Серебряные облака что это

Серебряные облака что это

Серебристые облака – самые высокие облачные образования в земной атмосфере, возникающие на высотах 70-95 км. Их называют также полярными мезосферными облаками (polar mesospheric clouds, PMC) или ночными светящимися облаками (noctilucent clouds, NLC). Это светлые полупрозрачные облака, которые иногда видны на фоне темного неба летней ночью в средних и высоких широтах.

«Облака эти ярко блистали на ночном небе чистыми, белыми, серебристыми лучами, с лёгким голубоватым отливом, принимая в непосредственной близости от горизонта жёлтый, золотистый оттенок» – так описывает ночные светящиеся облака Витольд Карлович ЦЕРАСКИЙ, впервые наблюдавший их 12 июня 1885 года в Москве.

Серебристые облака образуются в верхних слоях атмосферы, на высотах 80-90 км и освещаются Солнцем, неглубоко опустившимся под горизонт (поэтому в Северном полушарии они наблюдаются в северной части неба, а в Южном полушарии – в южной). Для их образования необходимо сочетание трёх факторов: достаточное количество водяного пара; очень низкая температура; наличие мельчайших пылевых частиц, на которых конденсируются пары воды, превращаясь в кристаллики льда.

При формировании серебристых облаков центрами конденсации влаги, вероятно, служат частицы метеоритной пыли. Солнечный свет, рассеянный крошечными кристаллами льда, дает облакам их характерный голубовато-синий цвет. Из-за своего высотного положения серебристые облака светятся только в ночное время, рассеивая солнечный свет, который попадает на них из-под горизонта. Днем, даже на фоне чистого голубого неба эти облака не видны: очень уж они тонкие, «эфирные». Лишь глубокие сумерки и ночная тьма делают их заметными для наземного наблюдателя. Правда, с помощью аппаратуры, поднятой на большие высоты, эти облака можно регистрировать и в дневное время. Легко убедиться в поразительной прозрачности серебристых облаков: сквозь них прекрасно видны звезды.

Наблюдать серебристые облака можно лишь в летние месяцы в Северном полушарии в июне-июле, обычно с середины июня до середины июля, и лишь на географических широтах от 45 до 70 градусов, причем в большинстве случаев они чаще видны на широтах от 55 до 65 градусов. В Южном полушарии их наблюдают в конце декабря и в январе на широтах от 40 до 65 градусов. В это время года и на этих широтах Солнце даже в полночь опускается не очень глубоко под горизонт, и его скользящие лучи освещают стратосферу, где на высоте в среднем около 83 км появляются серебристые облака. Как правило, они видны невысоко над горизонтом, на высоте 3-10 градусов в северной части неба (для наблюдателей Северного полушария). При внимательном наблюдении их замечают ежегодно, но высокой яркости они достигают далеко не каждый год.

До настоящего времени в научном сообществе нет единого мнения относительно происхождения серебристых облаков. Тот факт, что это атмосферное явление не наблюдалось до 1885 г., многих учёных привел к мысли, что их появление связано с мощным катастрофическим процессом на Земле – извержением вулкана Кракатау в Индонезии 27 августа 1883 г., когда в атмосферу было выброшено около 35 млн тонн вулканической пыли и огромная масса водяного пара. Высказывались и другие гипотезы: метеорная, техногенная, гипотеза о «солнечном дожде» и т.п. Но до сих пор многие факты в этой области неполны и противоречивы, поэтому серебристые облака продолжают оставаться волнующей проблемой для многих естествоиспытателей.

Источник

Серебристые облака

История изучения

Хронология изучения феномена противоречива. Одни источники утверждают, что он был выявлен только в 1885 году, и связывают причины его возникновения с извержением вулкана под названием Кракатау. Это было значимое событие, произошедшее на Земле в 1883 году, в результате которого в атмосферу было выброшено примерно 35 миллионов тонн пыли вулкана, а также водяной пар.

Но существуют и иные мнения, в частности о том, что сияющие и яркие серебристые облака были обнаружены еще раньше – в начале 19 века. И только в 1885 году специалисты впервые о них заговорили. Считается, что феномен открыли двое ученых: российский – В.К. Цераский и немецкий – Т. Бэкхаус. При этом российский ученый сумел определить расстояние до границ удивительного явления (80 км) и очень маленькую плотность облаков.

В 2007 году в целях изучения механизма образования в мезосфере серебристых облаков НАСА запустило специальный спутник. Это был проект под названием АИМ. Спутник регистрирует основные процессы, происходящие в мезосфере Земли, и выделяет главные из них. Современные приборы позволили узнать, из каких химических элементов состоят облака. Кроме того, проводились исследования маленьких кристалликов льда, частичек космической пыли, а также газовых молекул.

Аналогичные наблюдения за данным феноменом в России в свое время велись со станций САЛЮТ и МИР.

Описание явления

В Южном и Северном полушариях Земли серебристые облака можно наблюдать, соответственно, с северной и южной стороны, причем именно тогда, когда Солнце чуть-чуть скрывается за горизонтом. Для их образования необходимы низкая температура, наличие водяного пара и пылевых частиц, на которых будет образовываться конденсат от паров воды. По гипотезе исследователей центром конденсации влаги являются частицы пыли метеоритов. А характерный цвет облакам придает солнечный свет, рассеиваемый образующимся после конденсации влаги кристалликами льда.

Такие облака можно видеть только в ночное время. В дневное время даже при условии идеального голубого неба их не видно, так как они очень тонкие. Таким образом, только в периоды глубоких сумерек люди имеют возможность насладиться удивительным атмосферным явлением. Зафиксировать его в дневное время можно лишь с использованием специальной аппаратуры, работающей в условиях недосягаемых высот.

Через серебристые облака отлично видны звезды, что дает основание говорить об их прозрачности.

По своей структуре рассматриваемые облака можно разделить на следующие виды:

Интересные факты

В Северном полушарии возможность наблюдать за феноменом имеют только специалисты из России, Канады и северной части Европы.

Интересно, но значительную лепту в изучение рассматриваемого явления внесли не специалисты, а любители, с фанатичностью наблюдающие за серебристыми облаками и пытающиеся проникнуть в самую суть явления. Они то и выявили, что диапазон высот, в котором происходит формирование облаков, может сжиматься до 85 км, после чего расширяться до 120 км. Данный факт до сих пор остается загадкой.

Наблюдать ночные светящиеся облака в Северном полушарии можно в определенные сезоны. Обычно их удивительный свет поражает воображение в летнее время в широтах от 45 до 70 градусов. Но значительно лучше они видны в широтах от 55 до 65 градусов.

В Южном полушарии наоборот их видно в зимний период в пределах широт от 40 до 65 градусов. Зимой Солнце не опускается сильно за горизонт и его лучи освещают мезосферу. На ее высоте (примерно 83 км над поверхностью Земли) и появляются облака. Обычно они видны невысоко над горизонтом, примерно на высоте до 10 градусов с северной стороны неба. Наблюдать данное явление можно ежегодно, но своей необыкновенной яркостью оно балует не так часто.

Источник

Что такое серебристые облака и как наблюдать редкое природное явление

Начало июня — лучшее время для наблюдения за серебристыми облаками. Они находятся в мезосфере, на высоте 85 км. И, да, там есть на что посмотреть. Они похожи на волны или рябь на воде, и даже сквозь самые плотные из них видны звезды. Рассказываем, что такое серебристые облака, как и где их можно увидеть.

Читайте «Хайтек» в

Что такое серебристые облака?

Серебристые облака образуются в высших слоях атмосферы — мезосфере — на высоте 80 км над поверхностью Земли. Считается, что они состоят из кристаллов льда, которые образуются на мелких частицах пыли от метеоров. Они могут образовываться только при невероятно низких температурах и при наличии воды для образования кристаллов льда.

Как они образуются?

Почему эти облака, которым требуются такие низкие температуры, образуются летом? Все из-за динамики атмосферы. На самом деле, на этой высоте в мезосфере летом у полюсов самые низкие температуры в году.

Вот как это работает: летом воздух у земли нагревается и поднимается вверх. Поскольку атмосферное давление уменьшается с высотой, поднимающийся воздух расширяется. Когда это происходит, он также остывает. Это, наряду с другими процессами в верхних слоях атмосферы, поднимает воздух еще выше, заставляя его охлаждаться еще больше. В результате температура в мезосфере может упасть до —134°C.

Поскольку облака настолько чувствительны к атмосферным температурам, они дают ученым больше информации о ветровой циркуляции, вызывающей эти температуры.

Когда впервые обнаружили серебристые облака?

Серебристые облака, как известно, впервые были обнаружены в 1885 году, через два года после извержения вулкана в Индонезии — Кракатау — в 1883 году. Остается неясным, имело ли их появление какое-либо отношение к извержению вулкана или их открытие было связано с тем, что большее количество людей наблюдали захватывающие закаты, вызванные вулканическими обломками в атмосфере.

Сегодня известно, что серебристые облака вызваны не только вулканической активностью, хотя пыль и водяной пар могут попадать в верхние слои атмосферы в результате извержений и способствовать их образованию. И, все-таки, ученые в то время предполагали, что облака были еще одним проявлением вулканического пепла. Однако после того, как пепел выпал из атмосферы, серебристые облака не исчезли. Наконец, теория о том, что облака состоят из вулканической пыли, была опровергнута Мальзевым в 1926 году.

В годы, прошедшие после их открытия, облака были тщательно изучены Отто Джесси из Германии, который первым сфотографировал их в 1887 году. Кроме того, он стал первым, кто придумал термин «серебристые облака».

Систематические фотографические наблюдения за облаками были организованы в 1887 году Вильгельмом Ферстером, а после — сотрудниками Берлинской обсерватории. Именно тогда высота облаков впервые определена с помощью триангуляции. Этот проект прекращен в 1896 году.

За десятилетия, прошедшие после смерти Отто Джесси в 1901 году, исследования о природе серебристых облаков практически не продвинулись. Гипотеза Вегенера о том, что они состоят из водяного льда, позже оказалась верной. Исследования ограничивались наземными наблюдениями. Ученые очень мало знали о мезосфере до 1960-х годов, когда люди начали активно осваивать и изучать космос. Тогда выяснилось, что появление облаков совпало с очень низкими температурами в мезосфере.

Позже, спутник Solar Mesosphere Explorer нанес на карту распределение облаков между 1981 и 1986 годами с помощью ультрафиолетового спектрометра.. Первое физическое подтверждение того, что водяной лед действительно является основным компонентом серебристых облаков, получено с помощью прибора HALOE на спутнике для исследования верхних слоев атмосферы в 2001 году.

В 2001 году шведский спутник Odin провел спектральный анализ облаков и составил ежедневные глобальные карты, которые выявили большие закономерности в их распределении.

Спутник AIM (Aeronomy of Ice in the Mesosphere), который был запущен 25 апреля 2007 года, стал первым, чья работа состояла только в изучении серебристых облаков. Первые данные появились уже спустя месяц.. На изображениях, сделанных спутником, видны формы облаков, похожие на формы тропосферных облаков, что намекает на сходство в их динамике.

Как выглядят серебристые облака?

Серебристые облака обычно бесцветные или бледно-голубые, хотя иногда наблюдаются другие цвета, включая красный и зеленый. Характерный синий цвет возникает из-за поглощения озоном на пути солнечного света, освещающего серебристое облако. Они могут выглядеть как невыразительные полосы, но часто демонстрируют узоры — полосы, волнообразные волны и водовороты.

