МИР ГЛАЗАМИ КОСМОНАВТА

МИР ГЛАЗАМИ КОСМОНАВТА

Когда в незабываемый день, 12 апреля 1961 года, советский космический корабль-спутник устремился в звездную высь и прошел плотные слои воздуха, летчик-космонавт прильнул к стеклу иллюминатора.
—        Красота-то какая! — невольно воскликнул Гагарин, первый среди людей увидевший мир и земной шар из космоса.
То же чувство восхищения испытал и космонавт-Герман Степанович Титов 6 августа того же года, когда новое чудо советской техники — корабль «Восток-2» вышел на заданную орбиту.
—        Порядок! — не давая воли своим чувствам, сдержанно произнес Титов, любуясь в иллюминатор красочной картиной открывшегося его глазам заоблачного мира.
«Порядок... Так и должно быть. Ведь я об этом знал уже давно, да и Юра видел то же самое. И все же такую красоту надо видеть своими глазами». Такую же пленительную картину увидели А. Г. Николаев и П. Р. Попович.
Наверно, также будут восхищаться и последующие космонавты, кому посчастливится увидеть нашу планету из космоса, с Луны или из глубины вселенной.
Каким же представляется мир глазам космонавта? Как выглядит земной шар, Солнце, звезды — вся картина неба?
—        С высоты дневная сторона Земли видна очень хорошо, — улыбаясь, рассказывал Юрий Гагарин после полета. — Хорошо различимы берега континентов, острова, крупные реки, большие водоемы, складки местности. Когда я пролетал над нашей Землей, то отчетливо разглядел большие квадраты колхозных полей, и даже можно было понять, где пахота, а где луг...»
Но восхитила космонавта иная картина.
—        Надо сказать, — продолжал Ю. Гагарин, — что картина горизонта очень своеобразна и необычайно красива. Можно видеть необыкновенный по красочности переход от светлой поверхности Земли к совершенно черному небу, на котором видны звезды. Переход этот очень тоненький, как бы пленка-поясок, окружающий земной шар. Она нежно-голубого цвета. И вот этот переход от голубого к черному очень красив. Даже трудно передать словами. А когда я выходил из земной тени, то горизонт представлялся иным: на нем была ярко-оранжевая полоска, которая затем переходила опять в голубой цвет и снова в густо-черный. Луны я не видел. Солнце в космосе светит в несколько десятков раз ярче, чем у нас на Земле. Звезды видны очень хорошо: они яркие, четкие. Весь небосвод значительно контрастнее, чем мы видим его с нашей Земли.
Картину, которую видел Гагарин, облетая вокруг Земли в течение двух часов, Титов наблюдал в течение суток, облетев вокруг Земли семнадцать раз. Но ничего нового он не подметил.
—  В иллюминаторы светило яркое, нестерпимое для глаз солнце. На черном бархате неба, как алмазы, трепетным огнем искрились и переливались крупные холодные звезды.... Второй рассвет в этот день для меня начался с того, что на горизонте я увидел ярко-оранжевую полосу, над которой стали возникать все цвета радуги. Небо было таким, словно я глядел на него через хрустальную призму...
Интересно отметить, что перед выходом из тени можно было отличить Землю от неба. Земля, не освещенная Солнцем, отличалась от неба своим сероватым светлым тоном... То, что Земля не представлялась черным провалом, по-видимому, связано с Луной, которая, хотя и была «на ущербе», все же отбрасывала солнечные лучи на Землю.
... На горизонте Земля была окружена бледно-голубым ореолом. Мир, открывшийся глазам космонавтов за пределами земной атмосферы, и красочный ореол окружающий земной шар, не явился неожиданностью для тех, кто изучал свойства атмосферы. Ученые уже давно нарисовали в своем воображении картину, очень близкую к той, которую наблюдали Гагарин и Титов.

И все же в наши дни многие, неискушенные в физике, люди задают себе вопрос: «А почему в космосе мир выглядит так, как его описывают наши космонавты? Чем объясняется наличие красочного ореола вокруг нашей планеты?»?
