Спросите Итана: почему на Марсе небо яркое и красное?

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.