Как и где наблюдать серебристые облака?

Облака можно наблюдать только летом в Северном полушарии — обычно их видно в июне-июле на географических широтах от 45 до 70 градусов. При этом чаще всего явление наблюдается с середины июня до середины июля на широтах от 55 до 65 градусов.

Из-за своего высотного положения серебристые облака светятся только в ночное время, рассеивая солнечный свет, который попадает на них из-под горизонта. Днем даже на фоне чистого голубого неба эти облака не видны — для этого они слишком тонкие. Лишь глубокие сумерки и ночная тьма делают их заметными для наземного наблюдателя.

По словам астрономов, заметить серебристые облака можно каждый год, но высокой яркости они достигают не всегда. При этом наблюдать редкие облака лучше всего около полуночи над северо-западным горизонтом.

Источник

Серебристые облака

Серебристые облака, образуясь практически на границе земной атмосферы и космоса, что в значительной мере затрудняет их исследование, по-прежнему хранят множество секретов о своей природе и происхождении.

История открытия

Первые документально зафиксированные свидетельства о наблюдении серебристых облаков можно встретить в астрономических трудах ученых из Старого Света. Эти 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 – Т. У. Бэкхаус. Наиболее ответственно к исследованию нового для науки явления подошел именно отечественный астроном. Он сумел определить примерное расстояние до границ проявления уникального атмосферного процесса (около 80 км) и ничтожно малую оптическую плотность этих формирований. В течение следующих трех лет серебристые облака изучал еще один немецкий ученый – Отто Йессе. Он подтвердил данные, полученные Цераским, и дал вновь открытому явлению его нынешнее название.

Общие сведения

Серебристые облака вблизи

Свойства и виды

Онлайн снимок серебристых облаков со спутника AIM

Основу серебристых облаков составляют кристаллы замерзшей влаги, конденсируемой, а после формирующей ледовую оболочку вокруг микроскопических частиц (0,1-0,7 мкм) земного или космического происхождения. Этим объясняется максимальная прозрачность таких образований, задерживающих собой всего лишь тысячную долю светового потока.

Материалы по теме

Полярные сияния на других планетах

Сквозь серебристые облака превосходно просматриваются звезды. Ядром кристаллов могут служить невидимые глазу фрагменты метеорного или кометного вещества, вулканическая или межпланетная пыль, замерзшие частички водяного пара. С момента открытия этого явления учеными выдвигались различные предположения по поводу его причин и происхождения. Гипотезы эволюционировали следующим образом: вулканическая (с 1887 г.), метеорная (с 1926 г.), конденсационная (с 1950 г.). Периодически появлялись и другие теории, пытавшиеся объяснить атмосферный феномен с помощью различных геофизических явлений, но они не снискали поддержки в научных кругах.

Серебристые облака имеют разнообразную структуру, исходя из чего они и классифицируются по этим признакам на несколько видов:

Сегодня серебристые облака – это уникальные и единственные в своем роде образования, несущие важную для науки информацию о процессах, происходящих в мезопаузе. Исследования этого явления проводятся методами ракетного, лазерного и радиолокационного зондирования, давая все новые сведения о волновых атмосферных движениях, высотных ветрах и процессах, влияющих на их временные изменения.

Галерея изображений

Условия и время наблюдения

В светлые часы суток найти и рассмотреть на небе серебристые облака удастся едва ли. Их время – темное чистое небо в глубоких вечерних или предрассветных сумерках, когда земное светило опускается на 6-12° за линию горизонта. В этот период солнечные лучи перестают освещать нижние атмосферные массы, продолжая свое воздействие на разреженные верхние области: стратосферу и мезосферу. Создаваемый при таких условиях фон является оптимальным для наблюдения красот серебристых облаков. Несмотря на значительную силу ветра на больших высотах, образуемые объекты довольно статичны, что упрощает их исследование и съемку, создавая прекрасную возможность рассмотреть все детали редкого явления. Насладиться фантастическими формами и красками серебристых облаков могут жители и Южного, и Северного полушарий. Для первых это возможно в январе-феврале на 40°-65° широты, для последних – июнь-июль, 45°-70°. Наиболее возможное место появления объектов – северная часть небосвода на высоте над линией горизонта от 3 до 15 градусов.

Путешествия серебристых облаков в небе над Беларусью летом 2013 года!

Интересные факты

Первые качественные снимки серебристых облаков были получены немецким ученым Отто Йессе еще в 1887 году.

Уникальные атмосферные образования этого типа очень трудно отличить от их перистых собратьев, поэтому периодически в среде любителей небесных световых шоу в этом вопросе возникает путаница.

Для жителей России оптимальной областью наблюдения интересного явления будут широты с 55° по 58°.

В нашем полушарии изучение и исследование серебристых облаков доступно только астрономам и метеорологам из РФ, Канады и Северной Европы. Причем максимальный вклад открытий в этой сфере принадлежит не профессиональным ученым, а любителям.

Высотный диапазон, в котором протекают процессы формирования явления, необъяснимым образом способен сжиматься до 80-85 км, расширяясь после до 60-120 км.

Основной причиной красочного свечения серебристых облаков является эффект рассеивания ультрафиолетового спектра солнечных лучей.

К 2007 году специалисты НАСА разработали и запустили в действие проект AIM. Миссию составил спутник, аппаратура которого фиксирует основные процессы, происходящие в мезосфере нашей планеты. Высокоточные приборы расширили область знаний о химическом составе серебристых облаков, проведя анализ и замеры кристаллов льда, газовых молекул и частиц космической пыли.

Похожие статьи

Понравилась запись? Расскажи о ней друзьям!

Источник

Серебристым облакам уже 130 лет

Петр Далин, Виталий Ромейко, Николай Перцев, Владимир Перминов
«Природа» №11, 2015

Об авторах

Петр Александрович Далин — кандидат физико-математических наук, младший научный сотрудник ИКИ РАН, в настоящее время работает в Шведском институте космической физики (г. Кируна). Занимается исследованием полярной мезосферы и волновых процессов в средней атмосфере. Участник многочисленных экспедиций по наблюдению серебристых облаков, один из создателей сети их автоматической фотосъемки.

Виталий Александрович Ромейко — заведующий Звенигородской астрономической обсерваторией отдела астрономии и космонавтики Московского городского дворца творчества на Воробьевых горах. Астроном и педагог, более 45 лет организует и проводит регулярные наблюдения серебристых облаков. Один из ведущих отечественных специалистов в этой области.

Николай Николаевич Перцев — кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник лаборатории физики верхней атмосферы Института физики атмосферы им. А. М. Обухова РАН. Специалист по анализу данных дистанционных измерений характеристик области мезопаузы, участник экспедиционных кампаний по наблюдению серебристых облаков и программы их автоматической фотосъемки.

Владимир Иванович Перминов — кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник той же лаборатории. Область научных интересов — динамика и энергетика верхних слоев атмосферы.

Человеку свойственно отмечать памятные даты и юбилеи. И сейчас, отпраздновав 50-летие Института космических исследований РАН, мы хотим еще раз поговорить о необычном атмосферном явлении, которое тоже встречает очередной «круглый» день рождения. Речь идет о серебристых облаках. Данный феномен, внезапно засиявший на ночном небе 130 лет назад, не был мимолетным, не исчез с небесного свода так же внезапно, как это присуще кометам, а продолжает приковывать внимание наблюдателей ночного неба и исследователей атмосферы каждый летний сезон и теперь. Каковы же современные научные достижения в изучении интересного атмосферного процесса?

Начало эпохи

Часто можно услышать такой вопрос: «Почему серебристые облака не были замечены до 1885 г.?». Исследуя исторический аспект изучения серебристых облаков (СО) [2], мы убедились, что первые надежные наблюдения СО были выполнены действительно в июне 1885 г. И Цераский, и Йессе специально отмечали, что не могли бы пропустить такие облака, появись они в прежние годы [2, 3]. Вообще-то в литературе сохранились более ранние описания ночных облаков, но среди них нет ни одного свидетельства, которое бы однозначно приводило признаки, присущие серебристым облакам. Поэтому такие сообщения всегда будут оставаться неопределенными.

Предполагается, что причина грандиозных появлений СО летом 1885 г. заключается в двух вулканических извержениях, произошедших практически одновременно в 1883 г. Первое, длительное, закончилось катастрофой — вулкан Кракатау в Индонезийском архипелаге в конце августа взорвался, выбросив в атмосферу огромное количество водяного пара (100–200 Мт) и вулканической пыли (20 км 3 ). Второе мощное извержение состоялось 6 октября: проснулся вулкан Августин на юге Аляски, который также внес свой вклад в атмосферу в виде выброшенного водяного пара и аэрозольных частиц. Благодаря глобальному переносу воздушных масс и вертикальной диффузии водяной пар и вулканическая пыль через полтора года поднялись высоко в атмосферу до высот 80–90 км в субполярных и полярных широтах, где под воздействием низких температур послужили «строительным материалом» для образования колоссального числа ледяных частиц. Именно последние и образовали необычно яркие и протяженные поля серебристых облаков, зарегистрированные многочисленными наблюдателями в Европе и России летом 1885 г.

Необходимо отметить тот факт, что после 1885 г. ночные светящиеся облака появлялись практически каждый год уже без заметной корреляции с вулканическими извержениями XX–XXI в. Вероятной причиной этого эффекта стало постепенное увлажнение области высот 80–90 км, связанное с ростом концентрации метана, — предположительно из-за усиления антропогенной (индустриальной) активности в конце XIX — начале XX в. [4]. Об этом еще пойдет речь впереди.

Где и когда наблюдаются?

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. Это самые низкие температуры в земной атмосфере. СО наблюдаются в ночное время с середины мая по середину августа в Северном полушарии и с середины ноября по середину февраля — в Южном. Наиболее благоприятные условия для их наблюдений складываются на широтах 55–60°, хотя диапазон широт, на которых могут появляться ночные облака, достаточно широк и составляет 45–90°. Из-за того, что СО образуются высоко над земной поверхностью, ледяные частицы радиусом 30–100 нм рассеивают свет уже зашедшего за горизонт светила, 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. Пример ночных светящихся облаков показан на рис. 1. Более подробную информацию об условиях их наблюдений можно найти в работе [5].

Рис. 1. Пример ярких серебристых облаков над Москвой в ночь 7–8 июля 2014 г. Фото В. А. Ромейко

Как образуются?

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 среднем четыре-пять молекул H₂O на 1 млн молекул окружающего воздуха (4–5 ppmv). В-третьих, для роста ледяных кристаллов должны присутствовать ядра конденсации, которыми служат метеорная пыль, гидратированные ионные кластеры (скопления ионов с присоединенными молекулами воды) и пыль земного происхождения, включая вулканический аэрозоль.

Космические будни

Строго говоря, определение «ночные облака» применять в нашей космической эре не совсем корректно, поскольку серебристые облака существуют и в дневное время и их можно наблюдать со спутников и орбитальных станций «с изнанки», сверху. Наблюдаемые из космоса облака в литературе принято называть полярными мезосферными (ПМО или, по-английски, PMC). Впервые их удалось заметить космонавту А. А. Леонову 18–19 марта 1965 г. с борта космического корабля «Восход-2». Первые же целенаправленные наблюдения ПМО были выполнены в мае и июле 1973 г. исследователем П. Вейцем с борта американской орбитальной станции Skylab.

