Планета Марс (рис. 1) в среднем один раз в 2 года и 50 дней находится почти против Солнца по отношению к Земле. Такое положение Марса называется противостоянием.
Но так как путь (орбита) и Земли и Марса вокруг Солнца несколько вытянуты (в виде эллипсов), то расстояние между Землей и Марсом во время его противостояний меняется в довольно широких пределах. Один раз в 15 или 17 лет, во время великого противостояния, расстояние между Марсом и Землею уменьшается до 56 миллионов километров. Наоборот, при наименее благоприятном противостоянии, наступающем приблизительно через 8 с половиной лет, расстояние между ними равно 99 миллионам километров. На схеме представлена орбита Земли и орбита Марса с указанием его противостояний в период с 1939 по 1956 год.
Великое противостояние бывает тогда, когда Марс пересекает линию, на которой написано «перигелий», что значит ближайшее расстояние от Солнца. В последние десятилетия ближайшее к перигелию противостояние Марса было в 1939 году, а следующее должно произойти в 1956 году.
Естественно, что во время великих противостояний Марса астрономы могут с наибольшим успехом изучать его природу.
В 1909 году, когда было одно из великих противостояний Марса, я работал в знаменитой Пулковской обсерватории, изучая главным образом оптические свойства межзвездного пространства. Однако такое сравнительно редкое астрономическое явление, как великое противостояние Марса, вызвало у меня непреодолимое желание сфотографировать планету при помощи громадного Пулковского рефрактора, объектив которого имел 75 сантиметров в диаметре и фокальную длину в 14 метров. Несмотря на это, он давал диаметр Марса на фотопластинке всего в 1,5 миллиметра.
В то время астрофизик Пулковской обсерватории А. А. Белопольский производил этим рефрактором свои знаменитые исследования движения звезд в направлении луча зрения. В ответ на мою просьбу он уступил мне рефрактор для наблюдения Марса.
В наблюдениях мне помогал студент Петербургского университета Н. Н. Калитин, ставший впоследствии выдающимся исследователем солнечного излучения.
Своей целью я поставил изучение физических свойств Марса и, в частности, возможности существования на нем растительности.
Для меня было ясно — начинать надо с исследования окраски разных мест планеты. Этого можно было достигнуть при помощи фотографирования ее в лучах разного цвета.
Вместе с Н. Н. Калитиным мы приступили к изготовлению светофильтров, окрашивая желатин на стекле анилиновыми красками. В основном это были светофильтры тёмнокрасный, светлокрасный, желтый и зеленый. В то время еще не было в продаже фотопластинок, чувствительных к лучам света, проходящим через такие светофильтры, но были уже порошки, спирто-водный раствор которых делал обычные фотопластинки чувствительными к этим лучам. Мы сами сделали деревянную фотокамеру, надевающуюся на рефрактор.
Наблюдения производились в августе. Мы вылавливали Марс через малейший просвет в облаках, через всякое просветление в тумане, который довольно часто закрывал небо.
Интересно, что наиболее спокойные изображения Марса бывали в туманные ночи. Это и понятно: туман образуется преимущественно при спокойной, безветреной погоде.
Каждая выдержка Марса продолжалась всего несколько секунд. Нам удалось получить около тысячи изображений. Некоторые из них были весьма хорошими и позволили сделать ряд совершенно новых выводов.
Так, оказалось, что полярная шапка под конец таяния приобрела зеленоватый цвет, вполне сравнимый с цветом земного льда, а знаменитые каналы Марса имеют такой же цвет, как «моря» Марса, которые считаются участками растительных покровов. Далее было найдено сходство оптических свойств атмосферы Марса с оптическими свойствами земной атмосферы.
Исследуя вопрос о возможности растительного мира на Марсе, мы, можно сказать, спустились с Марса на Землю для изучения оптических свойств земной растительности, чтобы потом снова перенестись на Марс и сказать, к какому виду зеленых растений подходит более всего растительный покров того или иного участка «морей» Марса.
Нас, в частности, интересовал участок солнечного спектра в красных лучах, который сильно поглощается зеленым веществом растения — хлорофиллом. Хлорофилл имеет огромное значение в жизни растений. С его помощью они образуют из углекислого газа, поглощаемого из воздуха, и воды первые органические вещества (сахар, крахмал, клетчатку), а освободившийся при этом кислород выделяют в атмосферу.