Постараемся кратко и по возможности проще ответить на эти вопросы.
Прежде всего вспомним, что мы имеем в виду, когда говорим «небо».
Известно, что земной шар со всех сторон окружен атмосферой и мы живем как бы на дне огромного воздушного океана.
Может быть, говоря «небо», имеют в виду эту воздушную оболочку Земли? Но ведь эта оболочка имеет свое вполне определенное название — «атмосфера».
Вернее всего, что под словом «небо» мы разумеем видимую границу нашего зрения- границу, которая может изменяться в зависимости от места нахождения наблюдателя и особенностей его зрения.
Забегая несколько вперед, можно добавить, что днем граница нашего зрения определяется той частью атмосферы, которая посылает нам рассеянный солнечный свет.
Когда мы смотрим вокруг, находясь на открытом пространстве — в поле, степи, на борту парохода или на вершине высокой горы, — то небо представляется нам в виде огромного опрокинутого купола или свода, немного приплюснутого над нашей головой. При этом кажется, что Земля- это огромный плоский круг, в центре которого мы и ведем свои наблюдения. Края же Земли как бы соприкасаются с небосводом у горизонта. Но, конечно, в действительности нигде небо не сходится с Землей — это также видимая граница наблюдаемой части земной поверхности.
Одна из особенностей нашего зрения заключается в том, что, находясь на открытом месте, мы видим небо одинаково хорошо во всех направлениях.
Этой особенностью нашего зрения объясняется и то, что небо представляется нам куполообразным или в виде гигантской опрокинутой чаши. Кажущаяся приплюснутость небосвода над нашей головой — это лишь один из многочисленных оптических обманов, зрительная иллюзия.
Было бы также неправильно думать, что наблюдаемая форма неба каким-либо образом связана и зависит от формы земного шара.
Таким образом, и само понятие «небо», и его форма, определяемые особенностью нашего зрения, есть понятия довольно условные. Так, в дневное время, в зависимости от погоды и условий видимости, небо может казаться нам то выше, то ниже: когда облачно или Солнце затянуто мутной пеленой, небо кажется низким; в ясную погоду голубой шатер неба как бы поднимается. В ночное время атмосфера не рассеивает солнечных лучей, так как светило уходит за горизонт, и мы видим черное, усыпанное звездами небо, которое выше дневного; а зимой дневное и ночное небо нам кажутся более далекими, чем летом.
На небе мы видим Солнце, Луну, звезды, планеты, которые находятся значительно дальше наблюдаемого неба. И вся эта картина рисуется нам благодаря особенностям нашего зрения и постоянно действующим оптическим иллюзиям.
Итак, если мы говорим о небе как о чем-то определенном и конкретном, то в действительности же «небо» неопределенно и неощутимо.
Совсем иное дело — атмосфера: воздух — это вполне вещественная материальная среда, и именно благодаря наличию вокруг земли воздуха справедливо говорить, что в небе плывут облака, парит орел, в небо взмыл самолет и т. п.
Атмосфера имеет слоистое строение, состоит как бы из нескольких воздушных слоев, правда, без каких-либо видимых резких границ перехода от одного слоя к другому. Но вместе с тем каждый такой слой или часть атмосферы обладает своими физическими свойствами и особенностями.
Самый нижний слой атмосферы носит название тропосферы, начинаясь у самой поверхности земли; тропосфера простирается на высоту 7-10 километров над полюсами и на 15-18 километров над экватором. Тропосферу еще называют «фабрикой погоды», так как в ней образуются облака, из которых на Землю выпадают осадки.
Выше находится стратосфера; ее верхняя граница удалена от поверхности Земли на расстояние 80-100 километров. В этой части атмосферы всегда ясно, так как облаков здесь почти не бывает. Но зато в стратосфере непрерывно дуют сильные ветры. Воздух на этой высоте уже не тот, которым дышит все живое на Земле: воздух здесь сильно разрежен, то есть менее плотен и ионизирован.
