Серебристые облака
Как в атмосфере Земли открыли серебристые облака?
История открытия Серебристых облаков весьма интересна. Их не замечали до 1885 года. Первые записи датируются серединой 17 века и отличаются крайней скудостью, бессистемностью и противоречивостью фактов. Лишь летом 1885 года это странное явление привлекло внимание сразу нескольких астрономов из разных стран Северного полушария. Честь открытия необычных облаков по результатам независимых друг от друга наблюдений разделили между собой российский ученый В.К. Цераский и немецкий – О.Йессе.
Наиболее ответственно к изучению нового для науки явления подошел отечественный астроном Витольд Карлович Цераский. Его интерес был понятен. В.К. Цераский много лет занимался измерением яркости звезд и, увидев 30 мая 1885 года яркие облачные образования, задался вопросом: а не мешают ли эти облака его измерениям? Фактически с этого вопроса началось изучение загадочного явления.
Предполагается, что причина грандиозных появлений серебристых облаков летом 1885 г. заключается в двух вулканических извержениях, произошедших практически одновременно в 1883 г. Первое закончилось катастрофой — вулкан Кракатау в Индонезийском архипелаге в конце августа взорвался, выбросив в атмосферу огромное количество водяного пара и вулканической пыли. Второе мощное извержение состоялось в октябре: проснулся вулкан Августин на Аляске, который также внес свой вклад в атмосферу в виде выброшенного водяного пара и пыли.
Благодаря глобальному переносу воздушных масс водяной пар и вулканическая пыль через полтора года поднялись высоко в атмосферу полярных широт, где под воздействием низких температур послужили «строительным материалом» для образования ледяных частиц. Именно последние и образовали необычно яркие и протяженные поля серебристых облаков, зарегистрированные многочисленными наблюдателями в Европе и России летом 1885 г. После 1885 года серебристые облака наблюдались практически каждый год.
Что мы знаем о серебристых облаках?
Серебристые облака — самые высокие облака в земной атмосфере. Они образуются в области очень холодного атмосферного слоя — мезопаузы на высотах 80–90 км в летнее время, когда температура мезопаузы понижается до своих минимальных значений, лежащих в пределах от −140° до −120°C.
Для формирования и существования ледяных частиц на высотах 80–90 км, где атмосферное давление на пять-шесть порядков меньше приземного, требуется выполнение трех условий. Во-первых, нужна очень низкая температура (те самые от −140° до −120°C). Во-вторых, необходимо достаточное количество водяного пара. В-третьих, для роста ледяных кристаллов должны присутствовать ядра конденсации, которыми служат метеорная пыль, скопления ионов с присоединенными молекулами воды и пыль земного происхождения, включая вулканический аэрозоль.
Общая схема образования ледяных частиц состоит в следующем. На ядрах конденсации начинают намерзать молекулы водяного пара, когда первые оказываются в высотном интервале 82–87 км (т. е. в зоне, где температуры уже опускаются ниже точки замерзания льда). К ледяным частицам присоединяется все больше и больше молекул воды, кристаллы растут в размере. Когда размер ледяных частиц превысит 30 нанометров, они становятся способными рассеивать достаточное количество солнечного света, чтобы быть видимыми с поверхности земли в ночное время.
Необходимо отметить важную (а возможно, и решающую) роль метана (CH4). Метан — парниковый газ, поступающий в атмосферу с земной поверхности, в том числе из-за жизнедеятельности человека, связанной с сельским хозяйством и промышленными выбросами. Молекулы метана легче молекул окружающего воздуха, поэтому они медленно диффундируют, поднимаясь вверх. Выше 30 км метан под действием космического излучения окисляется с образованием воды. В среднем одна молекула метана производит в мезосфере две молекулы воды. Отсюда следует, что метан служит там мощным дополнительным источником влажности. Возможно серебристые облака являются следствием человеческой деятельности.
