Спросите Итана: почему на Марсе небо яркое и красное?

Original author: Ethan Siegel
  • Translation


Изображение с марсохода Оппортьюнити демонстрирует часть «Долины Марафона», как она выглядит с северной части. Изображение было сделано камерой марсохода Pancam 13 марта 2015.

О мире можно узнать очень многое, изучая его атмосферу. К примеру, на Земле оптические свойства света, проходящего через нашу атмосферу, сообщают нам о её составе, коэффициенте отражения, плотности и прочем. Если бы наша атмосфера была гораздо тоньше и менее плотной, небо было бы не таким голубым, закаты – не такими красными, и в целом яркость неба была бы меньше. На Марсе плотность атмосферы составляет 0,7% от Земной, так что даже с меньшей гравитацией его атмосфера очень тонкая и разреженная по сравнению с нашей. Так почему же на изображениях, полученных с марсоходов, марсианское небо кажется таким ярким? Именно такой вопрос задаёт наш читатель:
Мы, физики, знаем, что яркость небо приобретает благодаря солнечному свету, рассеивающемуся на материи атмосферы. Яркость неба напрямую связана с массой материи атмосферы. Но что мы видим на изображениях, полученных с Кьюриосити, Спирит и Оппортьюнити? Невероятно яркое небо и невероятно расплывчатые горы. Как вы можете это объяснить?


Автопортрет Кьюриосити от 2015. Этот марсоход – самый тяжёлый из всех приземлявшихся на поверхность Марса грузов, и даже он весит меньше тонны. Качество его камеры, однако, достаточное для того, чтобы видеть небо Марса в тех же цветах, в каких его видел бы глаз человека.

Сомнений нет, небо Марса красное и яркое, не такое, как можно было бы ожидать, просто экстраполируя на основании атмосферы Земли, превратив её в более тонкую и разреженную. Этот вопрос постоянно становится темой теорий заговора, поскольку то, что мы видим на поверхности Марса, сильно отличается от того, что мы ожидали там увидеть. Что может быть тому причиной?



Отличительные черты Марса развились из-за его геологической истории, но цвет атмосферы сильно зависит от того, как, когда и где на неё посмотреть. Он может варьироваться от жёлто-коричневого до красного и голубого, в зависимости от набора факторов.

Перед тем, как ваше воображение станет делать поспешные выводы, которые наверняка сразу же начнут рассматривать некоторые люди – например, что все фото, выпущенные НАСА, на самом деле являются подредактированными фотографиями с Земли – позвольте мне показать вам изображение Земли, которое никаким модификациям не подвергалось.



База ВВС США Аль-Такадум в Ираке, также известная, как Air Base TQ, во время песчаного шторма на Земле

Напоминает ли эта фотография виденные вами фотографии Марса? Вероятно, в зависимости от того, какие изображения Марса приходят вам на ум – а ещё вы можете подумать о том, что на Марсе небо должно быть не жёлтым, а красным.

Иначе говоря, вы бы предпочли подобную фотографию:


Песчаная буря в неизвестной пустыне, май 2006

Эти фотографии были сделаны вовсе не на закате, но они были сняты при весьма определённых условиях на Земле. А именно, они были сделаны при наличии большого количества частиц в атмосфере. Если вы бывали в местах с большим содержанием смога, загрязнением воздуха или горящих недалеко лесных пожарах, вы наверняка видели нечто сравнимое с тем, как выглядит песчаная буря в пустыне или марсианская атмосфера.

Если вы взглянете на фотографии Марса, полученные различными марсоходами в различных местах, вы увидите, что цвета варьируются довольно сильно.



Поверхность Марса ужасно негостеприимна для известных нам форм жизни. Горы вдалеке и небо будут выглядеть по-разному в зависимости от плотности частиц в атмосфере.

Из-за чего происходит такое несоответствие?

Тут играет роль множество факторов. Камеры марсохода – немного отличающиеся друг от друга – действительно играют роль. Но это не основной фактор изменения цветов; существуют физические объяснения различия ландшафтов и неба. Среди них:

  • Количество и плотность пыли в марсианской атмосфере во время съёмки;
  • Физический размер частиц пыли, изменяющийся во времени и пространстве;
  • Расположение Солнца в небе относительно фотоаппарата.

Вариации той картинки, что мы видим, глядя на Марс, могут демонстрировать неуловимые, но чрезвычайно важные свойства этого мира и его атмосферы.



Снимки Марса с Хаббла, в особенности участки с облаками и льдом, демонстрируют голубой цвет этой части мира, что говорит о размере частиц льда в атмосфере Марса.