Еще выше идет так называемая ионосфера, обладающая большой электропроводностью, обусловленной значительной концентрацией в ней ионов и свободных электронов. Верхняя граница этой части атмосферы постепенно и примерно на высоте 1200-1500 километров переходит в безвоздушное космическое пространство.
Уже запуск первых советских искусственных спутников Земли и сведения, полученные от установленной на них аппаратуры, говорят о том, что признаки земной атмосферы обнаружены и еще выше, на высоте 2000 километров от поверхности Земли, что «пустое» мировое пространство не так уже пусто и что в нем имеется газовая составляющая, метеоритная пыль и другие мелкие материальные частицы.
Смотря с Земли на небо, мы видим, что в безоблачную погоду по утрам и днем оно бывает окрашено в голубые, лазоревые и синие тона, а при восходе и на закате солнца небосклон у горизонта окрашивается в желто-розовые, оранжевые и красные тона.
Если же наблюдать за небом из кабины самолета, то видно, что с высотой цвет неба меняется: голубизна постепенно переходит в синь, а синева плавно переходит в фиолетовые тона и уже на высоте 13 километров от поверхности Земли небо всегда выглядит фиолетовым. Еще выше — цвет неба все больше и больше темнеет, переходя в черный бархат межпланетного безграничного пространства.
Таким образом, поднимаясь вверх на достаточно большую высоту, мы можем проследить, как изменяется цвет неба от бледно-голубого до совершенно черного, как сажа. Но охватить взглядом весь красочный ореол, окружающий земной шар, любоваться всей цветной гаммой, плавным переходом одного цвета в другой можно лишь на большом удалении от Земли, за пределами земной атмосферы.
Ни одна планета нашей солнечной системы не может сравниться по красоте своего внешнего вида с земным шаром!
Но тут возникает и другой вопрос: а почему различные слои атмосферы (на разной высоте) для нашего глаза представляются окрашенными в различные цвета? И почему вообще бесцветный и прозрачный воздух издали, на большом расстоянии, кажется окрашенным?
Почему безоблачное небо окрашено?
Уже в XV веке великий итальянский художник и ученый Леонардо да Винчи один из первых высказал правильное предположение о причине окраски неба; ученый полагал, что голубизна неба обусловливается рассеянием солнечного света в атмосфере. Но окончательный ответ на вопрос — почему небо голубое? — был дан значительно позже, с открытием Джоном Рэлеем закона интенсивности рассеяния.
Элементарный и краткий ответ на поставленный вопрос гласит: голубой цвет дневного неба объясняется тем, что атмосфера Земли, окружающая земной шар, рассеивает во все стороны проходящий через нее солнечный свет. Но белый солнечный свет состоит из смеси всех цветов радуги; воздух рассеивает голубые лучи сильнее, чем лучи других цветов. Поэтому воздух как бы и окрашивается в голубой цвет.
Спектр солнечного света очень сложный; и то, что мы принимаем за белый дневной солнечный свет, на самом деле есть смешение различных цветов.
Спектр солнечного света распадается на семь основных цветов: фиолетовый, синий, голубой, зеленый, желтый, оранжевый, красный, не считая различных промежуточных оттенков. При этом фиолетовые и красные лучи являются границами лишь небольшого, видимого участка спектра.
Световые лучи движутся прямолинейно, пока на своем пути не встретят какое- либо препятствие, преграду; а встретившись с преградой, луч света может или поглотиться ею, или пройти сквозь нее, или отразиться, или преломиться, то есть изменить свое первоначальное направление. Но если преграда очень мала, например, молекула воздуха или пылинка, и по своим геометрическим размерам соизмерима с длиной волны светового луча, то луч обогнет такую преграду и пойдет дальше, не изменяя первоначального направления, Точно так же волны реки, встретив на своем пути небольшой камень, огибают его, не изменяя и не останавливая своего движения.
—  Ну, а почему же все-таки ясное небо окрашено и почему Гагарин и Титов видели красочный ореол, а небо черным? — спросят некоторые нетерпеливые читатели.