С 1978 г. регулярные исследования ПМО ведутся в основном американскими геофизическими спутниками НАСА. До недавнего времени наблюдения с них проводились в так называемой лимбовой геометрии (прибор сканировал участок атмосферы вблизи касательной к земному шару, при этом ПМО регистрировались как светлые точки). Для такого сканирования используются ультрафиолетовые (252–292 нм) фотометры, которые измеряют интенсивность солнечного света, рассеянного частицами ПМО под разными углами. При этом спутник, в отличие от земного наблюдателя, не ограничен погодными условиями и временем суток и может регистрировать ПМО круглосуточно.

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. Замечательный фотоархив снимков светящихся облаков, сделанных Юрчихиным с борта Международной космической станции (МКС), можно посмотреть на его веб-сайте. Один из таких снимков представлен на рис. 2. Недавно, в марте 2014 г., на внешней стороне МКС были установлены четыре обзорные видеокамеры, которые работают автоматически в реальном времени и при удачном стечении обстоятельств могут зарегистрировать СО, появившиеся на средних широтах.

Рис. 2. Серебристые облака с борта МКС. Длинные полосы СО отчетливо видны на атмосферном лимбе. Похожие полосы наблюдаются и с поверхности Земли. Фото космонавта Ф. Н. Юрчихина

Рис. 3. Полярные мезосферные облака над Северным полюсом 11 июля 2014 г. Снимок сделан в надир цифровыми камерами CIPS на длине волны 265 нм с борта аппарата AIM. Данный снимок — композиционный, т. е. состоит из 15 склеенных друг с другом индивидуальных снимков, полученных в течение суток

25 апреля 2007 г. с целью изучения СО 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 СО при вертикальной геометрии, т. е. наблюдение светящихся облаков в надире на фоне поверхности Земли. Фотокамеры одного из его научных приборов CIPS (Cloud Imaging and Particle Size — ‘пространственное регистрирование облаков и оценка размера частиц’) направлены на земную поверхность и делают фотосъемку в жесткой ультрафиолетовой (УФ) части спектра на длине волны 265 нм. Вообще-то из-за полного поглощения жестких УФ-лучей озоновым слоем на высоте 20–40 км земная поверхность невидима для космических фотокамер на данной длине волны. Но если образуются серебристые облака (располагающиеся выше озонового слоя), они рассеивают УФ солнечный свет и становятся заметны на черном фоне снимков. Данная методика позволяет определять положение СО относительно земли с точностью до 1 км, а также определять «тонкую» структуру облаков, т. е. изучать мелкомасштабные волновые процессы с длиной волны до 5 км. Космические снимки показывают, что СО 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 «континент» в атмосфере на высотах 80–85 км, иллюстрацией чему служит композиционный снимок на рис. 3. От «континента» часто откалываются «айсберги», которые постепенно перемещаются в субполярные и средние широты благодаря ветру, имеющему летом компоненту в направлении с севера на юг, и эти айсберги становятся видимыми наблюдателю с поверхности земли в ночное время как поля серебристых облаков.

Взгляд с Земли

Несмотря на огромные преимущества аппарата AIM, цифровые камеры прибора CIPS не могут регистрировать ПМО/СО, образующиеся на субполярных и средних широтах ниже 62°. Поэтому наблюдения из космоса не могут предоставить полноценную картину о пути «жизни» облаков от момента их образования до сублимации. Следовательно, наземные наблюдения не теряют своей актуальности, но значительно дополняют исследования СО из космоса. Не нужно забывать и о том, что временное и пространственное разрешение наземных наблюдений на порядок превышает аналогичные показатели, получаемые из космоса.

Рис. 4. Расположение станций САФСО в 2015 г.: 1 — Глазго (Шотландия), 2 — Атабаска (Канада), 3 — Петропавловск-Камчатский, 4 — Новосибирск, 5 — Москва, 6 — Вильнюс (Литва), 7 — Силкебург (Дания)

С 2004 г. в Северном полушарии начала функционировать сеть цифровых автоматических фотокамер для регистрации СО и изучения их пространственно-временной динамики. Данная сеть получила название САФСО — Сеть автоматической фотосъемки серебристых облаков. Идея и техническая реализация САФСО была разработана авторами данной статьи при поддержке любителей-энтузиастов наблюдений СО в нескольких странах мира: России, Швеции, Литве, Дании, Великобритании и Канаде. Летом 2015 г. сеть включала в себя семь стационарных наблюдательных пунктов, расположенных в Москве, Новосибирске, Петропавловске-Камчатском, Атабаске (Канада), Глазго (Шотландия), Силкебурге (Дания) и Вильнюсе (Литва), рис. 4. В Московской обл. и Литве работают по три синхронных камеры, а в Дании и Канаде — по две. Достоинство данной сети — расположение фотокамер вдоль одного широтного круга (53–56° с. ш.), что позволяет проводить сравнимые наблюдения СО, когда создаются условия одинаковой освещенности сумеречного сегмента Солнцем и близкие физические условия в мезопаузе (температура и скорость ветра в ней зависят от географической широты). Наличие двух и трех камер (разнесенных на расстояние 20–100 км) в одном пункте дает возможность выполнять триангуляционные измерения с целью определения высот СО, а значит, исследовать динамические волновые процессы в трехмерном пространстве в области мезопаузы. САФСО работает по единой программе наблюдений с 20 мая по 15 августа каждого года с использованием режима покадровой съемки (time lapse) через одноминутный интервал. Первые научные результаты на основе измерений САФСО опубликованы в работе [8].

Стоит отметить следующие научные достижения, полученные на основе измерений САФСО. По ее данным можно проследить распространение атмосферных планетарных волн, из которых наиболее значимы волны с периодами в два и пять дней. Распространяясь через слой, где могут возникать серебристые облака, они изменяют соответствующим образом частоту появления и яркость СО. Так, в 2006 и 2007 гг. двухдневные планетарные волны повлияли на активность СО в большей степени, чем пятидневные волны. Напомним читателю, что яркость серебристых облаков оценивается визуально по пятибалльной шкале, от 0 (отсутствие облаков) до 5 (максимальная яркость).

Детальное сопоставление появлений и яркости СО с температурой в мезопаузе, измеренной спутниковыми методами, показывает, что светящиеся облака действительно очень чувствительны к изменению температуры и существуют при минимальных ее значениях в диапазоне от −138° до −126°С. При температурах выше −126°С облака практически (за редкими исключениями) не наблюдаются.

Определенное внимание в наших исследованиях уделяется изменениям яркости СО. Было замечено, что влияние планетарных волн на изменение яркости СО небольшое, в среднем их вклад составляет 3–5%. Поэтому приходится искать другой механизм, ответственный за оставшуюся значительную часть вариаций яркости светящихся облаков. Вероятный кандидат на эту должность — атмосферные гравитационные волны (АГВ). Действительно, мы всегда наблюдаем АГВ различных масштабов в серебристых облаках — в виде полос, волнообразных изгибов, гребней и гребешков; случаи, когда облака представлены только однородным флером, встречаются редко. При прохождении АГВ через слой СО их яркость изменяется (в одной области пространства яркость уменьшается, в другой — увеличивается), а иногда светящиеся облака могут полностью исчезнуть. С помощью САФСО мы изучили ряд интересных случаев распространения АГВ, среди которых можно выделить так называемый мезосферный фронт (зарегистрированный двумя камерами в Канаде), при котором четко видна резкая «серебристая» граница протяженностью более 300 км. Она разделяет мезопаузу на холодную область, заполненную серебристыми облаками, и теплую, в которой облака полностью отсутствуют. Мы выяснили, что причина такого феномена заключается в резком температурном перепаде в 20–25°, возникающем на границе фронта. При этом обнаружилось: граница «серебристого» фронта может сильно изменять свою высоту, достигая 96 км, что на 10–12 км превышает обычный уровень высот СО.

Другой уникальный случай в наблюдениях СО наглядно свидетельствует о связи верхних слоев атмосферы с метеорологическими явлениями в тропосфере. Речь идет об изолированной волне (т. е. АГВ), которая образовала в области мезопаузы компактный слой СО размером 65–70 км. Анализ распространения волны через атмосферу и метеорологической ситуации в нижележащих атмосферных слоях позволил определить источник генерации АГВ — им оказался атмосферный фронт в тропосфере на высоте 5 км. При этом волна смогла пройти сквозь всю толщу атмосферы до высот 83–85 км, где и образовала слой серебристых облаков.

От нормы к аномалии

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 стали отмечаться и не укладывающиеся в привычные рамки, «аномальные» появления облаков.

Начиная с 60-х годов прошлого столетия поступают сообщения о возникновении серебристых облаков не только в ранние и поздние сроки, но и вне традиционной зоны их видимости. 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. До этого самая южная точка наблюдений находилась на 44,5° с. ш. в Крыму, в районе г. Бахчисарая, и на юге Франции в г. Барде (44° с. ш.). Тогда, в ночь с 1 на 2 июля 1908 г., их появление связывали с крупнейшей космической катастрофой — Тунгусским взрывом. 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, а американский носитель «Шаттл» — до 350 т на высотах 100–115 км. В связи с увеличением ракетных выбросов естественно ожидать увеличения интенсивности облакообразования в мезосфере за последние три-четыре десятилетия [9], однако окончательной ясности в этом вопросе нет. Стоит отметить запуск ракеты-носителя «Союз-2.1а» из Плесецка 22 мая 2009 г., при котором феерические искусственные серебристые облака были одновременно сфотографированы из Петрозаводска (наблюдателем А. Мезенцевым), из Вологды (наблюдателем А. Смирновым) и из Москвы (автоматической камерой САФСО). Формирование и динамика этих искусственных СО подробно рассмотрены в работе [10].

Существует целая серия наблюдений, связывающая образование серебристых облаков с крупными взрывами, вулканическими извержениями. В 1985 г. при работе на орбитальной станции «Салют-7» Савиных удалось зафиксировать уникальный случай образования аэрозольных облаков, имеющих значительное сходство с серебристыми, при мощном извержении вулкана Руис в Колумбии.

Перспективы активности

В настоящее время самым дискуссионным остается вопрос о наличии долговременных трендов в характеристиках СО, и тому есть причины. Дело в том, что эти облака — очень тонкие по структуре атмосферные образования (как отмечалось выше, размер ледяных частиц составляет десятки нанометров, т. е. порядка одной тысячной толщины человеческого волоса). Небольшие вариации температуры или влажности в летней мезопаузе способны существенно изменить активность формирования и существования СО. Следовательно, ночные светящиеся облака могут служить прекрасным естественным индикатором возможных климатических изменений, происходящих в земной атмосфере. Данная тема сегодня очень актуальна как в научных, так и в политических сообществах, она широко обсуждается в интернете, в печати и докладах об изменениях климата на уровне глав государств. Единого мнения по вопросу, происходят ли действительно эти изменения, нет, и сомнения сохраняются, как мы покажем ниже на примере активности СО за последние десятилетия. Кроме того, так исторически сложилось, что существуют два различных атмосферных сообщества («наземное» и «космическое»), которые отстаивают две противоположные точки зрения о наличии трендов в активности СО. «Наземное» научное сообщество (к которому относится наша группа) опирается на долговременные измерения активности СО, выполненные в Московской обл. за период с 1962 г. по настоящее время. «Космическое» сообщество изучает активность СО на основе спутниковых измерений начиная с 1978 г. В конце прошлого — начале нашего века было опубликовано достаточно много научных работ, которые показывали, что согласно наземным наблюдениям, значимые вековые тренды в активности СО отсутствуют, а согласно космическим — присутствуют. И здесь нужно отметить, что обработка космических измерений СО — дело нетривиальное, сопряженное с рядом объективных трудностей. В их число входят такие, как единая калибровка измерений, полученных различными спутниками, а также выбор порогового значения сигнала для идентификации присутствия или отсутствия слоя СО в анализируемых данных. Кроме того, активность СО сильно зависит от широты места наблюдения: например, частота появлений СО может увеличиваться в полярных широтах (65–90°), но оставаться неизменной в средних и приполярных широтах (50–65°).