Почем, к примеру, небо Марса иногда кажется голубым? Изображение выше, сделанное издалека телескопом Хаббла, соответствует тому, что впервые увидел на поверхности Марс Пасфайндер – небо, которое могут покрывать облака водяного льда, состоящие из очень малых частиц. Они, возможно, в десять раз меньше в размере, чем обычная марсианская пыль, и в тысячу раз меньше толщины человеческого волоса. Эти частицы, будучи меньше, чем длина волны видимого света, кажутся яркими в голубой части света, но практически не видны в красном свете. Из этого мы усваиваем важный научный урок: частицы льда в облаках Марса чрезвычайно малы.

На Земле во время заката или восхода небо на противоположной от Солнца стороне, свободное от частиц, выглядит голубым, несмотря на то, что Солнце и его окрестности выглядят красными. А что происходит на Марсе?



Широкоугольная фотография заката на Марсе, сделанная марсоходом Спирит в 2005. Отметьте голубоватый цвет рядом с Солнцем, и сравните его с красноватым цветом других частей неба.

Небо Марса рядом с Солнцем кажется голубым, а небо далеко от него – красным. Диск Солнца кажется почти белым, с лёгким голубым оттенком. Это не связано с облаками или льдом, а только с марсианской пылью, пронизывающей атмосферу планеты. Пыль в атмосфере, как и пыль песчаных бурь на Земле, поглощает голубой свет, из-за чего небо становится в основном красным. Однако пыль рассеивает немного голубого света в области рядом с Солнцем, из-за размера пылинок. Если посмотреть закат Солнца на Марсе, как это делал Кьюриосити в 2015, можно увидеть невероятный визуальный эффект голубого заходящего Солнца.


Закат Солнца, вид из кратера Гейла; фото сделано с Кьюриосити 15 апреля 2015

Марс выглядит совсем не так, как мы ожидали до того, как попали туда, потому, что на нём полно пыли – не только на поверхности красной планеты, но и во всей атмосфере. Конечно, иногда на Марсе бывают песчаные бури, ещё более усиливающие этот эффект, и иногда плотность и количество пыли увеличивается или уменьшается, и это влияет на картинку. Но это не просто прозрачная атмосфера, привычная для Земли; пыль подвешена в ней, из-за чего удалённые объекты плохо видны. Крупицы пыли на Марсе большие, они в основном поглощают голубой свет, что означает, что отражающийся от частиц свет будет преимущественно красным. Также, из-за большого количества частиц, небо Марса будет ярче, чем можно было бы ожидать – ярче, чем если бы этой пыли не было.



Марс и его тонкая атмосфера, как их видно с космического аппарата Викинг в 1970-х. Яркий красный цвет атмосфера имеет из-за наличия в ней пыли

Нам даже не надо было садиться на Марс, чтобы это увидеть: аппараты миссии Викинг, приблизившиеся к марсу в 1970-х, тщательно рассмотрели атмосферу Марса из космоса. Красное свечение было ясно различимо с расстояния в десятки тысяч километров, и блокировало больше света, чем было бы, если бы пыли там не было. Учёные даже смогли разобраться в минералогии марсианской пыли только на основе эффектов поглощения света. Итого:

  • Облака Марса состоят из крохотных частиц льда;
  • На Марсе гораздо больше пыли, чем на Земле;
  • Пыль красная;
  • Она, в основном, поглощает голубой свет;
  • Красный свет в основном отражается от неё, на линии прямой видимости Солнца;
  • Из-за этого небо кажется красным, небо вблизи Солнца – голубым, удалённые горы – размытыми, а облака – голубыми.

Поэтому атмосфера на Марсе выглядит именно так, и это подтверждается доказательствами, собиравшимися десятилетиями. Нельзя применять физику атмосферы Земли к Марсу и надеяться на осмысленный результат. Марс — это, буквально, целый новый мир.
Support the author
Share post

Comments 12

    +1
    Физика там одна.
    Вот например можно оценить, как будет отражаться свет Cолнца от частиц диоксида кремния в атмосфере. Правда тут нет случая мелкой пыли, может для частицы длиной 160 нм (типа параллелепипеда) будут немного другие свойства.
    Ссылка на картинку из одной статьи.
      +1
      Вот ещё пример:

      +1
      Фотки с Марса не редактируются а пересчитываются в земные цвета чтобы геологи могли изучать и делать выводы о минеральном составе. И потом предполагаю что фотокамеры там не такие как на мобильнике, наверняка снимают через кучу светофильтров чтобы захватить большой диапазон потом собирают вместе. То есть оригинальных фото может и не существовать.
        +1
        Вообще то была история что фотографии «Викингов» после получения начали править из-за того что они выглядели «неестественно» для Марса. Поэтому после этого на марсоходы стали ставить калибровочные пластины с цветами. Вот пластины с Оппортьюнити/Спирит и Кьюриосити/Марс-2020:

