Różowa wstęga nad wschodnim horyzontem to nie cień Ziemi. Cień jest tym szarym pasem pod nią — i właśnie patrzymy, jak rośnie.
Dla większości z nas po zachodzie „robi się ciemno" i to jest cały opis. Tymczasem żeglarze, astronomowie i wojskowi od stuleci używają trzech osobnych progów, bo każdy z nich oznacza coś zupełnie innego w praktyce. Progi wyznacza jedna liczba: jak głęboko pod horyzontem jest w danej chwili Słońce.
Zmierzch cywilny trwa, dopóki Słońce nie zejdzie sześć stopni pod horyzont. Przez ten czas widać jeszcze bez sztucznego światła — da się czytać, jechać rowerem, rozpoznać twarz. Kończy się mniej więcej wtedy, gdy zapalają się latarnie.
Zmierzch żeglarski ciągnie się do dwunastu stopni. Nazwa nie jest przypadkowa: to okres, w którym jednocześnie widać już jasne gwiazdy i jeszcze linię horyzontu — a dokładnie te dwie rzeczy naraz są potrzebne, żeby zmierzyć sekstantem wysokość gwiazdy nad horyzontem. Cała nawigacja astronomiczna mieści się w tym oknie.
Zmierzch astronomiczny kończy się na osiemnastu stopniach. Dopiero wtedy niebo jest naprawdę czarne i widać najsłabsze obiekty. Warto zauważyć, że w Polsce w czerwcu ten moment w ogóle nie nadchodzi — Słońce nie schodzi dostatecznie głęboko, więc mamy tak zwane białe noce i przez kilka tygodni po prostu nie da się obserwować słabych mgławic.
Błękitna godzina to ten moment po zachodzie, kiedy niebo nabiera głębokiego, nasyconego granatu — koloru, którego nie widać o żadnej innej porze doby. Fotografowie miasta polują na nią, bo jest jedyną chwilą, gdy jasność nieba i jasność świateł w oknach są porównywalne.
Naturalne wyjaśnienie brzmi: to po prostu resztka rozpraszania Rayleigha, słabnący błękit z Rozdziału 5. Brzmi rozsądnie i pojawia się nawet w porządnych źródłach popularnonaukowych. Jest jednak w większości błędne.
Błękitna godzina to po prostu ostatnie resztki rozpraszania na cząsteczkach powietrza.
Główną przyczyną jest pochłanianie przez ozon. Ozon ma szerokie, słabe pasmo pochłaniania, czyli zakres barw, które zjada, obejmujące żółć, pomarańcz i czerwień, najsilniejsze przy około 600 nm — nazywa się pasmem Chappuis. Gdy Słońce jest pod horyzontem, światło docierające do nas przebywa bardzo długą drogę przez warstwę ozonową w stratosferze i traci tam ciepłe barwy. Zostaje błękit.
Oba wyjaśnienia dają ten sam kolor, więc pomyłka nie boli praktycznie. Ale prowadzi w złą stronę: gdyby chodziło o zwykłe rozpraszanie, kolor powinien blednąc razem z jasnością. Tymczasem granat błękitnej godziny jest bardziej nasycony niż niebo w dzień, nie mniej.
To ładny przykład czegoś, o czym była mowa w Rozdziale 5: to samo zjawisko może mieć kilka przyczyn i wybranie tej najbardziej oczywistej nie zawsze wystarcza. Ozon, który kojarzymy głównie z tarczą przeciw ultrafioletowi, okazuje się przy okazji odpowiadać za jeden z ładniejszych kolorów, jakie można zobaczyć nad polskim miastem.
Pasmo Chappuis spotkaliśmy już w Rozdziale 3, przy pytaniu, z czego cząstka jest zrobiona. Dlaczego ozon zjada coś ze światła widzialnego, a zwykły tlen nie? Tlen to dwa atomy związane mocno i symetrycznie, więc jego elektrony dają się rozkołysać w rezonansie, czyli w swoim ulubionym tempie, dopiero przez daleki ultrafiolet. Ozon to trzy atomy tlenu zgięte w literę V, związane słabiej — i jego rezonanse zeszły bliżej światła: silne w bliskim ultrafiolecie, a jeden słaby aż w środku widma. Ta sama pierwiastkowa materia, inna budowa, inny kolor.