Теперь рассмотрим долговременные наземные наблюдения СО в Московской области. Верхняя часть рис. 5 показывает частоту появлений СО (число появлений СО, нормированное на число ясных и полуясных ночей за каждый летний сезон наблюдений). Хорошо заметно, что за период 1962–2014 гг. долговременной тренд в частоте появлений СО близок к нулю (0,0002±0,0029 число / год). Нижняя часть этого рисунка иллюстрирует относительную яркость СО в баллах (суммарную яркость СО, нормированную на число ясных и полуясных ночей за каждый летний сезон). Видно, что имеется слабый положительный долговременной тренд (0,051±0,066 балл / год), но он статистически незначим. В наших предыдущих работах показано отсутствие статистически значимых трендов по другим независимым наблюдениям светящихся облаков в Дании, Литве, Канаде и Шотландии за последние два-три десятилетия, а обобщение этой важной темы представлено в недавней работе [11], где еще раз убедительно продемонстировано, что значимого увеличения активности СО на 57–62° с. ш. нет.

Рис. 5. Характеристики серебристых облаков в Москве. Частота появлений облаков за период с 1962 по 2014 гг. (вверху, тонкая линия с кружочком) и их относительная суммарная яркость (внизу, тонкая линия с кружочком). Жирная черная линия — линейный тренд по времени, красные кривые — 95%-й доверительный интервал для трендов

В недавней публикации «космического» сообщества вырисовывается похожая картина [12]. Авторы тоже пришли к выводу, что за период 1979–2013 гг. статистически значимые вековые тренды отсутствуют как в частоте появлений, так и в яркости СО на средних и субполярных широтах в диапазоне 50–64° с. ш. Отметим, что в данной работе был использован новый критерий для порога регистрации сигнала СО, благодаря чему и были определены новые значения трендов, близкие к нулю и статистически незначимые (в противоположность результатам своих более ранних работ, показывающих статистически значимые положительные тренды в частоте и яркости СО в данном широтном диапазоне). Все эти новейшие достижения резюмированы в [11]. На самом деле противоречий между наземными наблюдениями и космическими измерениями СО не обнаруживается, если рассматривать один и тот же временной период их наблюдений на средних и субполярных широтах 50–64° Северного полушария.

И снова о глобальных климатических изменениях

Прежде всего мы должны сделать важное, на наш взгляд, замечание о сути климатических изменений, возможно, происходящих в земной атмосфере. Как известно, три главных парниковых газа (CO₂, H₂O и CH₄) рассеивают обратно к поверхности Земли ее инфракрасное излучение, приводя таким образом к знакомому всем «парниковому эффекту» (рис. 6). В том случае, если происходит увеличение концентрации парниковых газов, температура в нижней части атмосферы до высоты 10 км должна постепенно расти. Однако существует обратная сторона этого процесса: температура средней и верхней атмосферы должна постепенно уменьшаться одновременно с увеличением температуры в тропосфере. Данная схема показана в левой части рис. 6: красная прямая линия схематично изображает увеличение температуры в тропосфере, а синяя — уменьшение температуры в средней и верхней атмосфере. Этот очевидный эффект следует из закона сохранения энергии для теплового излучения, переизлучаемого поверхностью Земли в космическое пространство.

Рис. 6. Структурная схема парникового эффекта и климатических изменений, возможно происходящих в земной атмосфере. Шкала слева показывает увеличение температуры (красная прямая) в нижней атмосфере (тропосфера до 10 км) и уменьшение температуры (синяя прямая) в средней и верхней атмосфере (выше 10 км)

Выше мы обосновали, что статистически значимых трендов ни в яркости, ни в частоте появлений СО нет, что также верно и для спутниковых наблюдений СО в средних и субполярных широтах 50–64° с. ш. Яркость облаков — сильная степенная функция от концентрации молекул воды (значение показателя степени зависит от различных подходов к моделированию формирования ледяных частиц в мезопаузе и варьируется в пределах от двух до восьми). В работе [11] показано: если существуют долговременные тренды в температурном и влажностном режиме в летней мезопаузе, они должны быть одного знака: либо оба отрицательные, либо оба положительные. Но пока долговременный тренд в температуре в области летней мезопаузы инструментально однозначно не определен, на вопрос о его существовании уверенно ответить нельзя.

Недавние модельные исследования [13] для области верхней мезосферы и мезопаузы показали: наряду со статистически значимым отрицательным многолетним (1961–2009) температурным трендом имеется и положительный тренд в концентрации водяного пара, что можно было бы объяснить увеличением метана в мезосфере из-за антропогенной активности. Однако, как мы отмечали выше, в реальности должны наблюдаться тренды или одного знака, или нулевые. Только в последнем случае можно объяснить наблюдаемую многолетнюю неизменность в яркости и частоте появлений серебристых облаков за последние полвека.

В настоящее время рассматриваемые вопросы о долговременных трендах в параметрах ночных облаков и в свойствах летней мезопаузы остаются открытыми и, несомненно, требуют дальнейших рядов наблюдений СО, а также нового моделирования физических и динамических процессов, происходящих в летней мезопаузе.

О пользе серебристых облаков

Часто приходится слышать прозаические вопросы: «Зачем наблюдать серебристые облака?» или «Какую пользу могут они принести народному хозяйству страны?». На них можно предложить следующие ответы. СО — тонкий атмосферный феномен и прекрасный естественный индикатор климатических изменений, возможно, происходящих в атмосфере нашей планеты. А это несомненно волнует значительное число людей. В настоящей статье мы показали, что за последние пять десятилетий активность СО практически не увеличилась, а если и увеличилась, то незначительно: небольшой положительный тренд в яркости СО определяется с большой статистической ошибкой. По-видимому, и сейчас существуют слабые изменения в температурно-влажностном режиме в области летней мезопаузы, но, чтобы заключить, насколько они значимы, нужно проводить дальнейший мониторинг и изучение ночных светящихся облаков, с тем чтобы уменьшить статистическую ошибку характеристик вековых трендов. Вторым, а возможно, и первым по значению ответом служит тот факт, что тематика наблюдения серебристых облаков — это замечательная научно-прикладная дисциплина для подрастающего поколения. Мы знаем, что много школьников, студентов и просто молодых людей не спят летними ночами, а наблюдают эти завораживающие ночные облака. И совершенно правильно делают, поскольку индивидуальный наблюдатель с правильно организованной системой наблюдения СО за несколько лет способен внести ценный вклад в изучение статистических характеристик СО, предоставить важную для науки информацию о пространственно-временных свойствах ночных облаков. Ведь в наше время современные цифровые методы регистрации позволяют относительно просто и недорого наладить наблюдения СО с помощью простой цифровой камеры с технологией покадровой съемки. И конечно, не нужно забывать о культурно-образовательном аспекте в том плане, что организация небольших кружков юных наблюдателей СО позволит повысить уровень физико-астрономического образования школьников, развить аккуратность и дисциплину при проведении ночных наблюдений, а также привить замечательную привычку всматриваться в окружающий нас звездный купол в надежде разгадать тайны мирозданья.

Работа выполнена при частичной финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект 15-05-04975).

* Далин П. А., Перцев Н. Н., Ромейко В. А. Серебристым облакам 120 лет? // Природа. 2005. № 6. С. 12–21.

Литература
1. Цераский В. К. Астрономический фотометр и его приложения: Докторская диссертация // Математический сборник. 1887. Т. XIII. П. 21. С. 626–631.
2. Далин П. А., Перцев Н. Н., Ромейко В. А. Открытие серебристых облаков: факты и домыслы // Пространство и время. 2013. Т. 2. № 12. С. 183–195.
3. Ceraski W. Sur les nuages lumineux // Annales de l’Observatoire de Moscou. 1890. Ser. 2. V. 2. P. 177–180.
4. Thomas G. E., Olivero J. J., Jensen E. J. et al. Relation between increasing methane and the presence of ice clouds at the mesopause // Nature. 1989. V. 338. P. 490–492.
5. Бронштэн В. А. Серебристые облака и их наблюдение. М., 1984.
6. Gadsden M., Schröder W. Noctilucent clouds. N. Y., 1989.
7. Rapp M., Thomas G. E. Modeling the microphysics of mesospheric ice particles: assessment of current capabilities and basic sensitivities // Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics. 2006. V. 68. P. 715–744.
8. Dalin P., Pertsev N., Zadorozhny A. et al. Ground-based observations of noctilucent clouds with a northern hemisphere network of automatic digital cameras // Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics. 2008. V. 70. P. 1460–1472.
9. Stevens M. H., Lossow S., Fiedler J. et al. Bright polar mesospheric clouds formed by main engine exhaust from the space shuttle’s final launch // Journal of Geophysical Research (D). 2012. V. 117. P. D19206.
10. Dalin P., Perminov V., Pertsev N. et al. Optical studies of rocket exhaust trails and artificial noctilucent clouds produced by Soyuz rocket launches // Journal of Geophysical Research (D). 2013. V. 118. P. 7850–7863.
11. Pertsev N., Dalin P., Perminov V. et al. Noctilucent clouds observed from the ground: sensitivity to mesospheric parameters and long-term time series // Earth, Planets and Space. 2014. V. 66. № 98.
12. DeLand M. T., Thomas G. E. Updated PMC trends derived from SBUV data // Journal of Geophysical Research (D). 2015. V. 120. P. 2140–2166.
13. Lübken F.-J., Berger U. Latitudinal and interhemispheric variation of stratospheric effects on mesospheric ice layer trends // Journal of Geophysical Research (D). 2011. V. 116. P. D00P03.

Источник

Серебро в облаках

Как изменение климата влияет на необычные атмосферные явления

Поздней весной и в начале лета на закате и в ранних сумерках вы можете увидеть фантастическое зрелище — серебристые облака. Они возникают высоко в атмосфере и могут сиять почти всю ночь. В этом году астрономы говорят о необычайно ярких серебристых облаках, которые появляются чаще и видны дольше, чем в прежние годы. Астроном, сотрудник Института космических исследований РАН Олег Угольников рассказывает для читателей N + 1 об истории открытия и изучения серебристых облаков, а также о том, причастно ли человечество к их появлению.

Примерно в 10 вечера 6 июля 1885 года живописец-маринист и любитель прогулок под парусом Роберт Чарлз Лесли, бродивший по окрестностям Саутгемптона с приятелем, стал свидетелем необыкновенного небесного явления — прямо у них на глазах высоко в небе появились необычные светящиеся облака. Вероятно, их видели еще сотни, если не тысячи пар глаз, но Лесли, в отличие от всех прочих, отправил сообщение о своих наблюдениях в научный журнал.