        0
        несмотря на то, что Солнце и его окрестности выглядят красными
        — Итан тут немного заблуждается как и положено теоретику никогда не смотревшему на небо; небо в окрестности солнца и на земле выглядит голубым, красное — только само солнце, с поправкой на то что будучи ярким оно насыщает (saturate) рецепторы от чего оно кажется менее насыщенным чем должно бы было быть. Красное небо на закате — это вторичный эффект рассеяния (кажется не релеевского а обычного, хотя не уверен) красного света солнца на частицах пыли/сульфатов и прочих взвешенных загрязнениях атмосферы. Это легко понять, просто посмотрев на то как выглядит закат/восход солнца в тех местах где загрязнения воздуха взвешенными частицами — минимальны. Человеческий глаз весьма чувствителен к цветам так что изменение относительной яркости даже в несколько процентов будут давать изменение цвета, так что в результате закаты имеют имеют очень разные цвета в разных местах и в разное время, но там где загрязнений — минимум (ну так чтобы их совсем не было наверное и не бывает), небо вокруг солнца остается относительно лазурным вплоть до самого захода солнца. Я понимаю, для жителей европы где испокон веков жгут все что можно нарубить или выкопать, красное небо гораздо более привычно чем голубое но это не атмосфера — это загрязнения.
          0
          Красное солнце на закате — небо на следующий день будет ясным, т.е. день летом — жарким. От чего это зависит, от влажности или пыли непонятно.
          Если в фотоскэйпе сделать «автоконтраст» — фотографии изменяются, и становятся лучше различимы детали. Но они далеки от реальных цветов и освещенности, фотоскэйп просто делает небо голубым, а остальные цвета корректирует пропорционально.
          Хорошо бы смоделировать — у нас есть освещенность, состав атмосферы, давление. На Земле цвет неба обусловлен поглощением в кислороде, на Марсе атмосфера в основном — углекислый газ.
            0
            А рассеяние Релея не рулит по Вашему? Хотя характер рассеяния на частицах (диэлектрика скажем) с размером больше длины волны будет другим.
            Но действительно, у кислорода есть какой-то спектр поглощения, может с пиками такого типа:
            www.astronet.ru/db/msg/1169494/node31.html
            0

            А еще есть закаты на побережьях Флориды — невероятные оттенки красного, сиреневого и непонятно каких еще цветов. Говорят что благодаря пыли из Сахары.

              0
              Красное небо на закате — это вторичный эффект рассеяния (кажется не релеевского а обычного
              В википедии сказано, что это как раз в результате релеевского рассеивания — через более толстый слой атмосферы у горизонта — фиолетовая часть спектра настолько рассеивается, что цвет сползает в красный. Живу далеко не в Европе, и наблюдал множество оттенков неба на закате, но синего неба непосредственно возле солнца, заходящего за горизонт, не видел даже в горах.
                0
                Знаете, википедия иногда ошибается; я это знаю потому-что сам ею пользуюсь много, как и положено человеку которому лень перелопачивать тысячи литературы чтобы подтвердить свое утверждение в случайных спорах в интернете; и натыкался я на неточности или даже полную несуразицу в вики не раз и не два (и даже в английской).

                И не только вики — даже в «настоящей» науке относительно безобидные заблуждения иногда живут десятилетиями пока кто-то не обратит на них внимание (о глубоких заблуждениях типа неспособности разглядеть «лоренцову природу» пространства-времени на протяжении 50 лет со времени ее открытия маквселлом в 60х годах 19го века речь не идет, именно о безобидных заблуждениях).

                В данном конкретном случае, вы и вероятно википедисты просто неверно проинтерпретировали то что пишут в источниках (хотя скорее всего заблуждаются и сами источники). Фиолетовая, ультрафиолетовая, синяя части спектра действительно сильно рассеиваются — ближний УФ например рассеивается на примерно 25% даже когда солнце — в зените, а у горизонта там вообще почти весь уходит. Но это делает цвет только самого солнца краснее, цвет же неба вокруг солнца наоборот, складывается из той отсеянной части спектра, то есть — синей и фиолетовой! И толстая атмосфера тут не помогает потому что зависимость рассеяния от длины волны мало если вообще (для данных условий) зависит от плотности газа, там простая степенная зависимость. Интенсивность рассеяния — да, зависит, и тут в этом месте вы немного правы в том, что если атмосфера очень толстая то должен проявляться вторичный эффект — уже рассеянный синий свет будет в свою очередь фильтроваться и ослабляться тогда как желто-красный цвет нерассеянного излучения солнца будет рассеиваться на более близких к вам слоях воздуха, и хотя он рассеивается слабо, он будет добавляться к ранее рассеянному синему цвету неба делая его менее насыщенным и сдвигая в сторону белого или даже желтоватого. Но насыщенно-красным — не знаю, наверное если атмосфера действительно очень толстая то мбыть, это когда совсем нельзя пренебрегать множественным рассеянием так что так сразу и не скажешь — нужно считать а это явно выше моих способностей да и лень было-бы делать это ради комментария; может когда-нибудь в будущем.