↓ Dodatek F — geometria zmierzchu, cień Ziemi i pasmo ChappuisTeraz najlepsza rzecz w tym rozdziale, i taka, którą można zobaczyć praktycznie codziennie, jeśli tylko się wie, gdzie patrzeć. Przy zachodzie odwróćmy się plecami do Słońca i spójrzmy na wschodni horyzont.
Zobaczymy tam dwie poziome wstęgi jedna nad drugą. Na dole, tuż nad linią horyzontu, ciemny szarosiny pas o wyraźnej górnej krawędzi. Nad nim, wyraźnie oddzielony, pas różowy albo brzoskwiniowy, przechodzący wyżej w zwykły błękit.
To są dwie zupełnie różne rzeczy i większość ludzi — łącznie z wieloma podpisami pod zdjęciami — nazywa je wspólnie „cieniem Ziemi". Rozdzielmy je porządnie.
Dolny, szary pas to naprawdę cień Ziemi. Dosłownie: patrzymy na własną planetę rzucającą cień na własną atmosferę. Powietrze w tym obszarze nie dostaje już bezpośredniego światła słonecznego, więc nie ma czym świecić i widzimy je ciemniejsze.
Górny, różowy pas to Pas Wenus — powietrze wciąż oświetlone, ale światłem, które przeszło przez całą grubość atmosfery po drugiej stronie planety. Czyli światłem już zaczerwienionym, dokładnie z tego samego powodu, co zachód w Rozdziale 6. Ta czerwień rozprasza się z powrotem ku nam i miesza z resztką błękitu nieba — a mieszanka czerwieni z błękitem daje róż.
Najciekawsze jest to, że można obserwować ruch. Zaraz po zachodzie cień Ziemi jest niski i wąski; w ciągu kolejnych kilkunastu minut wyraźnie rośnie, wspina się po niebie i wypycha Pas Wenus coraz wyżej, aż oba się rozmyją. Patrzymy wtedy dosłownie na to, jak noc przesuwa się po planecie — z prędkością, którą da się zmierzyć wyciągniętą ręką.
Skąd bierze się cień Ziemi — geometria od zewnątrz
To, co z ziemi wygląda jak szara wstęga nad horyzontem, z zewnątrz jest po prostu stożkiem cienia planety. Przeciągnij, żeby obejrzeć z boku.
Bursztynowe strzałki to światło słoneczne. Ciemny stożek za planetą to jej cień. Biała kropka to my — i kiedy przekraczamy krawędź terminatora, cień, w który właśnie weszliśmy, staje się dla nas widoczny nad przeciwnym horyzontem. Patrzymy wtedy wzdłuż własnego cienia.
Widać stąd też, dlaczego Pas Wenus jest zawsze nad cieniem, nigdy pod nim: różowa warstwa to powietrze na tyle wysokie, że stożek jeszcze go nie objął.
Zmierzch jest dla obserwatora najbardziej zagęszczoną częścią doby: w ciągu czterdziestu minut pojawia się na niebie więcej rzeczy niż przez całą resztę dnia i nocy. I pojawiają się w bardzo powtarzalnej kolejności, co warto znać, bo dzięki temu wiadomo, na co czekać.
Jeszcze przed zachodem — jeśli powietrze jest czyste, na wschodzie widać już zaczątek cienia Ziemi. Warto rzucić okiem, zanim zrobi się wyraźny.
Kilka minut po — pojawia się Wenus, jeśli akurat jest wieczorną gwiazdą. Bywa tak jasna, że regularnie trafia na policję jako zgłoszenie niezidentyfikowanego obiektu. Zaraz po niej Jowisz.
Dziesięć do dwudziestu minut — cień Ziemi i Pas Wenus w pełnej krasie, chmury wysokiego piętra świecą pomarańczem, zaczyna się błękitna godzina. To najbogatszy wizualnie moment całej doby.