«С 1883 года и в прошлом году временами наблюдалось необычное свечение до и после захода Солнца. Но я никогда не видел во время сумерек картины настолько странной, как в понедельник вечером, 6 (июля), когда целое море светящихся серебристо-белых облаков появилось над полосой светлого сумеречного неба… Эти облака были похожи на волны по форме и, видимо, находились на большой высоте… Мой друг, который был со мной, сравнил свечение этих облаков с сиянием белой фосфорной краски», — говорилось в письме Лесли, опубликованном в журнале Nature.

Благодаря этой публикации мы сегодня можем назвать (пусть и довольно символически) имя первооткрывателя и даже дату открытия серебристых облаков. Это явление многие считают одним из самых красивых зрелищ летнего неба.

Короткими светлыми ночами над незатухающей даже в полночь зарей появляются кружева, чем-то похожие на перистые облака. Но дело происходит в темные сумерки, когда «обычные» перистые облака не освещены Солнцем и выглядят как темно-серые пятна на звездном небе. Однако серебристые, или «ночные светящиеся» (noctilucent), облака, как их называют на многих языках мира, остаются светлыми и даже ярче выделяются по мере потемнения неба. В это время Солнце хорошо освещает только высокие слои атмосферы (на уровне 80 километров и более), где плотность воздуха в сотни тысяч раз меньше, чем у поверхности Земли.

Может показаться странным, но до наблюдений Лесли и нескольких других ученых человечество не знало о существовании серебристых облаков. Более того, возможно, что тогда, 6 июля 1885 года, они вообще впервые появились на небе — и Лесли увидел самые «молодые» серебристые облака в нашей атмосфере.

Вскоре после извержения вулкана Кракатау в 1883 году жители Европы стали свидетелями множества странных небесных явлений — необычайно светлых ночей, свечения на закате (именно об этих явлениях упоминает Лесли в своей статье), гало вокруг Солнца. Множество сообщений об этих явлениях появляется в научных журналах, в том числе на страницах Nature.

Источник

Серебристые облака

Серебристые облака – особенности наблюдения: что это такое с фото, где, когда и как образуются в тропосфере, обнаружение, исследование, классификация, свойства.

Серебристые облака являются наиболее высокими облачными формированиями земной атмосферы. Они образуются на высоте от 70 до 95 км. Второе название данного явления – ночные светящиеся облака (noctilucent clouds, NLC) или полярные мезосферные облака (polar mesospheric clouds, PMC). Но именно название – ночные светящиеся облака определяют условия наблюдения и внешний вид этих облаков. Вы могли видеть, как утренний рассвет играет в серебристых облаках или же наблюдали их на фото.

Как правило, наблюдение серебристых облаков возможно только в летний период: в июне-июле они доступны для наблюдения в Северном полушарии на широтах с 45˚ до 70˚. В Южном полушарии на широтах с 40˚ до 65˚ период наблюдений длится с конца декабря по конец февраля. В это время даже в полуночную пору Солнце опускается не слишком низко под горизонт, поэтому его скользящие лучи прекрасно освещают слои стратосферы. Именно там, на высоте более 83 км формируются серебристые облака. Обычно их можно увидеть около линии горизонта в северной области небосклона на высоте 3-15˚. Ежегодное внимательное наблюдение позволяет отследить динамику яркости серебристых облаков.

В дневное время даже на голубом безоблачном небе увидеть такие облака практически невозможно. Они слишком тонкие для человеческого глаза. Только в глубоких сумерках или в ночное время они становятся заметными для земного наблюдателя. Днем зафиксировать серебристые облака можно только с помощью апертурой, поднятой на значительную высоту. Удостовериться в прозрачности облаков можно достаточно просто. Через них прекрасно визуализируются звезды.

В отличие от низких облаков тропосферы, серебристые облака располагаются в области активного взаимодействия земной атмосферы с космосом. Метеорное вещество, магнитные поля, межпланетная пыль, заряженные частицы космического и солнечного происхождения становятся участниками физико-химических реакций, в результате которых появляются полярные сияния, метеорные явления, свечения атмосферы, изменения длительности и оттенка сумерек. Роль этих явлений в формировании серебристых облаков пока не изучена.

На данный момент серебристые облака являются единственным из естественных источников сведений о волновых движений в менопаузе, о ветре на значительной высоте и прочих явлениях. Поэтому исследование серебристых облаков проводится такими методами, как лазерное и ракетное зондирование, радиолокация метеорных следов. Продолжительное время и широкая площадь развития данных облачных полей позволяет напрямую рассчитывать параметры атмосферных волн любого типа, а также их временную эволюцию.

География диктует свои условия наблюдения серебристых облаков. Как правило, их изучением занимаются астрономы России, Северной Европы, Канады. Отечественные ученые внесли огромный вклад в эту работу. При этом большая часть открытий в данной области принадлежит астрономам-любителям.

Открытие серебристых облаков

Первые упоминания о серебристых облаках можно увидеть в трудах европейских астрономов XVII века. Однако они весьма расплывчаты и неоднозначны. Официально серебристые облака были открыты в июне 1885 года, когда их наблюдало одновременно несколько десятков человек в различных уголках света. Первооткрывателями принято считать астронома Московского университета Витольда Карловича Цесарского, который обнаружил их 12 июня, и немецкого астронома Т. Бэкхауса, который наблюдал их четырьмя днями ранее. Затем Цесарский, заручившись поддержкой знаменитого пулковского астрофизика А. А. Белопольского, детально исследовал серебристые облака и впервые высчитал высоту их формирования (73-83 км). Полученные им данные были подтверждены спустя три года метеорологом из Германии Отто Иессе.

Цесарский был по-настоящему впечатлен таинственными светящимися облаками. Он описывает их так: «Они блистают на ночном небе, словно белые лучи и нежным голубым оттенком, отражающим одновременно золотистое и желтое свечение. Иногда их блеск настолько высок, что даже ночью вокруг становится светло. Здания освещаются мягким светом, становятся очевидными неясные детали. Бывает, что серебристые облака формируют пласты или ряды, которые внешне похожи на морскую отмель с волнистой рябью. Это по-настоящему волшебное явление, которое хочется наблюдать и исследовать постоянно. Иные серебряные линии настолько длинны и ослепительны, что перечеркивают весь небосклон в направлении, параллельном или перпендикулярном линии горизонта».

Наблюдение серебристых облаков

Не каждый знает, где, как и когда наблюдать серебристые облака, а также какой необходимо купить телескоп. Нужно понимать, что земной наблюдатель может исследовать серебристые облака только в глубокие сумерки, когда небо становится практически черным. Конечно, для исследования необходимо, чтобы на небосклоне отсутствовали тропосферные облака, которые формируются гораздо ниже. Помните, что сумеречное и заревое небо – это два разных понятия. Зори проходят в период ранних сумерек. В это время центральная часть солнечного диска заходит за горизонт на расстояние 0-6˚. При этом солнечные лучи проникают сквозь всю толщину нижних слоев атмосферы и освещают нижнюю окантовку тропосферных облаков. Во время зари наблюдается огромное количество ярких красок.

Во время второй половины гражданских сумерек, когда Солнце опускается за горизонт на глубину 3-6˚, в западной области небосклона еще можно увидеть красочный заревый свет, однако в остальных областях небо уже окрашивается в глубокий сине-зеленый или темно-синей цвет. Зону максимальной яркости небосклона именуют сумеречным сегментом.

Оптимальные условия для фиксации и исследования серебристых облаков складываются во время навигационных сумерек, когда Солнце опускается за горизонт на 6-12˚. В средних широтах в конце июня такой период наступает за 1,5-2 часа до полуночи. При этом земная тень перекрывает самые плотные нижние слои атмосферы, и свет проникает только в разреженные слои: от мезосферы до стратосферы. В мезосфере рассеянные солнечные лучи вызывают легкое сияние неба. На таком фоне свечение серебристых облаков становится максимально заметным даже для случайных наблюдателей. Некоторые астрономы называют цвет серебристых облаков бело-голубым. Другие определяют его как жемчужно-перламутровый с голубым отливом.

В сумеречное время оттенок серебристых облаков по-настоящему необычен. Иногда облака фосфоресцируют. А иногда на них можно увидеть движущиеся тени. Некоторые области облачного поля заметно высвечиваются на фоне остальных, а через пару минут более яркими становятся иные участки.

Хотя скорость ветра в стратосфере держится на отметке 100-350 м/с, максимальная высота стояния данных облаков делает их статичными в объективе фотокамеры или телескопа. Этим объясняется раннее появление качественных снимков серебристых облаков. Первые из них были сделаны еще в 1887 году астрономом Джесси. Некоторые исследовательские группы из различных уголков земного шара регулярно проводят исследования серебристых облаков в Южном и в Северном полушариях. Поскольку серебристые облака являются сложно прогнозируемым природным явлением, их наблюдение требует привлечения астрономов-любителей. Вне зависимости от своей основной профессии и сферы занятости, каждый любитель астрономии может сделать свой весомый вклад в познание этого примечательного явления. Даже самая простая камера позволяет сделать качественную и очень колоритную фотографию серебристых облаков. К примеру, фотоаппарат «Зенит», оборудованный штатным объективом «Гелиос-44», пленкой чувствительностью 100-200 единиц и диафрагмой 2,8 – 3,5, станет вашим верным помощником. Главное здесь – выдержка от 2-3 до 10-15 секунд. Также крайне важна надежная фиксация камеры, которая не должна дрожать во время экспозиции. В связи с этим важно использование качественного штатива. При его отсутствии можно крепко прижать камеру рукой к камню, дереву, оконному косяку. Во время спуска затвора необходимо использовать тросик.

Для того чтобы сделанные фотографии были не только красивы, но и полезны для научного изучения, нужно максимально точно фиксировать все условия съемки (характеристики фотоматериалов и аппаратуры, время и место проведения съемки). Кроме того, нужно применять поляризационные и светофильтры, зеркало для определения скорости движения контрастных деталей и прочие простейшие приспособления.

Визуально серебристые облака можно спутать с перистыми. Специально для описания их структуры создана специальная международная морфологическая классификация:

Тип I. Флер. Это самая ровная и простая форма, которая заполняет пространство между контрастными деталями. Как правило, отличается туманным строением и блеклым свечением белесого оттенка.

Тип II. Полосы. Они напоминают узкие струи облаков, которые уносятся вдаль воздушными потоками. Как правило, формируют небольшие группы по несколько полос, которые или идут параллельно друг другу или переплетаются в замысловатый рисунок. Разделяют две группы полос: размытые (II-a) и резко очерченные (II-b).

Тип III. Волны, которые делятся еще на три группы. Гребешки (III-a) – это участки, где резкие, узкие полосы располагаются на минимальном расстоянии и идут параллельно друг другу. Напоминают легкую рябь на поверхности воды. Гребни (III-b) отличаются более выраженными признаками волнового характера. Промежутки между гребнями в несколько десятков раз превышают расстояние между гребешками. Волнообразные изгибы (III-c) формируются из-за искажения поверхности облаков, которая занята иными формами.

