Ziemia - niebieska czy zielona kropka w bezmiarze kosmosu?

Kolor jest bardzo ważną cechą, która pozwala określać własności obiektów w kosmosie. Choć jego bezmiar wydaje się pozbawiony barw, kosmos skąpany jest w promieniowaniu elektromagnetycznym o różnych długościach fal. Gdyby nasz wzrok był zdolny każdej fali przypisać oddzielną barwę, wszechświat mieniłby się nieskończoną liczbą kolorów. Lecz nawet bez takiej zdolności potrafimy oglądać go w świetle widzialnym jako przestrzeń wypełnioną barwnymi tworami. Gwiazdy świecą różnymi barwami zależnie od masy i stopnia zaawansowania ewolucyjnego, przestrzeń wypełniona jest chmurami materii, zwłaszcza wodoru, która pobudzona do świecenia w różnych procesach fizycznych nabiera kolorów.

Ludzki mózg na przestrzeni milionów lat ewolucji nauczył się interpretować kolory w konkretny sposób - połączenie wszystkich widzialnych barw światła daje nam biel. Słońce wydaje się nam białe, choć maksimum jego promieniowania przypada na zieloną część widzialnego widma. Biel Księżyca to wynik silnego odbijania światła słonecznego, gdy w rzeczywistości jest on ciemnoszarym i brunatnym ciałem niebieskim. Podobnie jest z Merkurym. Tym długościom fal elektromagnetycznych, których nie dostrzegamy, astronomowie przyporządkowują z kolei znane nam kolory, bo pokazać różnorodność kosmosu. Najczęściej dotyczy to ultrafioletu lub podczerwieni. Gdyby obca cywilizacja dziś skierowała swoje superteleskopy w kierunku Ziemi, jej kolory podpowiedziałyby im, co dzieje się na jej powierzchni, a nawet, czy jest tu życie.

Jasny Księżyc dla nieuzbrojonego oka wydaje się praktycznie biały z ciemnymi plamami. Jednak jego prawdziwa kolorystyka jest inna, taka jak na zdjęciu z sondy Lunar Reconnaissance Orbiter. (fot: NASA)

Superteleskopy, o kilkudziesięciometrowej średnicy zwierciadła, powstaja też na Ziemi. Pierwsze z nich, ELT (Extremely Large Telescope) oraz GMT (Giant Magellan Telescope), rozpoczną pracę już za kilka lat. Zrozumienie tego jakie zjawiska wpływają na postrzegany z daleka wygląd naszej planety, jest kluczowe dla astronomów, którzy w przyszłości z pomoca tych teleskopów uzyskają pierwsze kolorowe zdjęcia powierzchni planet pozasłonecznych.

Kolory planet w Układzie Słonecznym

Mars zwany jest Czerwoną Planetą ze względu na dużą zawartość żelaza w związkach tworzących jego powierzchnię, które utlenia się i przybiera czerwonawą barwę dla odległego obserwatora (powierzchnię Marsa widzianą z bliska można opisać kolorem toffi). Również pył, który łatwo wznosi się w marsjańskiej atmosferze, nadaje jej czerwonawy odcień. Kolory innych planet w Układzie Słonecznym trudniej określić, nawet jeśli widzimy je gołym okiem. Jowisz i Saturn, a nawet Wenus, widziane gołym okiem na niebie są tylko jasnymi punktami. Dopiero przez lunetę dostrzeżemy barwne szczegóły ich powierzchni, a w przypadku Urana i Neptuna - niebieskawe zabarwienie gazowej atmosfery.

A jak wygląda Ziemia z daleka? Z dużej odległości widzieli ją na własne oczy tylko astronauci misji Apollo. Podróżując na niską orbitę Ziemi, na stacje kosmiczne, widać tylko jej część. Jednak niezależnie od tego, jak dużą część Ziemi widzimy, opisujemy ją jako obiekt o dominującej niebieskiej barwie. Skąd ten kolor, czy zawsze tak było i będzie?