Dwadzieścia do czterdziestu minut — przelatują satelity. Są dobrze widoczne właśnie teraz i tylko teraz: my jesteśmy już w cieniu, a one na wysokości kilkuset kilometrów wciąż w słońcu. Świecą odbitym światłem i przesuwają się miarowo, bez migania — to jest różnica wobec samolotu. Najjaśniejsza jest Międzynarodowa Stacja Kosmiczna, która potrafi przewyższyć Wenus.
Po godzinie — poza miastem widać Drogę Mleczną, a jesienią i wiosną, przy wyjątkowo czystym niebie, także światło zodiakalne: bardzo słaby, skośny stożek jasności wzdłuż ekliptyki. To światło słoneczne rozproszone na pyle międzyplanetarnym — czyli dokładnie ten sam mechanizm co w Rozdziale 3, tylko z pyłem zamiast powietrza i w skali Układu Słonecznego.
Zwróćmy uwagę na jedną wspólną cechę satelitów, Pasa Wenus i chmur świecących po zachodzie: wszystkie trzy są widoczne dlatego, że są wyżej niż my, więc dla nich Słońce jeszcze nie zaszło. Zmierzch jest w gruncie rzeczy godziną, w której wysokość zaczyna mieć znaczenie.
Raz na kilkanaście lat zdarza się w Polsce zjawisko, które łatwo przegapić, jeśli się nie wie, że istnieje: mniej więcej dwadzieścia minut po zachodzie całe zachodnie niebo zapala się głęboką, nienaturalną purpurą — kolorem, którego przy zwykłym zmierzchu po prostu nie ma.
To purpurowe światło, i jest skutkiem drobnych kropelek kwasu siarkowego zawieszonych w stratosferze po wielkiej erupcji wulkanicznej. Warstwa ta leży na wysokości dwudziestu kilku kilometrów, czyli znacznie wyżej niż pogoda, i jest oświetlana jeszcze długo po tym, jak dolna atmosfera weszła w cień. Rozproszone na niej czerwone światło miesza się z błękitem wciąż świecącej wyżej warstwy — i wychodzi purpura.
Po Pinatubo w 1991 roku widywano to w Europie przez kilkanaście miesięcy. Warto znać ten kolor, bo jest to jeden z niewielu przypadków, gdy patrząc w polskie niebo, widzimy skutek zdarzenia po drugiej stronie planety.
Kiedy jest błękitna godzina. Zaczyna się mniej więcej wtedy, gdy Słońce jest cztery stopnie pod horyzontem, i trwa do jakichś ośmiu. W Polsce oznacza to od dwudziestu minut zimą do niemal godziny w czerwcu. Praktycznie: dwadzieścia do czterdziestu minut po zachodzie — a najlepsza chwila na zdjęcie miasta wypada wtedy, gdy jasność nieba zrówna się z jasnością okien, czyli zwykle w środku tego okna.
Cień Ziemi widać znacznie częściej, niż się wydaje. Nie wymaga żadnych szczególnych warunków poza jednym: czystym wschodnim horyzontem i brakiem chmur w tamtej stronie. Wystarczy po zachodzie odwrócić się i spojrzeć nisko. Zdumiewająco wiele osób nigdy tego nie zrobiło, bo cały zmierzch spędza wpatrzone w stronę, gdzie zaszło Słońce.
Mierzenie ręką. Wyciągnięta na całą długość ramienia pięść to około dziesięć stopni, palec wskazujący około jednego, rozstawiona dłoń około dwudziestu. Można tym sprawdzić, jak szybko rośnie cień Ziemi — wychodzi mniej więcej jedna pięść na dziesięć minut. To ta sama linijka, której użyjemy przy tęczy i halo.
Wspomnieliśmy przy zachodzie, że Słońce, które widzimy nad horyzontem, fizycznie już zaszło. Następny rozdział bierze tę myśl i idzie z nią do końca: co jeszcze powietrze robi ze światłem, gdy tylko przestanie być jednorodne. Okaże się, że mamy tu spłaszczone Słońce, kałuże na suchym asfalcie, zamki widoczne nad pustym morzem i zielony błysk, którego istnienia wielu ludzi nie chce przyjąć do wiadomości.