Тип IV. Вихри, которые разделяются на три группы. Завихрения с малым радиусом (IV-a): от 0,1° до 0,5°, что не превышает лунного диска. Полосы скручиваются и изгибаются, флер и гребешки искажаются таким образом, что образуют кольца с темной центральной часть. Простые изгибы одной или нескольких полос в одинаковом направлении – это завихрения (IV-b). Мощные выбросы светящегося вещества в стороны от основного облака – это завихрения (IV-c), которые представляют собой редчайшее природное явление.

Оптимальная область наблюдения серебристых облаков в Северном полушарии охватывает широты 55-58˚, куда входят крупнейшие города России: Челябинск, Москва, Нижний Новгород, Ижевск, Новосибирск, Красноярск, Казань, Екатеринбург. И только несколько городов в Канаде и Северной Европе.

Свойства и природа серебристых облаков

Высоты, где формируются серебристые облака, составляют 73-95 км. Но иногда этот диапазон имеет склонность расширяться до 60-118 км или сужаться до 81-85 км. Чаще всего на облачном поле можно увидеть несколько весьма узких слоев. Главная причина свечения этого природного явления состоит в рассеивании ими солнечного света. Однако не исключена и роль эффекта люминесценции от солнечных ультрафиолетовых лучей.

Вы могли видеть на некоторых фото, что серебристые облака очень прозрачны. Как правило, облачное поле задерживает не более 0,001% света, проходящего сквозь него. Это позволило выяснить, что серебристые облака являются скоплениями мельчайших частиц размером от 0,1 до 0,7 мкм. Природа этих частиц до сих пор не установлена. Это могут быть частички вулканической пыли, кристаллы льда, кристаллы солей в ледяной оболочке, частички кометного или метеорного происхождения, космическая пыль.

Впервые вулканическое происхождение серебристых облаков предположил исследователь из Германии В. Кольрауш в 1887 году. По его мнению, это сконденсировавшиеся водяные пары, которые были выброшены в атмосферу во время извержения. Иессе в 1888-1890 годах доработал эту гипотезу. Он полагал, что это не водяной пар, а некий газ, который также был выброшен в момент извержения и закристаллизовался в момент замерзания. Кроме того, существовала гипотеза о том, что не последнюю роль в формировании серебристых облаков играет вулканическая пыль, которая выступает в роли центра кристаллизации паров воды.

Постепенно ученые накапливали сведения о природе, характере и особенностях серебристых облаков, которые противоречили теории вулканического происхождения. Каждое крупное извержение вулкана (Мон-Пеле, 1902; Катмаи, 1912; Кордильеры, 1932) тщательно анализировалось. Это позволило установить, что появление серебристых облаков лишь иногда сопровождает вулканическую деятельность. Скорее всего, это носит случайный характер. Сегодня вулканическая гипотеза осталась далеко в истории.

Постепенно была сформирована метеорная гипотеза, которая связывала появление серебристых облаков с падением метеоритов. Отправной точкой данной гипотезы стала Тунгусская катастрофа 30 июня 1908. Тогда несколько опытных метеорологов и астрономов (Д.О.Святский, Э.Эсклангон, Ф. Архенгольд, Ф. Буш, М. Вольф, В. Деннинг) наблюдали различные оптические аномалии, которые были видны в большинстве европейских стран, на европейской части России и в западносибирском регионе. В их силе были белые ночи и необычные светлые зори, серебристые облака.

В 1926 году падение Тунгусского метеорита и появление серебристых облаков были связаны друг с другом в теории Л.А. Куликова, исследователя места Тунгусской катастрофы, и а. Апостолова, известного метеоролога той эпохи. Они предложили четкий механизм формирования серебристых облаков от влияния метеоров, которые полностью разрушаются на высоте 80-10 км. С ними в мезосферу поступают продукты их возгонки, конденсирующиеся в частицы тонкой пыли. Она-то и формирует серебристые облака.

В 1930 году астроном из США Х. Шепли и в 1934 метеоролог из Великобритании Ф. Дж. Уиппл разработали гипотезу о том, что Тунгусский метеорит являлся ядром малой кометы и пыльным хвостом. Хвостовое вещество попало в атмосферу Земли и вызвало появление оптических аномалий, в числе которых и серебристые облака.

Метеорная гипотеза получила своё дальнейшее развитие в теориях многих астрономов, которые пытались объяснить морфологию, оптические, временное и широтное распределение серебристых облаков. Но метеорная гипотеза не позволило получить верные ответы на все актуальные вопросы. В то же время роль метеорных частиц в конденсации и формировании ледяных кристаллов (основы серебристых облаков) не подвергается сомнению.

По сути, ледяная или конденсационная теория развивалась с 1917 года. Но в течение долгих лет она не имела практических доказательств. В 1925 году геофизик из Германии А. Вегенер сделал расчеты, которые подтвердили предположение о том, что для конденсации водяного пара в кристаллы льда на высотах свыше 80 км требуется температура воздуха ниже 100˚С. Спустя 30 лет, эта гипотеза была доказана ракетными экспериментами.

В трудах И.А. Хвостикова и В.А. Бронштейна позднее 1950 года метеорно-конденсационная гипотеза получила свое развитие. Теперь метеорные частицы выступают в качестве ядер конденсации, необходимых для быстрого формирования капель и кристаллов пара. Основание гипотезы было разработано в процессе ракетных экспериментов. Они подразумевали сбор микроскопических частиц с ледяной оболочкой на высоте от 80 до 100 км. Когда ракеты запускались в область серебристых облаков, объем частиц такого типа в сотни раз превышал объем собранных частиц при отсутствии облаков.

Кроме классических теорий формирования серебристых облаков, в научном сообществе появлялись и иные, более необычные. К примеру, ученые пытались связать серебристые облака с полярными сияниями, солнечной активностью и прочими геофизическими явлениями.

Источник

Серебристые облака

Серебри́стые облака́ (также известны как мезосферные облака [1] или ночные светящиеся облака [2] ) — редкое атмосферное явление — облака, возникающие в мезосфере под мезопаузой (на высоте 80-85 км над поверхностью земли) и видимые в глубоких сумерках. Наблюдаются в летние месяцы в широтах между 43° и 60° [3] (северной и южной широты).

Выделены как самостоятельное явление В. К. Цераским. Изучением серебристых облаков занимался В. В. Шаронов.

Содержание

Общие сведения о природе серебристых облаков

Серебристые облака изучались и с Земли и из космоса, а также ракетными зондами; они слишком высоки для стратостатов. Спутник AIM, запущенный в апреле 2007 года, занимается исследованием серебристых облаков с орбиты.

Гипотезы и научные теории о природе серебристых облаков

Исследователь Тунгусского метеорита Л. А. Кулик в 1926 году предложил метеорно-метеоритную гипотезу образования серебристых облаков, согласно которой метеорные частицы, попавшие в атмосферу Земли, являются ядрами конденсации водяного пара. Однако эта теория не объясняла появления серебристых облаков в ограниченном интервале высот (около 82-83 километров), появления их только летом в средних широтах и не объясняла их характерную тонкую структуру, сравнимую со структурой перистых облаков.

Существует и иные гипотезы попадания водяного пара в верхнюю мезосферу. Например, гипотеза, высказываемая профессором Университета штата Айова Л. Франком, российским исследователем В. Н. Лебединцем и некоторыми другими, согласно которой водяным паром в достаточном для образования серебристых облаков количестве снабжают область мезопаузы мини-кометы.

В 1978 году было высказано предположение, что серебристые облака представляют собой оптический эффект, по природе подобный миражам.

В некоторых источниках [11] утверждается, что до сих пор не существует физической модели, объясняющей высокие скоростные характеристики движения [12] серебристых облаков.

В других источниках [13] описываются физические модели, учитывающие процессы образования этих облаков и позволяющие создать компьютерную «фотографию» серебристых облаков.

Источник

Пыльная красота мезосферы. Серебристые облака

Удивительное явление можно наблюдать в летние месяцы на северном небе и небе умеренных широт.

Небо словно становится светлее и показывает нам странные конфигурации и даже «надписи» из серебристых нитей. В сумеречные часы на контрасте с синим небом особенно заметны необычные облачные структуры, сменяющие друг друга, как в замедленном кино. Светло-голубые полосы превращаются в вихри, гребешки и другие формы. Так выглядят серебристые облака — самые высокие видимые облака в земной атмосфере.

Оледеневшая пыль метеоритов

Своё название облака приобрели из-за серебристого оттенка, получающегося при рассеянии света на ледяных частицах, которые образуются в средних слоях атмосферы. Летом в средних широтах и ближе к Полярному кругу в мезосфере (слое атмосферы на высотах от 40 до 90 км) складываются такие условия, что именно в это время наблюдается самая низкая температура — ниже –120 С⁰. Это приводит к тому, что на высотах 80–85 км создаются условия для конденсации перенасыщенных паров воды. Чтобы пар сконденсировался, ему нужны центры конденсации — в их роли выступают частички метеорной пыли, оставшейся после сгорания и разрушения метеорных тел. Метеорные пылинки в мезосфере обрастают ледяными оболочками и если вырастают до сравнительно больших размеров, более 100 нм, то начинают отражать и рассеивать солнечный свет, доходящий до высот облаков из-за горизонта.

С ледяными частицами связаны ещё одни высотные облака — полярные мезосферные радиоотражения (Polar Mesospheric Summer Echoes) [1]. Однако располагаются они на высотах 85–95 км и не видны в оптическом диапазоне, поэтому обнаружить их можно только по отражению радиоволн в диапазоне частот 50–1000 МГц. Частички этих облаков имеют размеры менее 100 нм и не отражают видимый свет. Вместе серебристые облака и полярные мезосферные отражения называются полярными мезосферными облаками. Частота появления серебристых облаков и полярных мезосферных радиоотражений зависит от метеорной активности и выброса пылевых частиц — чем их больше, тем больше вероятность образования облаков. Во время метеорных потоков шансы увидеть серебристые облака значительно увеличивается. Обычно наблюдать их можно с конца мая по начало августа. Условия наблюдения зависят от места (географической широты), интенсивности метеоров и температуры в атмосфере. Часто, когда в Москве серебристые облака уже не видны, в Питере ещё можно увидеть это красивое явление.

Наблюдения серебристых облаков и какие-либо данные по ним зафиксированы только с 1885 года. Многие приписывали это предшествующему извержению вулкана Кракатау в 1883 году и выбросу в атмосферу множества пылевых частиц. Возможно, помимо выброса пыли изменились какие-то глобальные параметры атмосферы, иначе мы бы не наблюдали серебристые облака до сих пор. Однако данный вопрос до сих пор остаётся открытым. Тем не менее прослеживается явная связь серебристых облаков и метеорной пыли, чьи высоты нахождения в земной атмосфере совпадают. Серебристые облака наблюдали над Европой во время тунгусского феномена, что также навело учёных на мысль о связи этого явления с метеорной пылью.

На этой фотографии можно разглядеть гребни серебристых облаков. Гребни имеют ярко выраженное распределение яркости в поперечном направлении. Их полосы имеют большее расстояние между друг другом, чем у гребешков. Эти образования отличаются выраженной волновой природой и могут наблюдаться на краю поля серебристых облаков. Фото Татьяны Морозовой.

Обычно серебристые облака представляют собой слоистые структуры из полос или струй. Протяжённость полос серебристых облаков составляет около 100 км, а толщина порядка 1 км.

