Атмосфера освещает Землю?

Если звезды обеспечивают менее половины наблюдаемой освещенности, то невольно встает вопрос, какой же источник создает остальную освещенность земной поверхности в безлунную ночь? Открытие этого источника имеет свою интересную историю.

В том же 1901 г., когда Ньюкомб делал первые звездные подсчеты, немецкий ученый Вихерт в Геттингене, фотографируя спектр ночного неба, обнаружил на пластинках зеленую линию, самую характерную в спектрах полярных сияний, при этом во многих частях неба. Вихерт не оценил должным образом свое открытие и ограничился замечанием, что полярные сияния на широте Геттингена (51°35') - явление не такое редкое, как это считали раньше.

Еще ближе к открытию подошел голландский ученый Интема. В 1909 г. он, как и Ньюкомб, подсчитав свет от всех звезд, убедился еще раз, что света только одних звезд для создания наблюдаемой на Земле освещенности явно недостаточно. Учитывая исследования Вихерта, он высказал гипотезу, что непрерывный зеленый свет посылает источник, находящийся в земной атмосфере.

Подтвердить справедливость гипотезы Интема и сделать окончательное открытие важного источника освещения земной поверхности ночью удалось только через 10 лет, в 1919 г., английскому астроному Слайферу. Еще в 1915 г., фотографируя спектр Млечного Пути несколько ночей подряд, Слайфер обнаружил на всех пластинках зеленую линию, типичную для полярных сияний. Но свои измерения он проводил на широте 35° 12', где полярные сияния наблюдаются крайне редко - в среднем один раз за много лет. Слайфер продолжал свои наблюдения еще четыре года, сделал множество снимков во всех частях неба и всюду находил зеленую линию. Яркость линии была тем больше, чем ближе к горизонту производилось фотографирование. Оставалось сделать вывод, что весь небосвод каждую ночь излучает непрерывный свет, подобный свету полярных сияний. Так было открыто ночное свечение атмосферы!

Какую большую роль играет атмосфера в жизни человечества, известно каждому школьнику. Прежде всего, мы дышим воздухом, без него невозможна была бы жизнь на Земле. Атмосфера "согревает" Землю, поглощая тепло, излучаемое Землей в мировое пространство, и частично возвращая его в виде встречного излучения атмосферы. Атмосфера выполняет ряд защитных функций. Она защищает нас от губительного действия ультрафиолетовых лучей Солнца и от "небесных камней" - метеоров, подавляющая масса которых, сгорает в атмосфере. Ионизированные слои, имеющиеся в атмосфере, обеспечивают радиосвязь и отражают назад в мировое пространство приходящие из него радиоволны длиннее 30 м днем и 200 - 300 м ночью, освобождая от них наш эфир. Обо всех перечисленных "функциях" атмосферы часто пишут и говорят. Но то, что атмосфера еще и освещает Землю ночью, что в отсутствие Луны она наш главный светильник, знают не все.

Открытие ночного свечения атмосферы явилось подлинной сенсацией в науке. Сразу же возникла масса вопросов. Вся ли атмосфера светится или какой-то ее слой? Если слой, то на какой высоте? Почему воздух светится ночью? И ряд других вопросов. Сначала расскажем о том, чем создается свечение.

Ночное свечение атмосферы представляет собой свечение разреженных газов (люминесценцию), составляющих воздух на высотах от 80 до 300 км. По физической природе оно аналогично свечению разреженных газов в газосветных рекламных трубках (красный свет - это свечение неона, зеленый - паров ртури и т. д.). Спектр свечения атмосферы является довольно сложным. Он состоит из большого числа линий и полос в видимой, инфракрасной и ультрафиолетовой областях спектра, а также слабого непрерывного участка спектра, называемого континуумом, в области длин волн 0,595 - 0,630 мкм.

В видимой части спектра самыми яркими линиями являются линии излучения атомарного кислорода. Это, прежде всего, знаменитая зеленая линия, благодаря которой и открыли свечение атмосферы. Зеленая линия (длина волны 0,5577 мкм) постоянно присутствует и в спектрах полярных сияний, придавая им зеленоватую окраску. Две более слабые линии атомарного кислорода имеются в красной части спектра (0,6300 и 0,6364 мкм), есть яркая оранжевая линия атома натрия (0,6300 мкм), вспышку которой обнаружили сначала в свечении сумеречного неба, имеются полосы гидроксила, континуум и др. Наибольшей интенсивностью характеризуются полосы и линии излучения в близкой ИК-области. Это очень сильная сложной структуры полоса гидроксила (3,817 - 4,470 мкм), полосы молекулярного азота, двуокиси азота, атомарного натрия и ряда других газов, входящих в состав воздуха.

Излучение гидроксила настолько сильное (несмотря на его ничтожно малую концентрацию в сравнении с основными газами), что если бы оно происходило в видимой части спектра, то яркость ночного свечения увеличилась бы до яркости неба при сильном полярном сиянии или достигла бы яркости неба в середине сумерек. Таким образом, ночь в обычном понимании этого слова не наступала бы вообще.

Каждый газ имеет один или несколько максимумов свечения на характерных для него высотах. Полосы излучения гидроксила вносят наибольший вклад в общую энергию свечения атмосферы. Вместе с континуумом они создают около 87% общего свечения и имеют два максимума на высотах 80 - 86 и 100 - 105 км. Зеленая линия атомарного кислорода светится в тонком слое 80 - 100 км. Ее вклад составляет около 10%. Красные линии атомарного кислорода имеют максимум свечения на высотах 200 - 300 км, их вклад менее 1%, линия натрия - на высоте 82 - 96 км, ее вклад около 1%. На долю свечения остальных газов приходится примерно 1% общей энергии.