На закате Солнца можно наблюдать самые фантастические цвета и причудливые картины. Иногда в голову приходит мысль, что если это правдиво нарисовать, то люди не поверят - скажут, что такого не бывает, и что художник преувеличил действительность. Мы привыкли думать, что все это физика, все объясняется преломлением света в слоях атмосферы. Однако есть явления на небе, которые все еще не имеют точного объяснения и которыми давно занимаются ученые метеорологи, физики, астрономы. Одно из таких явлений - серебристые облака.
Серебристые облака. Фото: mygeos.com
Серебристые облака — это очень красивое и сравнительно редкое атмосферное явление, которое можно наблюдать в широтах между 43° и 65° летом в период коротких ночей, в глубоких сумерках. Это самые высокие облака в атмосфере Земли, они образуются в мезосфере на высоте около 85 км и видны только тогда, когда освещены солнцем из-за горизонта, в то время как более низкие слои атмосферы находятся в земной тени. Отличить мезосферные облака от обычных низких тропосферных довольно просто: последние видны на фоне вечерней зари тёмными, а первые — светлыми и даже как бы светящимися, т.к. зашедшее солнце может "подсвечивать" только достаточно "высокие" объекты.
Оптическая плотность мезосферных облаков ничтожна, и через них зачастую проглядывают звезды. Неудивительно, что эти облака наблюдаются преимущественно в самые короткие ночи в высоких широтах: именно при таких условиях, когда солнце заходит ненадолго и не далеко за горизонт. Интересно, что серебристые облака передвигаются очень быстро - их средняя скорость 100 метров в секунду.
Природа серебристых облаков полностью не изучена. Впервые серебристые облака заметили в 1885 году, спустя два года после извержения вулкана Кракатау. Пепел, выброшенный этим вулканом, вызывал настолько великолепные закаты, что созерцание предзакатного неба стало очень популярным занятием. Одним из таких наблюдателей был немецкий ученый Т. Бэкхаус (Backhouse T.W.), заметивший на полностью черном небе тонкие, мерцающие голубоватым светом, серебряные полосы и описавший их в своей статье. Приват-доцент Московского университета Витольд Карлович Цераский, который наблюдал серебристые облака 12 июня 1885 года, также заметил, что эти облака, ярко выделяющиеся на фоне сумеречного неба, становились совершенно невидимыми, когда выходили за пределы сумеречного сегмента неба. Он назвал их «ночными светящимися облаками». Первоначально ученые связывали появление серебристых облаков с вулканической пылью, однако явление наблюдалось достаточно часто и при отсутствии извержений вулканов. В. К. Цераский совместно с астрономом из Пулковской обсерватории А. А. Белопольским, работавшим в это время в Московской обсерватории, изучил серебристые облака и определил их высоту, которая по его наблюдениям составляла от 73 до 83 км. Это значение подтвердил через 3 года немецкий метеоролог Отто Иессе (O.Jesse).
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 их характерную тонкую структуру, сравнимую со структурой перистых облаков. В 1952 году И. А. Хвостиков выдвинул гипотезу, получившую название конденсационной (или ледяной), согласно которой серебристые облака имеют строение, подобное строению перистых облаков, состоящих из кристалликов льда.
Недавно теория метеорного происхождения серебристых облаков была подтверждена НАСА. "Мы обнаружили в составе серебристых облаков частички "метеорного дыма". Это открытие подтверждает теорию о том, что частички метеорной пыли являются зародышами, вокруг которых формируются кристаллы серебристых облаков»,- сообщил научный руководитель программы NASA AIM (Aeronomy of Ice in the Mesosphere) Джеймс Рассел из Хемптонского университета.
Каждый день на Землю выпадает больше тонны метеорной пыли. Влетая в атмосферу на огромных скоростях, эта пыль в большинстве своем полностью сгорает на высотах 70-100 км, оставляя за собой "дым", состоящий из микроскопических частиц. Эти частички образуют своего рода центры кристаллизации, вокруг которых молекулы воды образуют ледяные кристаллики. Но в отличие от кристаллов, образующихся в обычных облаках, кристаллы серебристых облаков очень мелкие. Примерно в 10-100 раз мельче, чем кристаллы дождевых облаков. Этим объясняется необычный синеватый оттенок серебристых облаков, так как мелкие кристаллы льда лучше преломляют свет более коротковолновой части спектра - синей и фиолетовой.