Pale Blue Dot, czyli błękitna Ziemia widziana z dalekiego kosmosu

14 lutego 1990 r., prawie dokładnie 35 lat temu, w tym samym roku, gdy na orbitę trafił teleskop Hubble’a, opuszczająca wewnętrzną część Układu Słonecznego sonda Voyager 1 skierowała swoją kamerę w stronę Słońca. Tak powstała jedna z najbardziej ikonicznych fotografii wykonanych z dalekiego kosmosu - widać na niej skąpaną w świetle słonecznym bladoniebieską kropkę. To nasza Ziemia z odległości 6 miliardów kilometrów. W takiej średnio odległości obiega Słońce karłowata planeta Pluton. Ten kolor, zainspirował kilka lat później Carla Sagana - astronoma i popularyzatora nauki, do określenia Ziemi w bezmiarze kosmosu jako Pale Blue Dot, czyli Bladoniebieskiej Kropki.

Ten malutki niebieski punkcik na niebie to Ziemia widziana przez Voyagera 1 z odległości 6 miliardów km.

W czasach przed erą lotów kosmicznych ludzie przedstawiali Ziemię w różnych kolorach. W oczywisty sposób dominowały tu barwy, które postrzegamy naszymi zmysłami, odcienie brązu i zieleni związanej z wegetacją i błękitu dla nieba. Po takie kolory najczęściej sięgają też dzieci, które rysują nasz świat. W erze odkryć geograficznych, począwszy od XV w., ludzie zaczęli rozumieć, że większość Ziemi zajmują nie lądy, a masy wodne. Dziś wiemy, że oceany stanowią aż 71 proc. jej powierzchni i to ich kolor, a nie powierzchni lądu, jest dominujący. Kiedyś, gdy kontynenty były zwarte i mniejsze, kolor Ziemi związany z oceanami był jeszcze bardziej nasycony. Kwintesencją tego przekonania jest fotografia zwana Blue Marble, wykonana 7 grudnia 1972 r. przez załogę misji Apollo 17. Była ona powtarzana, przez bezzałogowe już pojazdy, wielokrotnie w kolejnych latach.

Blue Marble, po lewej oryginalna wersja z 1972 r., po prawej wersja wykonana na podstawie mozaiki zdjęć satelitarnych z 2001 r. (fot: NASA)

Stwierdzenie, że dominujący kolor Ziemi widzianej z daleka jest niebieskim, wydaje się być oczywistym. Nauka pokazuje jednak nie tylko jakie mechanizmy o tym decydują, ale wskazuje, że przez większość czasu, gdy Ziemia istniała, jej dominująca barwą była zieleń. I - co ciekawe - ponownie nabiera ona takiego odcienia. Paradoksalnie nie ze względu na naszą troskę o planetę, gdyż zieleń to synonim natury i ekologii, a to, jak silnie ją eksploatujemy.

Niebieska lub zielona Ziemia. Jak to działa?

Barwa nieba, przełamana przez biel spowijającej Ziemię powłoki chmur, to pierwszy z czynników, które decydują o tym jaki kolor ma Ziemia widziana z daleka. Dominujący za dnia błękit jest wynikiem tzw. rozpraszania Rayleigha w atmosferze, które faworyzuje niebieski składnik światła słonecznego. Czerwień i inne barwy widzialne pojawiają się przede wszystkim o zachodzie, gdy Słońce jest nisko nad horyzontem. I to tylko na niewielkiej przestrzeni - w pasie oddzielającym oświetloną i nieoświetloną część Ziemi. Drugim czynnikiem, o kluczowym wpływie, jest postrzegany kolor oceanów widzianych z góry, bo tak też widzi je odległy obserwator. Ich niebieski kolor nie jest jednak konsekwencją barwy samej wody (w naturze ma ona lekko cyjanowy odcień), a tego jaki kolor światła najsilniej pochłania, a jaki odbija. Światło czerwone, czyli o długiej fali, absorbowane jest przez wodę najsilniej, a niebieskie nasłabiej.