Благодаря этому воздух на Земле содержит кислород, нужный для дыхания животных и самих растений.
Я пытался открыть на Марсе поглощение хлорофиллом падающих на растение красных лучей, но положительных результатов не получил.
Все эти исследования можно считать началом новой науки.
В 1918 и в 1920 годах были очередные противостояния Марса, не столь благоприятные, как в 1909 году, но все же довольно удобные для наблюдения в Пулкове. Я решил вновь исследовать Марс, воспользовавшись 15-дюймовым рефрактором, объектив которого отшлифован также к лучам красным, желтым и зеленым. При наблюдениях применялись светофильтры — красный, желтый, зеленый, голубой — и спектроскоп, с помощью которого мы изучали поглощение разных лучей спектра теми зонами Марса, где предполагается существование растительности.
Для понимания этого рассмотрим спектр Солнца и спектр зеленого растения (рис. 2), который получается при отражении солнечных лучей от зеленой листвы растений.
Числа здесь указывают в стотысячных долях миллиметра длину волны тех участков, которые отмечены белыми черточками. Латинские буквы над черными линиями соответствуют темным линиям в солнечном спектре. Заметим, что линии «А» и «В» получаются от поглощения света Солнца кислородом земной атмосферы, а линия «а» — от поглощения водяными парами земной атмосферы. Из сравнения спектра Солнца со спектром зеленого растения ясно, что у растения видны три темные полосы — первая между длинами волны 70 и 65, вторая — между 65 и 60 и третья — за 60. Кроме того, заметно значительное ослабление голубых лучей. Из полос в красных лучах темнее всего та, которая лежит между 70 и 65. Она носит название «главная полоса поглощения хлорофилла». Вот эту полосу я и пытался обнаружить на Марсе в 1918 и в 1920 годах, но так и не нашел. Многочисленные поиски ее другими наблюдателями также дали отрицательный результат. Загадка эта оставалась не решенной в течение ряда лет.
Теперь обратимся к двум фотоснимкам (фото 1 и 2). На них изображены тянь-шанские ели, снятые на первом снимке в синих лучах, на втором — в инфракрасных. Второй напоминает как бы зимний снимок после сильного снегопада. Все это позволило заключить, что земные растения очень сильно отражают или рассеивают инфракрасные лучи.
Между тем на Марсе подобного явления нет. Экспедиция Ленинградского университета, возглавлявшаяся профессором В. В. Шароновым, установила на Ташкентской астрономической обсерватории в 1939 году, что в инфракрасных лучах «моря» Марса выходят, наоборот, особенно темными.
Все эти факты, а также то, что на Марсе очень суровый климат, мало воды, кислорода и в атмосфере нет озона, поглощающего гибельные для жизни коротковолновые лучи, дали повод для высказываний против существования растительности на Марсе.
Эти мысли находили себе опору и в том, что марсианские растительные покровы, в отличие от земных, имеют не зеленый, а голубой, синий и даже фиолетовый цвет.
Посмотрим, как наука опровергла эти возражения.
В 1945 году в Алма-Ате, во время лекции на тему о возможности жизни на других планетах, я, как обычно, указал, что одним из главных возражений против существования растительности на Марсе является отсутствие отражения инфракрасных лучей его растительными покровами. После лекции агрометеоролог А. П. Кутырева спросила меня: «Не является ли такая особенность следствием сурового климата Марса, так как инфракрасные лучи несут почти половину солнечного тепла и марсианские растения должны поглощать эти лучи для согревания?» Ответив, что это вполне вероятно, я на следующий же день решил заняться сравнением отражения инфракрасных лучей лиственными и хвойными растениями. Если у последних отражение окажется значительно меньше, чем у лиственных, то мысль А. П. Кутыревой верна.
Для проверки я воспользовался материалами, тогда еще рукописными, моего ученика, ныне лауреата Сталинской премии Е. Л. Кринова, который изучал в течение нескольких лет отражательную способность всевозможных земных растений в разных лучах спектра. Были взяты две пары растений: первая — зеленый овес и полярный можжевельник, вторая — береза и ель. Оказалось, что отражение инфракрасных лучей у хвойных растений — ели и можжевельника — в 3 раза меньше, чем у сфотографированных одновременно с ними березы и зеленого овса.