Из-за того, что облака образуются высоко над земной поверхностью, ледяные частицы рассеивают свет уже зашедшего за горизонт Солнца, и серебристые облака остаются видимыми в течение всей ночи или значительной ее части, тогда как все другие типы облаков в ночное время имеют темно-серый цвет (или совсем невидны), поскольку не освещаются Солнцем.
Космонавты и астронавты часто наблюдают серебристые облака через иллюминаторы орбитальных станций. Значительное внимание серебристым облакам уделяли отечественные космонавты В. В. Коваленок, Г. М. Гречко, А. С. Иванченков, В. П. Савиных, В. Г. Титов, А. Ю. Калери, О. В. Котов, Ф. Н. Юрчихин. В течение 10–15 мин им удавалось увидеть яркие протяженные поля СО на фоне атмосферного лимба, тогда как наблюдателям с Земли для этого требовалась целая ночь.
25 апреля 2007 г. с целью изучения серебристых облаков был успешно запущен американский космический аппарат AIM (Aeronomy of Ice in the Mesosphere — ‘микрофизика льда в мезосфере’), продолжающий работать и в настоящее время. Огромное преимущество данного проекта — возможность регистрации серебристых облаков при вертикальной геометрии, т. е. наблюдение светящихся облаков в надире на фоне поверхности Земли. Серебристые облака отражают ультрафиолетовый солнечный свет и фиксируются космическим аппаратом.
Космические снимки показывают, что серебристые облака непрерывно существуют в летний период и наблюдаются круглосуточно в полярных регионах обоих полушарий выше широт 70°. Можно сказать, что над полярными регионами нашей планеты (но только в летнее время) образуется ледяной слой в атмосфере на высотах 80–85 километров. От этого слоя часто отделяются области, которые постепенно перемещаются в субполярные и средние широты благодаря ветру, имеющему летом компоненту в направлении с севера на юг, и эти области становятся видимыми наблюдателю с поверхности земли в ночное время как поля серебристых облаков.
Частота появления серебристых облаков зависит от множества факторов – в первую очередь от наличия водяного пара и соответствующей низкой температуры в мезосфере. Однако, есть еще один механизм запуска процесса образования серебристых облаков. Это так называемые атмосферные планетарные волны – отголоски динамических процессов в более низких слоях атмосферы. Эти волны, распространяясь в мезосфере, изменяют ее параметры. В частности, могут повысить, или понизить температуру. А это, в свою очередь, может спровоцировать как появление серебристых облаков, так и их исчезновение (сублимацию): известно, что серебристые облака могут наблюдаться в одной местности несколько ночей подряд, а потом может последовать перерыв в несколько ночей.
Серебристые облака привлекают к себе внимание не только красивым загадочным свечением, но и тонкой волнообразной структурой. Яркие облака практически всегда наблюдаются в виде обширных полей всевозможных волновых структур. От коротких в несколько километров длиной волн – «гребешков», до многокилометровых длинных волн - «гребней» и волнообразных изгибов.
Образование и динамика таких структур определяется распространением так называемых атмосферных гравитационных волн, которые практически всегда существуют в атмосфере: однородные бесструктурные формы серебристых облаков наблюдаются крайне редко. Практически все причудливые структуры Серебристых облаков являются в той, или иной мере отражением динамики атмосферных волн. Кроме того, на этих высотах дуют сильные ветра: перемещения воздушных масс происходит со скоростями, доходящими до 300 метров в секунду. Все вместе это создает интересную картину движения Серебристых облаков. На ускоренных видео хорошо видны перемещения как самого поля облаков в целом, так и отдельных волновых структур.
За последние 50 лет благодаря всему массиву наблюдений, составляющему десятки тысяч появлений СО, удалось выявить их устойчивые сезонно-климатические особенности. Но на фоне типичных, более или менее стандартных случаев появления серебристых облаков стали отмечаться и не укладывающиеся в привычные рамки, «аномальные» появления. Накопленный статистический материал позволил различить целый ряд характерных видов аномалий.