Ten fakt może się nie zgadzać z naszym doświadczeniem z podróży wakacyjnych, gdy spędzając czas nad morzem czy jeziorem widzimy różnokolorową taflę wody. Dla obserwatora na brzegu kolory mogą być konsekwencją odbicia nieba w wodzie. Z kolei bardzo ciemnym wyda nam się głębokie jezioro czy morze, gdy patrzymy się na niego prosto z góry. W wodzie żyje wiele mikroorganizmów, których aktywność wpływa na kolor wody. W ciepłym Morzu Śródziemnym jest dużo fitoplanktonu, który zawiera zielonkawy chlorofil. Sprawia to, że woda nabiera niebiesko-zielonego odcienia, zwłaszcza blisko brzegu, gdzie nie jest głęboko. Nawet Bałtyk, choć nie jest ciepłym morzem, pozbawiony jest całkowicie niebieskiej barwy. Jednak oceany, które skupiają 97 proc. wody na powierzchni Ziemi, z dala od brzegu są niebieskie. Ale nie zawsze tak było.

Morze Egejskie, część Morza Śródziemnego, w słoneczny dzień. (fot: Karol Żebruń)

Od około 3 miliardów lat temu, gdy na Ziemi rozpowszechniło się zjawisko fotosyntezy, do około 600 milionów lat temu, gdy na ląd wkroczyły pierwsze złożone organizmy, zieloność oceanów - a przez to postrzegany przez potencjalnego odległego obserwatora kolor planety - była zjawiskiem globalnym. W oceanach znajdowało się dużo wodorotlenku żelaza (źródłem żelaza była erozja na powierzchni jałowego lądu), który pochłania niebieskie światło. Gdy dodać do tego silne pochłanianie barwy czerwonej przez wodę, mamy wyjaśnienie zielonej barwy w dawnej epoce ewolucji Ziemi.

A skąd wziął się obecny kolor niebieski? Miliardy lat temu w oceanach było bardzo dużo sinic. W swoich procesach życiowych wykorzystują one nie tylko zielonkawy chlorofil, jak obecne rośliny, ale i fikobiliny absorbujące silnie światło czerwone. Japońscy naukowcy z Uniwersytetu w Nagoi wymodelowali, jak wyglądało widmo światła słonecznego penetrującego wody oceaniczne w zamierzchłej przeszłości. Dominowało wtedy światło zielone, co doskonale tłumaczy intensywny ówczesny rozwój sinic. Sinice przyczyniły się do wzrostu obfitości tlenu w atmosferze Ziemi, który reagował z żelazem w wodzie. To doprowadziło do zmniejszenia jego ilości w oceanach, a w efekcie zmiany ich dominującej barwy na bardziej niebieską.

Tlen w atmosferze pozwolił uformować się warstwie ozonowej, która zablokowała dostęp światła ultrafiolegowego do powierzchni Ziemi (wcześniej rolę blokującą spełniał tlenek żelaza w oceanach). W oceanach pojawiły się algi, które lepiej radziły sobie w waruchach obfitości tlenu niż sinice, a na ląd wkroczyły rośliny.

Przyszłość Ziemi może mieć zieloną barwę, ale to nie tak, jak myślicie

Rok 2025 jest kolejnym, gdy notujemy rekordowe globalne temperatury, pomimo rekordowo ciepłego całego 2024 r. Konsekwencje zmian klimatycznych dla Ziemi to zjawisko złożone, jednak w ogólności oznacza ono obecnie również ocieplenie oceanów. Wyższe temperatury sprzyjają intensywnemu rozwojowi fitoplanktonu tuż pod powierzchnią wody. Ten prawdopodobnie wpływa w znaczący sposób na postrzegany globalnie kolor planety. Staje się ona zieleńsza, jednak odpowiada za to inny proces niż setki i miliardy lat temu.

W 2023 r. badania przeprowadzone przez naukowców MIT, NASA i brytyjskiego Narodowego Centrum Oceanografii, wskazały, że już ponad 56 proc. powierzchni wodnej Ziemi w ciągu ostatnich dwóch dekad uległo zazielenieniu. I tak, choć wcale niecelowo, nadmiernie eksploatując zasoby naturalne naszej planety, ignorując mechanizmy regulujące jej budżet energetyczny, możemy w niedalekiej przyszłości uczynić Ziemię bardziej zielonkawą niż błękitną kropką. Ciekawe jak hipotetyczna obca cywiliacja, obserwująca z daleka Ziemię, zinterpretowałaby tę zmianę? W takim poszukiwaniu odpowiedzi, choć często dysponujemy bardzo skąpą liczbą danych, tkwi piekno nauki.