Ziemia - niebieska czy zielona kropka w bezmiarze kosmosu?

Bezmiar kosmosu może wydawać się nam pozbawiony barw. Jednakże jest on skąpany w promieniowaniu elektromagnetycznym o różnych długościach fal. Gdyby nasz wzrok był zdolny każdej fali przypisać oddzielną barwę, wszechświat mieniłby się nieskończoną liczbą barw. Lecz nawet bez takiej zdolności potrafimy oglądać go w świetle widzialnym jako przestrzeń wypełnioną kolorowymi 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.

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)

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.

Ze wszystkich planet Układu Słonecznego najtrudniej zobaczyć nam z daleka Ziemię. Z naprawdę 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 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?

Za niebieski odcień planety odpowiadają dwa mechanizmy. Pierwszy to rozpraszanie światła słonecznego w atmosferze. Tu zachodzi tzw. rozpraszanie Rayleigha, które faworyzuje światło niebieskie. To dlatego za dnia niebo widzimy głównie w odcieniach błękitu, a czerwień i inne barwy widzialne pojawiają się przede wszystkim o zachodzie. I to na niewielkiej przestrzeni - w pasie oddzielającym oświetloną i nieoświetloną część Ziemi. Ma to związek z niską wysokością Słońca nad horyzontem. Kluczowy wkład w barwę Ziemi mają jednak oceany, które widziane z góry również mają niebieską barwę. Nie jest to jednak konsekwencja koloru samej wody (w naturze ma ona lekko cyjanowy odcień), a pochłaniania światła. Woda światło czerwone, czyli o długiej fali, absorbuje najsilniej, odbijana jest przede wszystkim niebieska część widma. Ten proces jest najefektywniejszy w wodach słonych, a skoro oceany zawierają 97 proc. wody na Ziemi, mają dominujący wpływ na kolor planety, który przełamany jest dodatkowo bielą spowijającej planetę powłoki chmur.

Ten fakt może się nie zgadzać z naszym doświadczeniem z podróży wakacyjnych, gdy widzimy zbiorniki wodne w innych barwach. Dla obserwatora na brzegu kolory mogą być konsekwencją odbicia nieba w wodzie. Z kolei bardzo ciemnym wyda nam się głęboki zbiornik wodny, gdy patrzymy się na niego prosto z góry. Istotnym czynnikiem są tu też przeróżne organizmy wodne, których procesy życiowe wpływają 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. Mikroorganizmy sprawiają, że również Bałtyk, choć nie jest ciepłym morzem, pozbawiony jest całkowicie niebieskiej barwy.

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.

We wspomnianym czasie w oceanach kwitł świat sinic. Zawierają one nie tylko chlorofil, ale fikobiliny i absorbujące silnie światło o dłuższej fali, w tym czerwone. Japońscy naukowcy z Uniwersytetu w Nagoi wymodelowali, jak wyglądało widmo światła słonecznego penetrującego wody w tak zamierzchłej przeszłości, a wyniki wskazujące na dominację światła zielonego doskonale tłumaczą 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). Woda stała się przejrzysta dla światła niebieskiego, a to stopniowo doprowadziło do obecnej sytuacji. W oceanach pojawiły się algi, 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 planety to zjawisko złożone, jednak w ogólności oznacza ono obecnie również ocieplenie oceanów. Przyczynia się ono do intensywnego rozwoju 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. Nie jest to jednak przesądzone, gdyż ekosystemy wodne wciąż kryją wiele zagadek. Może okazać się, że zmiany w ich funkcjonowaniu wywołają w przyszłości jeszcze inną, niespodziewaną zmianę.