Сезонные аномалии. К ним относят ранние и поздние появления СО, т. е. до мая и после августа. Например, 15, 16 и 23 сентября 1968 г. в вечернее время ночные светящиеся облака в виде размытого флера и полос возникли над южным Казахстаном в районе оз. Балхаш (46,9° с. ш.). 29 декабря 1978 г. СО были замечены с самолета на маршруте Москва — Алма-Ата. 10–11 апреля 1982 г. вблизи Ленинграда на горизонте были видны яркие (до пяти баллов) серебристые облака вместе с полярным сиянием. 28 декабря 1973 г. СО в виде ярких гребешков, гребней и волн наблюдали с самолета в районе Балтийского моря. А 12 февраля 1976 г. СО были замечены в районе Томска.
Широтные аномалии. Эти аномалии определяют видимость СО вне их «традиционной» зоны появления, чаще всего в южных районах Северного полушария. Так, 9 декабря 1972 г. с борта самолета наблюдались наклонные светящиеся полосы серебристых облаков над Сирией и Ираком. 2 июля 2011 г. СО были сфотографированы с самолета над Денвером (штат Колорадо, 38° с. ш.), а 13 октября 2012 г. – над Ираном (в районе горы Салабан, 38° с. ш.). Космонавт-исследователь Савиных также отмечал во время полетов появление СО вне зоны их традиционной видимости.
Временные аномалии. В данном случае имеется в виду продолжительность видимости СО в каком-либо регионе. Отмечено, что средняя непрерывная длительность их видимости для одного пункта составляет 3,7 ночи. Вместе с тем бывали эпизоды, когда она составляла более 10 ночей. Например, в Московской обл. в 1977 г. СО наблюдались в течение 12 ночей, в 1981 г. – 13 ночей, в 1987 г. – 22 ночи подряд. В северных районах (в районе Тунгусской катастрофы, 60° с. ш.) ночные светящиеся облака наблюдались без перерыва 13 ночей в 1995 г.
Искусственные СО. Как показали расчеты и наблюдения, источником, который может обеспечить образование высотных облаков в наш космический век, стали жидкостные ракеты вторых ступеней мощных ракетоносителей, отрабатывающих на высотах 50-160 км. При каждом запуске ракетоноситель типа «Союз» выбрасывает около 11 т водяного пара. Следует отметить запуски ракет с Российского космодрома Плесецк. Практически всегда запуски в летнее время сопровождаются появлением красивых серебристых облаков, хорошо видимых не только в северных регионах европейской территории России, но и в Москве.
Зачем наблюдать серебристые облака?
Серебристые облака — тонкий атмосферный феномен и прекрасный естественный индикатор климатических изменений, возможно, происходящих в атмосфере нашей планеты. А это несомненно волнует значительное число людей. Кроме того, серебристые облака «визуализируют» те интересные и невидимые простым глазом процессы, происходящие в верхней атмосфере, позволяют ученым лучше понимать физику нашей атмосферы.
Как наблюдать серебристые облака?
Серебристые облака наблюдаются в ночное время с середины мая по середину августа в Северном полушарии и с середины ноября по середину февраля — в Южном. Появляются они примерно через час после захода Солнца в виде слабых неоднородностей в сумеречном сегменте. Далее происходит постепенное развитие облаков до максимальной яркости и появления различных морфологических форм. Далее облака могут постепенно исчезнуть, или просуществовать до рассвета и раствориться в лучах утренней зари.
Наблюдатель раз в 15 минут внимательно просматривает сумеречный сегмент. При обнаружении серебристых облаков отмечает их яркость от 1 до 5 баллов, морфологические формы – флер, полосы, гребешки, гребни, волнообразные изгибы, завихрения, наличие или отсутствие обычных тропосферных облаков. Если наблюдатель планирует своими наблюдениями принести пользу науке, то результаты следует отправлять по специальной форме сюда.