                Тем временем-же, приходится полагаться на опыт — и *мой* опыт, который я к сожалению не могу толком вам передать, говорит мне что цвет рассвета/заката сильно изменчив (кстати, имхо друг от друга они тоже систематически отличаются) и при этом на условно говоря «чистом» конце этой изменчивости имеют место такие закаты/рассветы когда небо не краснеет _вообще_. Если повезет — краснеет солнце, хотя часто оно тоже только желтеет после чего прячется за горизонт, или облака на фоне лазурного неба. Да, здесь должна быть поправка — место где я это все сейчас наблюдаю находится не на уровне моря а примерно на высоте в 1 км (но не в горах, тут равнина), давление атмосферы тогда составляет очень примерно (теоретически) 90% от SLP так что отчасти можно было-бы отнести чистые закаты на этот счет но… в очень редких случаях я такие наблюдал и на восточно-европейской равнине, что автоматически отметает «наивно-релеевскую» гипотезу красных закатов. Но наблюдал очень редко — я наверное и десятка случаев таких не вспомню, хотя может просто не обращал должного внимания. Короче, европа настолько систематически перманентно задымлена что это давно стало климатической нормой, а «чистые» природные условия встречаются буквально раз в XX лет в обед на ужин.

                И это не только в европе — загрязнение воздуха сульфатами имеет место также в китае (ну очевидно, от него если верить картам, несет на пол-мира почти до канадского берега), южной и юговосточной азии и на востоке континентальных сша, ну а также — по мелочи всюду где есть большие индустриальные города.
                  0
                  Знаете, википедия иногда ошибается
                  Знаете, этот секрет Полишинеля обычно преподносится как величайшее откровение десятилетия, и используется чаще всего разнообразными фриками: «Информация в википедии не соответствует моим высказываниям? Тем хуже для википедии.» Тем временем, то, что именно в википедии проще всего найти и исправить ошибки, означает что она специально такой создана, а не то, что там ошибок больше, чем в любой другой энциклопедии.

                  что если атмосфера очень толстая то должен проявляться вторичный эффект — уже рассеянный синий свет будет в свою очередь фильтроваться и ослабляться тогда как желто-красный цвет нерассеянного излучения солнца будет рассеиваться на более близких к вам слоях воздуха, и хотя он рассеивается слабо, он будет добавляться к ранее рассеянному синему цвету неба делая его менее насыщенным и сдвигая в сторону белого или даже желтоватого.
                  Именно о том и идёт речь в википедии — даже в идеально чистой от примесей атмосфере, на закате вокруг солнца вы увидите, скорее всего, что-то вроде этого:
                  image

                  Да, небо сохраняет синеву почти у самого солнца, однако непосредственно возле диска вы никогда не увидите синеву, такую, как вокруг полуденного солнца. И уж тем более, вы никогда не увидите такого, что бы незадолго перед рассветом или после заката небо приняло какой-либо холодный оттенок у горизонта на востоке или западе.

                  Так что, останусь при мнении, что википедия более права, чем вы, в этом вопросе, и что Итан Сигель иногда смотрит на небо. Немного утомлён людьми, которые имеют своё радикальное мнение в таких вопросах. Недавно вот имел диалог здесь на хабре, с человеком, отрицающим существование на орбите приливных сил, которые смогут стабилизировать трос орбитального лифта в радиальном положении. При этом, человек работает математиком-программистом ОКБ, пишет лекции для детей и вносит правки в википедию и заканчивает работу по автоориентации 8 и 13 светильников Союза для ЦПК.
                    0
                    Так идеально-чистой атмосферы и не бывает, там более у вас на картинке совершенно четко видно полосу взвешенных примесей вдоль горизонта. В европе вообще с чистым воздухом уже 250 лет проблемы (промышленность? нет, не слшали; песики сахары? тоже загрязняют). Вот вам более лучший пример чистой атмосферы

            Only users with full accounts can post comments. Log in, please.