В настоящее время не до конца ясна природа появления на высоте 80 км в достаточном количестве водяного пара, необходимого для образования серебристых облаков. В 2012 году, после 5 лет работы спутника AIM, была опубликована новая гипотеза о природе появления воды в мезосфере, которая смогла объяснить, почему облака появились 130 лет назад, а до этого не наблюдались. Согласно этой теории, источником образования воды является газ метан, которым атмосфера Земли начала интенсивно обогащается, начиная с конца позапрошлого века. Повышению содержания метана в атмосфере во многом способствует промышленные разработки нефтяных и газовых месторождений, захоронения бытовых и промышленных отходов и т.д. По своему парниковому эффекту метан в десятки раз превосходит двуокись углерода. Но CO 2 тяжелее воздуха и потому скапливается непосредственно у поверхности Земли и при этом еще "утилизируется" растениями. Метан легче воздуха и поднимается вверх до 10-12 км. При этом часть молекул метана под воздействием солнечной радиации и атмосферного кислорода и озона разлагаются на молекулы воды, которые под действием конвективных потоков поднимаются еще выше, до 70-80 км. Там они, конденсируясь на метеорной пыли, и порождают серебристые облака. Таким образом, ученые считают, что серебристые облака могут быть своего рода индикатором чрезмерного скопления метана и последующего за этим глобального потепления из-за парникового эффекта.
Исследования серебристых облаков продолжаются. "Ночные светящиеся облака", или "полярные мезосферные облака", как их еще называют, служат главным источником информации о перемещении воздушных масс в верхних слоях атмосферы, что делает их изучение еще более насущной и важной задачей. Именно эту цель и преследует проект PoSSUM (Polar Suborbital Science in the Upper Mesosphere) под руководством Джейсона Раймуллера. Исследователь поясняет: "Идея состоит в том, чтобы создать лабораторию для изучения серебристых облаков. Речь идет о портативной лаборатории, которая размещалась бы на борту летательного аппарата и производила бы нужные нам измерения во время суборбитального полета. Один из самых важных приборов этой лаборатории - лазерный радар. Рассеяние лазерных импульсов на весьма редких на этой высоте молекулах озона, азота, кислорода, аргона и углекислого газа позволит отслеживать протекающие в мезосфере термодинамические процессы." Проект PoSSUM предусматривает распыление в мезосфере триметилалюминия - причем регистрировать светящиеся шлейфы предполагается не с поверхности земли, как это происходило ранее в рамках проекта ATREX, а с борта самолетов на высоте около 6,5 тысяч метров.
Содержание статьи
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.
Яркие серебристые облака, впервые наблюдавшиеся в 1885–1892 и, по-видимому, не замечавшиеся до этого, наводили на мысль, что их появление связано с каким-то мощным катастрофическим процессом. Таким явлением было извержение вулкана Кракатау в Индонезии 27 августа 1883. По сути, это был колоссальный взрыв с энергией, равной взрыву двадцати водородных бомб (20 Мт ТНТ). В атмосферу было выброшено около 35 млн тонн вулканической пыли, поднявшейся на высоту до 30 км, и огромная масса водяного пара. После взрыва Кракатау были замечены оптические аномалии: светлые зори, уменьшение прозрачности атмосферы, поляризационные аномалии, кольцо Бишопа (коричнево-красный венец вокруг Солнца с внешним угловым радиусом около 22° и шириной 10°; небо внутри кольца светлое с голубоватым оттенком). Эти аномалии продолжались около двух лет, постепенно ослабевая, и серебристые облака появились лишь к концу этого срока.
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.
Владимир Сурдин
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.
