Jak vypadá nebe na Marsu?

Naše nebe je přes den modré a během západu Slunce zlátne a červená. Na sousední planetě Marsu je to přesně naopak. (délka blogu 5 min.)

Na vině je, jak jinak - fyzika. Za barvu nebe může hra slunečního světla s atmosférou - hra, jejíž pravidla jsou určována fyzikálními zákony. To, že je naše nebe modré, tedy rozhodně není náhoda. Proč ale vypadá nebe na Marsu tak odlišně? 

Trocha teorie - tři různé druhy rozptylu světla

Světlo (sluneční paprsky) a částice v atmosféře spolu hrají komplikovanou hru. Její pravidla jsou závislá na vlnové délce dopadajícího světla a na velikosti částic.

Nejjednodušší a neselektivní rozptyl se koná tehdy, když je vlnová délka světla zhruba desetkrát menší než průměr částice. Částice je tedy relativně velká a světlo se od ní víceméně jednoduše odrazí. Tento jev se pozoruje například u oblaků. S ohledem na vlnovou délku světla jsou kapičky vody v oblaku skuteční obři. Všechny vlnové délky se od nich odráží stejnou měrou - a výsledný oblak má barvu dopadajícího světla - tedy většinou bílou barvu. 

Pokud mají částice, které reagují se světelnými paprsky, takovou velikost, která zhruba odpovídá vlnové délce zmiňovaného světla, je rozptyl daleko komplikovanější. Jev dostal název Mieův rozptyl. 

Třetí druh rozptylu se týká velice malých částic, jejichž průměr je daleko menší než vlnová délka světla. Tento jev dostal název Rayleighův rozptyl. Je to typický rozptyl na molekulách vzduchu v atmosféře. 

Modré nebe - Rayleighův rozptyl v pozemské atmosféře

Pozemská atmosféra je poměrně hustá. Sluneční paprsky se při průchodu atmosférou naší planety tedy nevyhnou interakcím s molekulami vzduchu.

Jejich rozměry se pohybují v řádu nanometrů (miliontin milimetru), zatímco vlná délka viditelných složek slunečního světla se pohybuje v řádu stovek nanometrů. Molekuly, které obsahuje naše atmosféra, jsou tedy řádově stokrát menší než vlnová délka dopadajícího světla. To ovlivňuje způsob, jakým se světlo na částicích rozptyluje.

Ke slovu přichází Rayleighův mechanismus. Různé vlnové délky světla jsou rozptylovány s různou intenzitou.

V praxi to znamená, že se více rozptýlí ta část slunečního světla, která odpovídá modré barvě. Ta pak při pohledu ze Země barví naše nebe na modro.

Červené nebe a červené Slunce

Stejný jev kupodivu způsobuje úplně jinou barvu při západu a východu Slunce.

Situace se liší tím, že v pravé poledne je dráha, kterou musí v atmosféře Země urazit sluneční světlo, daleko kratší než během západu nebo východu Slunce. Delší dráha odpovídá samozřejmě také většímu množství molekul vzduchu, které se potkají se slunečními paprsky při jeho cestě naší atmosférou.

Rozptyl, ke kterému dochází, je tak intenzivní, že ze slunečních paprsků odfiltruje značnou část těch vlnových délek, které jsou blízké modrému konci spektra.

Výsledné světlo pak má oranžovou nebo načervenalou barvu. Pokud je během západu Slunce osvětlen oblak, není jeho barva už bílá (tak jako za poledne), ale oranžová nebo dokonce načervenalá. Relativně velké kapičky vody v oblaku totiž odrážejí světlo neselektivně - všechny vlnové délky se odrážejí s přibližně stejnou intenzitou.

“Logické…” pomyslíte si jistě na tomto místě. Proč má ale marsovské nebe přesně opačnou barvu? Nefungují snad na Marsu fyzikální zákony?

Exotika marsovského nebe - modrý západ Slunce

Proč je na Marsu barva nebe opačná? Proč je na Marsu běžné polední nebe naoranžovělé a západ Slunce se dá pozorovat v modré barvě? Vždyť marsovská atmosféra by měla rozptylovat sluneční paprsky podobně, jako ta pozemská.

I tady je na vině - fyzika. Na Marsu samozřejmě fungují stejné fyzikální zákony jako na Zemi.  Ale za rozptyl světla v jeho atmosféře může jiný jev.

Atmosféra Marsu je velice řídká. (Skládá se mimochodem převážně z molekul CO2 a dusíku - vody nebo kyslíku je v ní jen minimum.) Rayleighovým jevem tedy marsovská atmosféra moc světla nerozptýlí.

Zato se tu uplatní jiný jev - tzv. Mieův rozptyl, který funguje nejlépe u částic, které mají velikost srovnatelnou s vlnovou délkou světla. Je daleko komplikovanější. Zjednodušeně řečeno - má zhruba opačné účinky než ten, který pozorujeme na Zemi. Lépe se díky němu rozptylují vlnové délky blízké červenému konci spektra.

Odkud se berou částice, které umožňují mieův rozptyl?

Na Marsu se na rozdíl od Země v atmosféře nachází značné množství velice jemného prachu. Je to důsledek extrémního sucha, které na planetě panuje (viz výše zmíněný nedostatek vody).

V pozemské atmosféře na jemném prachu kondenzují kapičky vody, které pak tvoří oblaka. Prach pak z atmosféry doslova vyprší. V atmosféře Marsu to není možné, a tak se v ní prachu udrží daleko déle než na Zemi. Napomáhá tomu také nižší gravitace naší sousední planety.

Právě tyto jemné částice jsou zodpovědné za odlišné barvy marsovského nebe.

Světelný paprsek, který dopadá na Mars v poledne, musí (podobně jako je tomu na Zemi) v atmosféře urazit jen relativně krátkou dráhu. Přitom se částečně rozptýlí načervenalá část světla. To má za následek, že při pohledu z Marsu vypadá nebe načervenale.

Při západu Slunce musí sluneční paprsek proletět marsovskou atmosférou po daleko delší dráze. Rozptyl je znatelnější, takže ve spektru slunečních paprsků zůstanou jen ty vlnové délky, které jsou blíže modrému konci viditelného spektra. Západ Slunce tedy barví marsovské nebe modře.