Виталий Бронштэн - Серебристые облака и их наблюдение

Однако еще в 50-е годы обнаружился факт, косвенно свидетельствовавший о наличии на высотах 80–90 км какого-то максимума содержания паров воды. Это было свечение гидроксила ОН, открытое в 1950 г. независимо советскими учеными И. С. Шкловским и В. И. Красовскнм и американским ученым А. Мейнелом.

В 1955 г. Морская исследовательская лаборатория США организовала серию запусков ракет со спектрографами для изучения спектров свечения неба на разных высотах. По результатам изучения полученных спектров удалось построить график распределения излучения гидроксила ОН по высоте (рис. 29). Этот график показал четкий максимум на высотах 80÷88 км, т. е. как раз в зоне образования серебристых облаков.

Рис. 29. Распределение по высоте эмиссии гидроксила (по данным NRL). Сплошная линия — полоса 7820 А°, прерывистая линия — область 7600—10400 А°.

Но гидроксил может образовываться за счет фотодиссоциации водяного пара под действием ультрафиолетовых лучей в континууме Шумана-Рунге (см. § 2). Другим продуктом фотодиссоциации молекул Н 2О) является атомарный водород, который, в свою очередь, соединяясь с молекулами кислорода или озона, может образовывать возбужденные молекулы гидроксила.

В 1965 г. советский геофизик Н. Н. Шефов установил прямую зависимость между интенсивностью полос излучения гидроксила и появлениями серебристых облаков.

В 1964–1965 гг. в Центральной аэрологической обсерватории (СССР) были впервые организованы прямые ракетные измерения концентрации водяного пара в интервале высот 70÷90 км. Приборы были сконструированы так, что всякая возможность загрязнения посторонними примесями или заноса водяного пара снизу исключалась. Результаты, опубликованные А. В. Федынским и С. П. Перовым в 1967–1968 гг., превзошли все ожидания: величина q достигала на высотах 75÷80 км четкого максимума, заключенного между 10 -2и 10 -3. Эти результаты были вскоре подтверждена другими методами Г. М. Мартынкевичем и его сотрудниками.

В 1974 г. немецкий ученый Д. Зоннтаг собрал все данные по концентрации водяного пара в атмосфере до высот 100 км. Его результаты показаны на рис. 30 широкой заштрихованной полосой.

Рис. 30. Распределение концентрации Н 2О по высоте по данным Д. Зоннтага, А. В. Федынского, С. П. Пероваи других исследователей. Значения q надписаны у кривых. Здесь же нанесена кривая температуры (Т).

Можно видеть, что величина q наибольших высотах растет (изолинии равных q , нанесены на график), достигая на высоте 75 км примерно 4∙10 -3. Здесь же нанесены результаты А. В. Федынского и С. П, Перова и некоторых других исследователей.

Расхождения между результатами разных исследователей побудили А. В. Федынского изучить вопрос о зависимости величины q от сезона и широты места, с которыми, как мы знаем, тесно связано формирование серебристых облаков. Результаты показали отчетливый максимум q в июле — августе и минимум в январе — феврале (в северном полушарии). Влажность в мезопаузе в средних широтах всегда больше, чем над тропической зоной. Над средними широтами влажность растет с высотой, начиная от высот 25÷30 км.

Таким образом, важный факт повышения влажности (т. е. величины q ) в те сезоны, над теми широтами и на том уровне, где образуются серебристые облака, был надежно установлен. Но нужно было еще дать объяснение этому факту. В 60-е годы было предложено два объяснения этого явления.

Одно из них, более простое, состоит в том, что выше 25–30 км на средних широтах в летнее время года наблюдаются восходящие токи воздуха, которые переносят водяной пар в область мезопаузы, где он и вымерзает, образуя серебристые облака. Недостаток Н 2О компенсируется новым притоком пара снизу, и процесс продолжается. На других широтах и в другие сезоны восходящие токи либо не возникают, либо подавляются отсутствием вымораживания (температуры для которого слишком высоки). Исследование И. А. Хвостикова и И. М. Кравченко, выполненное в 1967 г., показало, что при скорости восходящих токов 1 см/с удельная влажность выше 70 км будет значительно больше, чем при их отсутствии. Учет вымерзания водяного пара позволяет объяснить не только поддержание, но и рост влажности с высотой.

Другое объяснение — более интересное. Оно состоит в том, что водяной пар на больших высотах образуется при взаимодействии атомов водорода, летящих к Земле от Солнца, с атомами кислорода верхних слоев земной атмосферы. Эта идея, впервые высказанная в 1933 г. норвежским геофизиком Л. Вегардом и поддержанная в 1952 г. И. А. Хвостиковым, получила количественное обоснование в 1961 г. в работе французского ученого К. де Турвиля.

Де Турвиль подсчитал количество водорода, которое захватывается магнитосферой Земли (в составе солнечного ветра летят не нейтральные атомы, а ионы водорода — протоны). Этот процесс захвата называется аккрецией . Расчеты де Турвиля привели к оценке скорости аккреции на всю Землю 1,7∙10 6г/с. Но анализ этого вопроса, проведенный в 1966 г. И. Л. Хвостиковым, показал, что оценка де Турвиля завышена в 100, а то и в 1000 раз, так что более реальный уровень притока водорода на всю Землю составляет 1,5∙10 2÷1,5∙10 4г/с, а на единицу поверхности — около 2∙10 -15г/см 2∙с ~= 10 4атомов/см 2∙с. Такой приток водорода почти в 40 раз превосходит его потерю за счет диссипации (ускользания) из верхних слоев атмосферы. Куда же девается остальная часть атомов водорода? Очевидно, они вступают в химические реакции с атомами атмосферы. Две из них, а именно,

H+ H+ M— > H 2+ M+ 431 дж, (19)

H 2+ O+ M— > H 2 O+ M(20)

приводят к образованию молекул Н 2O. В приведенных формулах М означает любой атмосферный атом, столкновение с которым ускоряет реакцию; 431 Дж — выход энергии в первой реакции, которая является, таким образом, экзотермической.

Весь этот механизм получил, по предложению американского исследователя В. Хаурвица, название «солнечный дождь».

Способен ли «солнечный дождь» обеспечить повышенную влажность мезопаузы? Примем необходимое для образования серебристых облаков значение q =10 -3. Тогда количество осажденной воды над уровнем 70 км составит столбик всего 1 мкм, масса которого (при площади 1 см 2) будет равна 10 -4г/см 2. Из этой массы 8 9 поставляет атмосферный кислород, которого вполне достаточно. На долю солнечного водорода остается 10 -5г/см 2. Такое количество солнечный ветер принесет за 5∙10 9с = 150 лет, что, конечно, многовато. Поэтому гипотеза «солнечного дождя», несмотря на всю ее привлекательность, вряд ли может объяснить повышенную влажность мезопаузы, если приведенные выше оценки аккреции водорода из солнечного ветра не будут существенно пересмотрены в сторону их увеличения хотя бы до значений, принятых де Турвилем.