Еще немного терпения, — ведь одно вытекает из другого, все находится во взаимосвязи; и если не разобраться в том, что уже было сказано о строении атмосферы, природе и спектре солнечного света, то будет трудно понять и остальное.
Лучи света, посылаемые Солнцем, прежде чем попасть в наш глаз, проходят сквозь толщу земной атмосферы. Но что происходит с лучами на этом пути и главным образом в нижних, более плотных слоях — тропосфере? Здесь лучи встречают на своем пути преграды в виде бесчисленного множества молекул воздуха, водяного пара и пыли.
Ученым удалось подсчитать, что в 1 кубическом сантиметре (в одном наперстке) находится 27 000 000 000 000 000 000, то есть 27 квинтильонов молекул воздуха! Как же должны быть малы молекулы!
В воздухе во взвешенном состоянии всегда присутствует не видимый глазом бесцветный водяной пар. Подсчитано, что во всей атмосфере количество водяного пара (и облачных капель) в среднем составляет около 10 000 миллиардов тонн! Вот откуда берется та вода, которая выпадает обратно на Землю в виде осадков, и главным образом в виде дождя и снега.
В воздухе, особенно в приземных слоях во взвешенном состоянии всегда присутствует и пыль — мелкие твердые частицы различного происхождения. Если бы удалось собрать всю пыль, плавающую в атмосфере, и спрессовать эту пыль, например, в форму куба, то ребро такого куба равнялось бы 180 километрам!
Чем ниже к поверхности Земли, тем воздух загрязнен больше, особенно над промышленными районами и крупными городами; чем выше, тем воздух разреженнее и чище.
Как ни малы молекулы воздуха, водяного пара и «плавающие» в воздухе пылинки, они все же соизмеримы с длиной волны сине-голубых лучей и служат для них существенной преградой: отражают и рассеивают эти лучи во всех направлениях.
Вот этот-то рассеянный солнечный свет, богатый голубыми и синими лучами, попадает в наш глаз в ясную погоду и создает впечатление, что небо сине-голубое.
Закон интенсивности рассеяния Джона Рэлея в математической форме поясняет причину окраски неба. Этот закон гласит, что интенсивность рассеяния лучей света на молекулах атмосферы и других ее частицах, значительно меньших длины световой волны, обратно пропорциональна четвертой степени длины этой волны. Следовательно, чем короче длина волны луча, тем интенсивнее такие лучи будут рассеиваться в атмосфере, тем больше таких лучей будет попадать в наши глаза и небо будет казаться окрашенным в тот же цвет, что и сами лучи.
Из видимого участка спектра солнечного света фиолетовые, синие, голубые лучи имеют относительно малую длину волны, поэтому они, как говорит о том и закон Рэлея, рассеиваются атмосферой интенсивнее, чем зеленые, желтые, красные.
Чем чище и разреженнее воздух, то есть чем меньше находится в нем молекул воздуха и примесей (а это бывает по утрам, когда пыль за ночь осядет; после грозы; над морями и океанами; над снегами Арктики, в зимнее время при наблюдении неба с высокого места и т. п.), тем ярче и чище голубой и синий цвет неба.
В летнее время к концу дня в приземных слоях атмосферы скапливается много пыли, поднятой с поверхности Земли, а также продуктов горения и других сравнительно крупных твердых частиц. Когда Солнце опускается низко к горизонту, его лучи падают на Землю более косо, под небольшим углом, а поэтому лучи, прежде чем попасть в наш глаз, проходят большую толщу сильно запыленного и загрязненного воздуха.
Прямые лучи от Солнца с короткими длинами волн — фиолетовые, синие, голубые — не могут пробиться сквозь пылевую завесу, и их мало попадает в глаз наблюдателя. Лучи же с более длинными волнами — желтые, оранжевые, красные — частично отражаются и рассеиваются, но большое количество их доступно нашему зрению, и мы видим вечернее небо у горизонта, при закате светила, окрашенным в желтые, оранжевые и красные тона. По утрам же, когда пыль несколько осядет и воздух станет чище, на заре небо сперва окрашивается в нежно-розовые тона, а когда Солнце поднимается выше, — розовый цвет сменяется голубым.