Таким образом было выяснено, что летнезеленым растениям инфракрасные лучи не нужны, поэтому они отражаются. Полярному можжевельнику, живущему в суровом климате, и ели, не теряющей своей зелени и зимою, инфракрасные лучи необходимы для согревания, а потому они отражаются слабо.
Работы Кринова указали, что зимой хвойные деревья отражают инфракрасные лучи почти вдвое слабее, чем летом. Наши наблюдения подтвердили это явление.
Приведенные исследования явились новым вкладом в молодую науку.
Наши исследования шли сначала в институте астрономии и физики Казахского филиала Академии наук СССР. Однако работа развивалась так бурно, что вскоре понадобилось учреждение при Президиуме Академии наук Казахской республики специального сектора астроботаники, который открылся 11 ноября 1947 года.
Еще в 1946 году мы получили большое число спектрограмм растений и их цветов. Обработка спектрограмм привела к неожиданным результатам. Оказалось, что некоторые цветы дают в инфракрасных лучах яркость больше единицы, то-есть отражают света значительно больше, чем наиболее ярко отражающие свет белые порошки — магнезия и барит.
Если мы примем яркость магнезии и барита в инфракрасных лучах за единицу, то получим следующие значения ее для некоторых цветов: герань (журавельник) на высоте 3 000 метров — 1,6, пион на высоте 1350 метров — также 1,6, желтая фиалка — 1,25.
Откуда же могла появиться добавочная яркость? Если даже считать, что цветы отражают солнечный свет так же сильно, как магнезия или барит, то все же остается избыток яркости от 0,25 до 0,6. Не оставалось ничего другого, как допустить, что под влиянием солнечного облучения цветы излучают инфракрасные лучи.
К этому явлению мы еще вернемся в дальнейшем, а теперь перейдем к оптическим свойствам марсианской растительности, отличающим ее от растительности земной. Выше мы уже говорили, что многочисленные поиски главной полосы поглощения хлорофилла на Марсе дали отрицательный результат. В чем же дело? Действительно ли на Марсе нет хлорофильной растительности, или полоса поглощения хлорофилла отсутствует по другой причине?
Обдумывая этот вопрос, я еще в 1946 году писал в «Вестнике Академии наук Казахской ССР», что причиной может быть опять-таки суровый климат Марса. В самом деле, если в мягком климате низких и умеренных широт Земли растениям достаточно поглощать солнечные лучи в нескольких сравнительно узких участках спектра, то в суровом марсианском климате этого недостаточно. Растения должны поглощать всю длинноволновую часть солнечного спектра, несущую еще около одной трети солнечного тепла. Длинноволновые полосы поглощения хлорофилла от этого расширятся и сольются. Отчетливость их теряется. Однако этот теоретический вывод надо было проверить наблюдениями.
Известно, что марсианские растительные покровы имеют в период расцвета не зеленый, а голубой, синий и даже фиолетовый цвет. Обратив внимание на голубую канадскую ель, растущую во дворе одного из алма-атинских домов, мы сняли ее спектр и увидели — полоса хлорофилла отсутствует. А между тем обыкновенная сосна в алма-атинском университетском ботаническом саду дала очень отчетливую и довольно узкую полосу. Оказалось, что канадская ель и в Алма-Ате сохранила свои оптические свойства, вынесенные из суровой Канады.
Снимая спектр тянь-шанской ели в ущелье Медео, близ Алма-Аты, мы нашли другое не менее интересное явление. При температуре воздуха + 2° полоса хлорофилла видна очень отчетливо, а на снимке, сделанном через две недели при температуре — 6°, полоса хлорофилла не видна. Здесь, в противоположность свойствам канадской ели, растение очень быстро приспособилось к температуре воздуха.
В 1948 году сектор астроботаники отправил экспедицию к устью Оби, в район Салехарда. Там были получены спектрограммы многих растений. У некоторых из них — карликовой березы, кладонии, мытника, цетрарии и других — спектр, снятый в июле, то-есть в самое теплое время года, не дал сколько-нибудь заметной главной полосы поглощения хлорофилла.