Характерные полосы серебристых облаков. Зеленоград, 2021. Фото Татьяны Морозовой.

Но в особо богатые метеорной пылью ночи наблюдаются более сложные картины на небе, которые включают в себя волнообразные изгибы, вихри, гребни, гребешки и флёр (или светящаяся дымка, которая часто предшествует более развитым структурам облаков). Волнообразные изгибы не являются самостоятельными формами, но образуются за счёт искривления других структур.

Здесь можно видеть полосы, вихри и гребешки. Гребешки представляют собой участки с частым расположением узких, резко очерченных полос. Из-за близкого расстояния между полосами они имеют практически одинаковую яркость. Вихри в виде простого изгиба одной или нескольких полос образуются в серебристых облаках, имеющих полосчатое строение. Вихри в сторону от основного облака являются достаточно редкой структурой. Также к завихрениям относятся круглые просветы с малым радиусом [2]. Фото Татьяны Морозовой.

Серебристые облака — это динамически меняющаяся во времени система. Крупные завихрения, образуясь в середине других форм, обычно сильно усложняют структуру облака. Иногда можно прочесть «слова», словно написанные серебристыми облаками на небе.

Серебристые облака словно написали слова на небе. Нижегородская область, июнь 2022. Фото Татьяны Морозовой.

На высотах выше 80 км, где уже начинается земная ионосфера, пылевые частицы оказываются заряженными, что приводит к ряду интересных эффектов. В облаках заряженной пыли возникают волновые движения и неустойчивости, изменяются концентрации ионосферных электронов и ионов. Под действием токов ионосферных электронов и ионов (заряженных атомов), а также в присутствии солнечного излучения частицы пыли будут приобретать электрические заряды, при этом знак заряда будет зависеть от времени суток. В ночное время частицы будут заряжаться отрицательно, а в дневное, наоборот, накапливать на себе положительный заряд. Происходит это из-за разных механизмов ионизации: ночью частицы получают отрицательный заряд от свободных электронов, а днём солнечный свет будет выбивать из атомов, входящих в состав пылинок, электроны, тем самым заряжая их положительно. Однако когда пылинки покрываются тонкой коркой льда, они уже не могут получить положительный заряд даже днём — энергии солнечного излучения не хватает, чтобы оторвать электрон у молекул воды.

Слоистая структура облаков образуется в результате их опускания с больших высот и постепенного роста ледяных частиц. Нанометровые и субмикронные частицы могут свободно парить в земной атмосфере, так как сила, с которой их притягивает Земля, не превосходит остальные действующие на них силы: силы сопротивления воздуха и электростатические силы. Для каждого размера частиц существует определённая высота в атмосфере, на которой они могут левитировать.

При росте частиц, когда на них конденсируется влага, сила тяжести начинает превышать остальные силы, действующие на ледяные частицы, постепенно растёт скорость их движения по направлению к земле, они начинают ускоряться. Это приводит к расслоению облака, где каждому слою соответствует своя определённая скорость и размер пылинок.

Верхний слой облаков будет находиться в обеднённом водными парами пространстве, где рост частиц замедляется. Более низкий слой, где больше концентрация пыли и больше водяных паров, поднимающихся из нижележащей стратосферы, наоборот, способствует более быстрому росту частиц и более быстрому их «падению». В результате верхний, более медленный слой начинает отставать от более быстрого нижнего. В действительности, расслоение может происходить и больше, чем на два слоя.

Моделирование показывает, что на высоте 85 км образуется слой частиц с размером около 80 нм, а на высоте 82 км уже с размером 180 нм. На высотах 90–95 км частицы, из которых состоят серебристые облака, живут до 20 часов. А вот время спуска с высот 90 км до 80 км у частиц занимает всего несколько часов, и в более нижних и более тёплых слоях атмосферы они практически полностью испаряются. Продлить время жизни частиц могут только вертикальные ветры и восходящие потоки воздуха в мезосфере.

Серебристые облака — явление хоть и временное, но очень красивое. Короткие летние ночи располагают к их наблюдению, особенно в июне, когда закат плавно переходит в рассвет. Благодаря своей большой высоте серебристые облака видны с расстояния 900–1000 км.

Чтобы определить высоту серебристых облаков, нужно провести измерения углов их наблюдения с двух различных точек. Для этого можно сделать фотографии облаков в заранее согласованные моменты времени из двух разных пунктов, расположенных на расстоянии 20–30 км друг относительно друга и далее с помощью нехитрой геометрии вычислить высоту облаков.

Но делать это надо быстро: серебристые облака существуют на небе от нескольких минут до нескольких часов. Обычно они появляются в какой-то части сумеречного сегмента, а потом распространяются по всему небу, меняя форму и яркость.

На фото у горизонта — обычные тропосферные облака (розово-сиреневые) и выше них — полосы и завихрения серебристых облаков. Фото Татьяны Морозовой.

В наблюдениях важно не спутать серебристые облака с обычными тропосферными облаками. Для этого следует обращать внимание на морфологию облаков, то есть на их характерные структуры в виде гребней, изгибов и вихрей. Для обычных же облаков характерно быстрое движение всей массой, значительное или полное поглощение света закрываемых звёзд. Также серебристые облака видны только на фоне сумеречного сегмента неба, где они подсвечиваются солнцем. Тропосферные облака, наоборот, могут быть видны на всём небе, при этом на фоне ночного неба они оказываются ярче него, а на фоне сумеречного — темнее. Этим очень просто отличить обычные облака от «необычных» серебристых.

1. Попель С. И. Лекции по физике пылевой плазмы. М.: МФТИ, 2012. 160 с.

2. Бронштэн В. А. Серебристые облака и их наблюдение. М.: Наука, 1984. 128 с.

Источник

СЕРЕБРИСТЫЕ ОБЛАКА

СЕРЕБРИСТЫЕ ОБЛАКА, самые высокие облачные образования в земной атмосфере, образующиеся на высотах 70–95 км. Их называют также полярными мезосферными облаками (polar mesospheric clouds, PMC) или ночными светящимися облаками (noctilucent clouds, NLC). Именно последнее название, наиболее точно отвечающее их внешнему виду и условиям их наблюдения, принято как стандартное в международной практике.

Наблюдать серебристые облака можно лишь в летние месяцы: в Северном полушарии в июне-июле, обычно с середины июня до середины июля, и лишь на географических широтах от 45° до 70°, причем в большинстве случаев от 55° до 65°. В Южном полушарии в конце декабря и в январе на широтах от 40° до 65°. В это время года и на этих широтах Солнце даже в полночь опускается не очень глубоко под горизонт, и его скользящие лучи освещают стратосферу, где на высоте в среднем около 83 км появляются серебристые облака. Как правило, они видны невысоко над горизонтом, на высоте от 3° до 15° градусов в северной части неба (для наблюдателей Северного полушария). При внимательном наблюдении их замечают ежегодно, но высокой яркости они достигают далеко не каждый год.

Днем, даже на фоне чистого голубого неба, эти облака не видны: очень уж они тонкие, «эфирные». Лишь глубокие сумерки и ночная тьма делают их заметными для наземного наблюдателя. Правда, с помощью аппаратуры, поднятой на большие высоты, эти облака можно регистрировать и в дневное время. Легко убедиться в поразительной прозрачности серебристых облаков: сквозь них прекрасно видны звезды.

Для геофизиков и астрономов серебристые облака представляют большой интерес. Ведь эти облака рождаются в области температурного минимума, где атмосфера охлаждена до –70° С, а иногда и до –100° С. Высоты от 50 до 150 км исследованы слабо, поскольку самолеты и аэростаты туда не могут подняться, а искусственные спутники Земли не способны надолго туда опуститься. Поэтому до сих пор ученые спорят как об условиях на этих высотах, так и о природе самих серебристых облаков, которые, в отличие от низких тропосферных облаков, находятся в зоне активного взаимодействия атмосферы Земли с космическим пространством. Межпланетная пыль, метеорное вещество, заряженные частицы солнечного и космического происхождения, магнитные поля постоянно участвуют в физико-химических процессах, происходящих в верхней атмосфере. Результаты этого взаимодействия наблюдаются в виде полярных сияний, свечения атмосферы, метеорных явлений, изменений цвета и продолжительности сумерек. Предстоит еще выяснить, какую роль эти явления играют в развитии серебристых облаков.

В настоящее время серебристые облака представляют собой единственный естественный источник данных о ветрах на больших высотах, о волновых движениях в мезопаузе, что существенно дополняет исследование ее динамики другими методами, такими, как радиолокация метеорных следов, ракетное и лазерное зондирование. Обширные площади и значительное время существования таких облачных полей дает уникальную возможность для прямого определения параметров атмосферных волн различного типа и их временной эволюции.

В силу географических особенностей этого явления серебристые облака в основном изучаются в Северной Европе, России и Канаде. Российские ученые внесли и вносят в эту работу весьма значительный вклад, причем немалую роль играют квалифицированные наблюдения, полученные любителями науки.

Открытие серебристых облаков.

Некоторые упоминания о ночных светящихся облаках встречаются в работах европейских ученых 17–18 вв., но они имеют отрывочный и нечеткий характер. Временем открытия серебристых облаков принято считать июнь 1885, когда их заметили сразу десятки наблюдателей в разных странах. Первооткрывателями этого явления считаются Т.Бэкхаус (Backhouse T.W.), наблюдавший их 8 июня в Киссингене (Германия), и астроном Московского университета Витольд Карлович Цераский, обнаруживший их независимо и впервые наблюдавший вечером 12 июня (по новому стилю). В последующие дни Цераский вместе с известным пулковским астрофизиком А.А.Белопольским, работавшем тогда в Московской обсерватории, подробно изучил серебристые облака и впервые определил их высоту, получив значения от 73 до 83 км, подтвержденные через 3 года немецким метеорологом Отто Иессе (O.Jesse).

Ночные светящиеся облака произвели на Цераского большое впечатление: «Облака эти ярко блистали на ночном небе чистыми, белыми, серебристыми лучами, с легким голубоватым отливом, принимая в непосредственной близости от горизонта желтый, золотистый оттенок. Были случаи, что от них делалось светло, стены зданий весьма заметно озарялось и неясно видимые предметы резко выступали. Иногда облака образовывали слои или пласты, иногда своим видом похожи были на ряды волн или напоминали песчаную отмель, покрытую рябью или волнистыми неровностями. Это настолько блестящее явление, что совершенно невозможно составить себе о нем представление без рисунков и подробного описания. Некоторые длинные, ослепительно серебристые полосы, перекрещивающиеся или параллельные горизонту, изменяются довольно медленно и столь резки, что их можно удерживать в поле зрения телескопа».

Наблюдение серебристых облаков.

Следует помнить, что с поверхности Земли серебристые облака могут наблюдаться только в период глубоких сумерек, на фоне почти черного неба и, разумеется, при отсутствии более низких, тропосферных облаков. Необходимо отличать сумеречное небо от зоревого неба. Зори наблюдаются в период ранних гражданских сумерек, когда центр солнечного диска опускается под горизонт наблюдателя на глубину от 0° до 6°. Солнечные лучи при этом освещают всю толщу слоев нижней атмосферы и нижнюю кромку тропосферных облаков. Заря характерна богатым разнообразием ярких красок.

