом количестве аэрозольных частиц, и, следовательно, о высокой прозрачности атмосферы — благоприятному периоду проведения наблюдений. Кстати, о малом количестве аэрозоля говорит также насыщенный голубой цвет дневного неба.
Третья компонента
Итак, с зарей и ее красным цветом мы разобрались. Ну а почему другие части неба во время сумерек остаются голубого цвета? В этом "виновата" третья компонента атмосферы, про которую мы не говорили ранее — озон. Для глаза его присутствие днем фактически незаметно, но именно он дает небу возможность сохранить голубой цвет в сумерках.
Сегодня, наверное, вряд ли можно найти человека, который не знал бы об этом газе, присутствующем в атмосфере в очень небольшом количестве, но играющем в ней наиважнейшую роль. Без наличия его ничтожной примеси на высоте 20-30 км жизнь на нашей планете была бы невозможна, ибо все живое было бы испепелено жестким ультрафиолетовым излучением Солнца. Обладая же очень мощными группами полос поглощения в ультрафиолетовой области, озон спасает нас от неминуемой смерти. Неудивительно, какая буря творилась в прессе совсем недавно, когда появились сообщения о появлении "озонной дыры" над Антарктидой!
Однако мало кто знает о существовании полос поглощения озона в видимой области спектра. Эти полосы очень слабы и почти не сказываются на вертикальных солнечных лучах, проходящих сквозь земную атмосферу. Однако своим синим цветом сумеречное небо обязано именно им, поскольку вечером или утром солнечные лучи проходят очень большой путь по касательной над поверхностью Земли. Причем лучи, наиболее эффективные с точки зрения формирования цвета сумеречного фона неба в зеленой и желтой области спектра, проходят на высоте 20-30 км. Как раз там и находится область наибольшей концентрации озона, максимум поглощения света у которого в видимой области спектра приходится на те же зеленые и желтые лучи. В результате этого совпадения небо и приобретает столь привычный для нас голубой цвет.
Если бы озона не было, то зеленые и желтые лучи в результате отсутствия сильного поглощения стали бы преобладать над синими, и сумеречное небо приобретало бы зеленовато-желтый оттенок.
Роль озона в жизни Земли удивительна. Спасая нас от губительного ультрафиолета и играя немаловажную роль в поддержании теплового баланса на нашей планете, озон еще и стабилизирует цвет неба. И все это — при мизерной плотности в одну миллионную от плотности воздуха на высоте 25 км!
Как рождается ночь
Сумерки
В момент захода Солнца под горизонт всего лишь два светила могут быть найдены на небе невооруженным глазом, если они, конечно, находятся над горизонтом. Это Луна и Венера (очень яркие кометы в расчет не берутся). Вскоре к ним присоединится Юпитер, естественно, если в это время он находится на небе. Но звезд еще пока не видно...
Самым темным небо бывает в области зенита, и поэтому именно там начинают появляться первые звезды. При погружении Солнца под горизонт на 2° загораются звезды нулевой величины. В роли "первой" звезды в северных широтах в конце весны и начале лета выступает Арктур, в конце лета, осенью и начале зимы — Вега, в конце зимы и начале весны — Капелла. Ярчайшая звезда неба — Сириус — берет на себя эту роль только в южных районах нашей страны, где она поднимается достаточно высоко над горизонтом.
Вслед за звездой-лидером быстро начинают появляться остальные звезды. Человеческий глаз устроен так, что при убывании фона, скажем, в 4 раза он видит звезды вдвое слабее. Это приводит к тому, что при погружении Солнца на 7° в зените видны звезды до 4 звездной величины. В это время уже появляются звезды и в области яркой зари, к которым часто присоединяется планета Меркурий. После окончания навигационных сумерек (погружение Солнца — 12°) большая часть неба становится достаточно темной и в это время уже можно начинать астрономические наблюдения. А в области зари небо окончательно темнеет при погружении Солнца на глубину в 18°. Начинается ночь.
Вот таким предстает перед нами величественный процесс завершения светлого времени суток и наступления ночи — одно из самых красивых и масштабных явлений, которые мы только можем наблюдать на нашей планете.