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 (ночные светящиеся, полярные мезоморфные) облака – это рекордсмены земной атмосферы, высота образования которых варьирует в пределах 70-95 км. Формирование явлений такого рода возможно только в областях стратосферы с минимальными температурными режимами, составляющими диапазон от -70 до -120°С. Время появления серебристых облаков – вечерние и предрассветные сумерки. Зональные особенности, в которых протекают процессы их образования, долгие годы обусловливали практическую невозможность получения объективных сведений об этом удивительном атмосферном феномене. К дополнительным отрицательным факторам относилась близость космоса, проникающие частицы метеорного вещества и межзвездной пыли, действие магнитных полей, различные физико-химические реакции, зависимость наблюдений от положения Земли и времени суток. К тому же, высота расположения серебристых облаков в мезосфере оказалась труднодоступной для многих современных летательных аппаратов (слишком высоко для самолетов, низко – для спутников). Сегодня в изучении и исследовании уникального явления доминируют представители геофизических и астрономических направлений в науке.
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.
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:
- Флер – самая примитивная форма, характеризующаяся размытым строением и тусклым белесым свечением.
- Полосы – выстраиваются небольшими параллельными или переплетающимися линиями, напоминающими струи. Бывают резко очерченными или размытыми.
- Волны – визуально очень похожи на искаженную небольшой рябью поверхность воды. Делятся на 3 подвида.
- Вихри – представляют скрученные кольцеобразные завихрения с темной центральной частью. По радиусу и сложности структуры различают 3 подгруппы, к последней из которых принадлежит наиболее редкое явление – облака, напоминающие разлетающееся от взрыва светящееся вещество.
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!
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.
Лекция О.С. Угольникова про серебристые облака
Вид облаков
Серебристые облака (также известны как мезосферные облака) - редкое явление, обычно наблюдаются в летние месяцы в широтах между 50° и 60° (северной и южной широты). Выделены, как самостоятельное явление В. К. Цераским. Изучением серебристых облаков занимался В.В. Шаронов.
Как атмосферное оптическое явление, серебристые облака - это светящиеся серебристым цветом облака разнообразной причудливой формы, наблюдаемые в сумерках. В светлое время не наблюдаются.
Мезосферные облака - самые высокие облака в атмосфере Земли; образуются в мезосфере на высоте около 85 км, и видны только тогда, когда освещены солнцем из-за горизонта, в то время как более низкие слои атмосферы находятся в земной тени; днем они не видны. При этом их оптическая плотность настолько ничтожна, что через них зачастую проглядывают звезды. Серебристые облака полностью не изучены. Было такое предположение, что они состоят из вулканической или метеорной пыли, но они, как известно по данным со спутника UARS, состоят в основном из водяного льда. Это сравнительно молодое явление ― впервые о них сообщается в 1885, вскоре после извержения Кракатау, и было предположение. Они были изучены с земли и из космоса, а также ракетными зондами; они очень высоки для стратостатов. Спутник AIM, запущенный в апреле 2007 года, занимается исследованием серебристых облаков с орбиты. Примечательно, что серебристые облака являются одним из основных источников информации о движении воздушных масс в верхних слоях атмосферы. Серебристые облака передвигаются в верхних слоях атмосферы исключительно быстро – их средняя скорость составляет около 100 метров в секунду. Достаточно много людей занимаются фотографированием серебристых облаков. Существуют разделы на астрономических форумах, где наблюдатели делятся своими фотографиями.
Струткура серебристых облаков
В 1955 году Н.И. Гришин предложил морфологическую классификацию форм серебристых облаков. В дальнейшем она стала международной классификацией. Сочетание различных форм серебристых облаков образовало такие основные типы:- 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
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.
«Астрономия для всех» совместная рубрика РОСКОСМОСА и Московского планетария (www.planetarium-moscow.ru). В ней рассказывается о Солнечной системе и её объектах, астрономических явлениях и интересных данных о безграничном космосе. Следите за астроновостями на официальных сайтах и страницах РОСКОСМОСА и Московского планетария во всех популярных социальных сетях (хэштег #АстрономияДляВсех). Мы ЗА популяризацию астрономии и возрождение интереса к науке!