Во вторую половину гражданских сумерек (глубина Солнца 3–6°) западная часть небосвода имеет еще довольно яркое зоревое освещение, но в соседних участках небо уже приобретает глубокие темно-синие и сине-зеленые оттенки. Область наибольшей яркости неба в этот период называют сумеречным сегментом.

Наиболее благоприятные условия для обнаружения серебристых облаков создаются в период навигационных сумерек, при погружении Солнца под горизонт на 6–12° (в конце июня в средних широтах это бывает часа за 1,5–2 по истинной полночи). В это время земная тень закрывает нижние, наиболее плотные, запыленные слои атмосферы, и освещаются только разреженные слои, начиная с мезосферы. Рассеянный в мезосфере солнечный свет образует слабое сияние сумеречного неба; на этом фоне легко обнаруживается свечение серебристых облаков, которые привлекают к себе внимание даже случайных свидетелей. Различные наблюдатели определяют их цвет как жемчужно-серебристый с голубоватым отливом или бело-голубой.

В условиях сумерек цвет серебристых облаков кажется необычным. Порой облака как бы фосфоресцируют. По ним движутся еле заметные тени. Отдельные участки облачного поля становятся значительно ярче других. Через несколько минут более яркими могут оказаться соседние участки.

Несмотря на то, что скорость ветра в стратосфере составляет 100–300 м/с, большая высота серебристых облаков делает их почти неподвижными в поле зрения телескопа или фотокамеры. Поэтому первые фотографии этих облаков были получены Иессе еще в 1887. Несколько групп исследователей во всем мире систематически изучают серебристые облака как в Северном, так и в Южном полушариях. Исследование серебристых облаков, как и других трудно прогнозируемых явлений природы, предполагает широкое привлечение любителей науки. Каждый естествоиспытатель, независимо от его основной профессии, может внести свой вклад в коллекцию фактов об этом замечательном атмосферном явлении. Качественную фотографию серебристых облаков можно получить с помощью простейшей любительской камеры. Например, можно использовать фотоаппарат «Зенит» со штатным объективом «Гелиос-44»; при диафрагме 2,8–3,5 и пленке чувствительностью 100–200 ед. ГОСТ рекомендуются выдержки от 2–3 до 10–15 секунд. Очень важно, чтобы во время экспозиции камера не дрожала; для этого желательно использовать надежный штатив, но в крайнем случае достаточно прижать камеру рукой к косяку окна, дереву или камню; при спуске затвора обязательно следует пользоваться тросиком.

Чтобы полученные снимки представляли не только эстетический интерес, но и имели научный смысл и дали бы материал для последующего анализа, необходимо точно фиксировать обстоятельства съемки (время, параметры аппаратуры и фотоматериалов), а также использовать простейшие приспособления: светофильтры, поляризационные фильтры, зеркало для определения скорости перемещения контрастных деталей облаков.

По внешнему виду серебристые облака имеют некоторое сходство с высокими перистыми облаками. Для описания структурных форм серебристых облаков при их визуальном наблюдении разработана международная морфологическая классификация:

Тип I. Флер, наиболее простая, ровная форма, заполняющая пространство между более сложными, контрастными деталями и имеющая туманное строение и слабое нежно-белое с голубоватым оттенком свечение.

Тип II. Полосы, напоминающие узкие струйки, как будто бы увлекаемые потоками воздуха. Часто располагаются группами по несколько штук, параллельно друг другу или переплетаясь под небольшим углом. Полосы делят на две группы – размытые (II-a) и резко очерченные (II-b).

Тип III. Волны подразделяют на три группы. Гребешки (III-a) – участки с частым расположением узких, резко очерченных параллельных полос, наподобие легкой ряби на поверхности воды при небольшом порыве ветра. Гребни (III-b) имеют более заметные признаки волновой природы; расстояние между соседними гребнями в 10–20 раз больше, чем у гребешков. Волнообразные изгибы (III-c) образуются в результате искривления поверхности облаков, занятой другими формами (полосами, гребешками).

Тип IV. Вихри также подразделяют на три группы. Завихрения с малым радиусом (IV-a): от 0,1° до 0,5°, т.е. не больше лунного диска. Они изгибают или полностью скручивают полосы, гребешки, а иногда и флер, образуя кольцо с темным пространством в середине, напоминающее лунный кратер. Завихрения в виде простого изгиба одной или нескольких полос в сторону от основного направления (IV-b). Мощные вихревые выбросы «светящейся» материи в сторону от основного облака (IV-c); это редкое образование характерно быстрой изменчивостью своей формы.

Зона максимальной частоты наблюдения серебристых облаков в Северном полушарии проходит по широте 55–58°. В эту полосу попадают многие крупные города России: Москва, Екатеринбург, Ижевск, Казань, Красноярск, Нижний Новгород, Новосибирск, Челябинск и др., и лишь несколько городов Северной Европы и Канады.

Свойства и природа серебристых облаков.

Диапазон высот, на которых образуются серебристые облака, вообще весьма стабилен (73–95 км), но в некоторые годы сужается до 81–85 км, а иногда расширяется до 60–118 км. Часто облачное поле состоит из нескольких довольно узких по высоте слоев. Основной причиной свечения облаков служит рассеяние ими солнечного света, но не исключено, что некоторую роль играет и эффект люминесценции под действием ультрафиолетовых лучей Солнца.

Прозрачность серебристых облаков чрезвычайно высока: обычное облачное поле задерживает всего около 0,001% проходящего сквозь него света. Именно характер рассеяния солнечного света серебристыми облаками позволил установить, что они представляют собой скопления частиц размером 0,1–0,7 мкм. О природе этих частиц высказывались самые разные гипотезы: предполагалось, что это могут быть ледяные кристаллы, мелкие частицы вулканической пыли, кристаллы поваренной соли в ледяной «шубе», космическая пыль, частицы метеорного или кометного происхождения.

Гипотезу о вулканической природе серебристых облаков первым высказал немецкий исследователь В.Кольрауш в 1887; он считал их сконденсировавшимися парами воды, выброшенными при извержении. Иессе в 1888–1890 развил эту идею, полагая, что это не вода, а какой-то неизвестный газ (возможно, водород) был выброшен вулканом и замерз в виде мелких кристаллов. Высказывались мнения, что вулканическая пыль также играет роль в формировании серебристых облаков, поскольку служит центрами кристаллизации водяного пара.

Постепенное накопление наблюдательных данных давало факты, говорившие явно не в пользу вулканической гипотезы. Анализ световых аномалий после крупнейших вулканических извержений (Мон-Пеле, 1902; Катмаи, 1912; Кордильеры, 1932) показал, что лишь в редких случаях они сопровождались появлением серебристых облаков; скорее всего это были случайные совпадения. В настоящее время вулканическая гипотеза, которая в начале 20 в. считалась общепринятой и даже проникла в учебники метеорологии, имеет лишь историческое значение.

Возникновение метеорной гипотезы происхождения серебристых облаков также связано с грандиозным природным явлением – Тунгусской катастрофой 30 июня 1908. С точки зрения наблюдателей, среди которых были весьма опытные астрономы и метеорологи (В.Деннинг, Ф.Буш, Э.Эсклангон, М.Вольф, Ф.Архенгольд, Д.О.Святский и др.), это явление проявило себя главным образом различными оптическими аномалиями, наблюдавшимися во многих европейских государствах, в европейской части России и Западной Сибири, вплоть до Красноярска. Наряду со светлыми зорями и «белыми ночами», наступившими там, где их обычно даже в конце июня не бывает, многими наблюдателями было отмечено появление серебристых облаков. Впрочем, в 1908 никто из очевидцев оптических аномалий и светящихся облаков ничего не знал о Тунгусском метеорите. Сведения о нем появились в печати лишь около 15 лет спустя.

В 1926 мысль о связи между этими двумя явлениями была независимо высказана первым исследователем места Тунгусской катастрофы Л.А.Куликом и метеорологом Л.Апостоловым. Леонид Алексеевич Кулик подробно развил свою гипотезу, предложив вполне определенный механизм образования серебристых облаков. Он считал, что не только крупные метеориты, но и обычные метеоры, полностью разрушающиеся как раз на высотах 80–100 км, поставляют в мезосферу продукты своей возгонки, которые конденсируются затем в частицы тончайшей пыли, формирующей облака.

В 1930 известный американский астроном Х.Шепли, а в 1934 независимо от него английский метеоролог Ф.Дж.Уиппл (не путать с американским астрономом Ф.Л.Уипплом) высказали гипотезу, что Тунгусский метеорит был ядром небольшой кометы с пылевым хвостом. Проникновение вещества хвоста в земную атмосферу привело, по их мнению, к возникновению оптических аномалий и к появлению серебристых облаков. Впрочем, представление о том, что причиной оптических аномалий 1908 было прохождение Земли сквозь облако космической пыли, высказал еще в 1908 один из очевидцев «светлых ночей» того периода Ф. де Руа, конечно, ничего не знавший о Тунгусском метеорите.

В последующие годы метеорную гипотезу поддерживали и развивали многие астрономы, стремясь объяснить с ее помощью наблюдаемые особенность серебристых облаков – их морфологию, широтное и временное распределение, оптические свойства и т.п. Но метеорная гипотеза в ее чистом виде с этой задачей не справилась, и с 1960 ее развитие практически прекратилось. Но роль метеорных частиц как ядер конденсации и роста кристаллов льда, составляющих серебристые облака, до сих пор остается бесспорной.

Сама по себе конденсационная (ледяная) гипотеза развивалась независимо с 1917, но долгое время не имела достаточных экспериментальных оснований. В 1925 немецкий геофизик А.Вегенер на основе этой гипотезы рассчитал, что для конденсации пара в ледяные кристаллы на высоте 80 км температура воздуха должна быть около –100° C; как выяснилось в ходе ракетных экспериментов спустя 30 лет, Вегенер оказался весьма недалек от истины. Начиная с 1950 в работах В.А.Бронштэна, И.А.Хвостикова и др. была развита метеорно-конденсационная гипотеза серебристых облаков; в ней метеорные частицы играют роль ядер конденсации, без которых образование в атмосфере капель и кристаллов из пара чрезвычайно затруднено. Эта гипотеза отчасти опирается на результаты ракетных экспериментов, в ходе которых на высотах 80–100 км были собраны микроскопические твердые частицы с намерзшей на них ледяной «шубой»; при запуске ракет в зону наблюдавшихся серебристых облаков количество таких частиц оказывалось в сотню раз больше, чем в отсутствие облаков.

Помимо упомянутых «классических» гипотез выдвигались и другие, менее традиционные; рассматривалась связь серебристых облаков с солнечной активностью, с полярными сияниями, с другими геофизическими явлениями. Например, источником водяного пара в мезосфере считалась реакция атмосферного кислорода с протонами солнечного ветра (гипотеза о «солнечном дожде»). Одна из последних гипотез связывает серебристые облака с возникновением озоновых дыр в стратосфере. Область формирования этих облаков изучается все активнее в связи с космическим и стратосферным транспортом: с одной стороны, запуски мощных ракет с водородо-кислородными двигателями служат важным источником водяного пара в мезосфере и стимулируют формирование облаков, а с другой – появление в этой области облаков создает проблемы при возвращении космических аппаратов на Землю. Необходимо создание надежной теории серебристых облаков, дающей возможность прогнозировать и даже управлять этим явлением природы. Но до сих пор многие факты в этой области неполны и противоречивы.

Источник