Так мы нашли простое и естественное объяснение отсутствия полосы поглощения хлорофилла у марсианской растительности.
Теперь стало ясно, почему растительность на Марсе имеет голубой, синий и даже фиолетовый цвет. Если в спектре растения ослаблены красные, оранжевые, желтые и зеленые лучи, то лучи голубые, синие и фиолетовые приобретают большее значение. Значит, в суровом климате растения вместо зеленого могут иметь голубой, синий и даже фиолетовый цвет. Этот вывод полностью подтверждается наблюдениями А. П. Кутыревой на Памире в 1950 и в 1951 годах. А. П. Кутырева установила, что уже перед подъемом на Алайский хребет в речных долинах большие пространства пойменных лугов, а также высоких и сухих мест речной долины имеют коричневато-лиловый или же сплошь синевато-лиловый оттенок. Это невольно вызывает сравнение с окраской тех частей поверхности Марса, где возможно предположить наличие растительности.
Окраска колосков некоторых видов мятликов, бескильницы, разных осок и злаков в субальпийском и альпийском поясе Памиро-Алая преимущественно темная, коричневато-лиловая. Естественно, что луг, покрытый выколосившимися травами этого вида, приобретает коричневато-лиловый фон.
Более сухие места долины покрыты другими видами злаков, преимущественно диким туркестанским ячменем, типчаком, карабашем или Черноголовкой, колоски которых имеют уже синевато-лиловую или почти фиолетовую окраску с голубовато-матовым налетом. Естественно, что обширные пространства речных долин, где преобладают эти разновидности злаков, приобретают общий синевато-лиловый фон. Сухие южные склоны долин покрыты зарослями низкорослой полыни, различными лапчатками и некоторыми другими растениями. Большая их часть имеет густое войлочное опушение, которое придает голубовато-белую окраску зелени этих видов. На общем фоне при значительной густоте покрова такие склоны принимают нежный голубоватый оттенок.
Особенно большое впечатление производит Алайская долина, лежащая на высоте около 3 500 — 3 600 метров над уровнем океана. Климат здесь довольно суровый. Иногда даже в летнее время долина покрыта растениями, имеющими густое войлочное опушение покровных тканей. Тогда голубоватые просторы долины напоминают большое озеро, среди которого разбросаны отдельные яркозеленые островки.
Колоски злаков в Алайской долине имеют в большинстве своем темную фиолетово-коричневую окраску.
У злаков Восточного Памира преобладает зеленая окраска листьев, но зато колоски у 3/4 видов имеют или темную синевато-лиловую, или коричневую окраску. Особенно темный синевато-фиолетовый цвет с голубоватым матовым налетом имеют колоски Черноголовки.
Даже многие из культурных растений, выращиваемых на Восточном Памире, приобретают лилово-фиолетовую окраску или колосковых чешуек, или хотя бы кончиков остей, что придает общий синевато-лиловый или коричневатый оттенок травостою. Вполне естественно, что в первую очередь растения приобретают защитную окраску на тех частях, которые оберегают нежные, только что формирующиеся плодики или семена.
Л. П. Кутырева изучала на Памире отражение растениями разных участков солнечного спектра. По отношению к красным и инфракрасным лучам найдено, что больше всего отражают их культурные растения южного происхождения, впервые выращиваемые на Памире (среднеазиатский ячмень «алдащман» и другие). Они, по всей вероятности, сохранили в значительной степени принесенные извне наследственные признаки. Колоски Черноголовки, имеющие наиболее темную синевато-голубоватую окраску, дают абсолютный минимум отражения в красных и инфракрасных лучах. Промежуточные величины наблюдаются у коричнево-лиловых колосков бескильницы.
Так, изучая причины отсутствия у марсианской растительности зеленой окраски и главной полосы поглощения хлорофилла, открыли оптическую приспособляемость земных растений к суровым условиям жизни.
Факт этот напоминает интересный случай с открытием газа гелия: он был сначала обнаружен на Солнце, от которого и получил свое название (гелий — греческое название Солнца), и лишь через 30 лет после этого на Земле.