Наконец, когда небо затянуто облаками, то они не пропускают прямых солнечных лучей; все лучи частично отражаются от облаков, частично поглощаются, отражаются и рассеиваются в разные стороны, а смешение отраженных лучей разных длин волн мы воспринимаем как белый дневной свет.
А теперь вернемся к началу нашей беседы, к тому, каким видели мир из космоса Ю. Гагарин и Г. Титов.
Обращенная к Солнцу и освещенная его лучами сторона Земли из космоса кажется блестящей. Поверхность освещенной стороны (дневной) Земли отражает достаточно много лучистой энергии.
Бледно-голубой ореол в виде тоненького колечка вокруг диска Земли обязан своим происхождением той части тропосферы (ТОЛЩИНОЙ всего в несколько километров), которая интенсивно отражает и рассеивает во все стороны, в том числе и в космос, голубые лучи.
Голубой ореол плавно переходит в синеву. Это объясняется тем, что с высотой, удалением от края диска Земли воздух становится чище и разреженнее и, следовательно, интенсивно рассеивает лучи с более короткими длинами волн — синие.
Уже на расстоянии 13-16 километров от края земного диска синий цвет ореола тоже очень плавно переходит в фиолетовые и темно-фиолетовые тона. В стратосфере, даже у ее нижней границы, воздух уже настолько чист и разрежен, что может интенсивно рассеивать только лучи с еще более короткими длинами волн — фиолетовые.
Фиолетовый цвет ореола, постепенно сгущаясь и темнея, переходит в черный, как бархат, цвет. На большой высоте воздух настолько сильно разрежен, что он практически почти не отражает и не рассеивает солнечные лучи; то же наблюдается и за пределами земной атмосферы, в космическом пространстве. А раз нет рассеяния видимых глазом лучей, то такое пространство воспринимается нами как черный цвет.
Когда же космический корабль, облетая земной шар с теневой стороны, пересек границу тени — света и понесся «навстречу» Солнцу, космонавт увидел у горизонта, у самого края земного диска яркую оранжевую полоску. Это тоже теперь должно быть понятным — в это время космонавт смотрел на светило сквозь толщу запыленных приземных слоев атмосферы, пропускающих лишь лучи оранжево-красных тонов.
В космосе понятие «небо» еще более неопределенно и условно, чем на Земле... Черное, как сажа, космическое небо не висит над головой, а окружает со всех сторон, и на фоне такого черно-бархатного неба звезды видны очень четко и ярко.
А почему мы с Земли, смотря на ночное небо, видим мерцающие звезды?
Мерцание также связано с наличием атмосферы: воздух непрерывно находится в движении; водяной пар и пыль распределены в воздухе неравномерно, и поэтому состав атмосферы все время меняется, а это ведет к тому, что свет, исходящий от той или иной планеты или звезды, особенно слабой или очень удаленной, то становится сильнее, то слабее — звезда мерцает.
Вполне понятно, что в космосе, где нет атмосферы, звезды светят ярче, а их контуры очерчены резче.
Понятно и то, что, по словам космонавтов, солнечный свет в космосе в десятки раз ярче, чем у нас, на дне воздушного океана.
И все же, как бы ни был прекрасен и красочен мир космоса, для человека его Земля останется лучше, ближе и дороже.
«Наконец-то после стольких часов полета я оказался на родной Земле! — с радостью вспоминает Титов минуты приземления. — Теплая, согретая августовским солнцем, она пахла свежим зерном и соломой. Как было приятно встать на нее, ощутить под ногами привычную почву, сделать первые шаги! Они были неуверенными, как в детстве, когда я учился ходить. До чего же прекрасна земля! И небо, и море с ней никак не сравнимы!»
В. Нестеров