Виталий Бронштэн - Серебристые облака и их наблюдение

Основным механизмом, регулирующим влажность в области мезопаузы, по-видимому, следует считать систему восходящих токов в стратосфере.

Но нужно было решить еще один вопрос, который противники конденсационной гипотезы считали (в конце 50-х годов) чуть ли не камнем преткновения для ее обоснования.

Речь идет о тепловом режиме частиц серебристых облаков, в частности, — ледяных кристалликов. По мнению америьанских ученых Е. Вестина и Д. Дейрменджяпа, солнечные лучи и тепло Земли должны были заставлять кристаллики льда испариться, так что они не могли быть устойчивыми.

В 1961 г. автор этой книги подверг критике метод расчета Вестона и Дейрменджяпа, показав, что они получили завышенные значения средней температуры льда в мезопаузе. В 1970 г. он же выполнил более строгое рассмотрение этого вопроса. В самом деле, составим уравнение лучистого равновесия ледяной частицы. Источниками ее нагрева, вообще говоря, могут быть:

1) излучение Солнца в непрерывном спектре ,

2) излучение Солнца в линиях Q УФ,

3) корпускулярное излучение Солнца Q кop,

4) длинноволновое излучение Земли и нижних слоев атмосферы ,

5) тепло, выделяющееся при рекомбинации кислорода на частице, Q peк.

Частица в свою очередь отдает тепло окружающей среде путем излучения ( Q изл) и теплопроводности — при столкновениях с атомами и молекулами воздуха ( Q τ). Следовательно, наше уравнение должно иметь вид

Автор оценил все слагаемые в левой части. Оказалось, что Q УФи Q кopникогда не превышают 10 эрг/см 2∙с, Q peк= 4∙10 3эрг/см 2∙с, = 1,7∙10 4эрг/см 2∙с, = 2∙10 5эрг/см 2∙с.

Таким образом, главной составляющей притока тепла для кристаллика льда является не солнечное излучение, а длинноволновое излучение Земли. Причина этого заключается в том, что мелкие кристаллики льда (<1 мкм) практически прозрачны для видимых лучей. Основной вклад в их нагрев лучами Солнца создает длинноволновый «хвост» солнечного излучения на волнах 2÷13 мкм. Но излучение Земли на этих же волнах более интенсивно, чем солнечное, — на целый порядок. Таким образом, общее тепло, поглощаемое ледяной частицей, составляет 2,2∙10 5эрг/см 2∙с.

Как же частица теряет тепло? Отдача тепла излучением зависит в основном от температуры частицы и равна

Q изл = 4∙ ε∙ σ∙ Т 4, (22)

где ε — коэффициент излучения, σ — постоянная Стефана-Больцмана, множитель 4 означает, что частица излучает со всей поверхности, равной для шара 4π∙ r 2, тогда как все притоки тепла мы рассчитывали на поверхность его миделя (π∙ r 2). Отдача тепла теплопроводностью зависит от разности температур частицы и окружающей среды. Приняв последнюю равной 160 К и вычисляя и Q изли Q τможно найти, при какой температуре частицы их сумма станет равной притоку тепла, найденному выше. Эта температура оказалась равной 170 К на высоте 80 км и 178 К на высоте 90 км. Оба эти значения лежат ниже точки инея водяного пара (192 К); иначе говоря, ледяные частицы в этих условиях испаряться не должны.

Так работами советских ученых за два десятилетия была обоснована конденсационная гипотеза происхождения серебристых облаков.

Оставалось выяснить, какие частицы служат ядрами конденсации, и… поймать эти частицы, рассмотреть их в лаборатории. Несмотря ка все трудности, и эти задачи были успешно решены.

Как хорошо известно, конденсация водяного пара в капельки тропосферных облаков обычно не происходит сама собой — необходимы так называемые ядра конденсации. Причина этого состоит в том, что давление пара, требуемое для конденсации в очень маленькую капельку, может в несколько раз превышать давление насыщенного пара над плоской поверхностью. Только при перенасыщении в пять и более раз может начаться спонтанная конденсация и в совершенно чистом воздухе (без ядер). Ядра конденсации, каковыми обычно являются мельчайшие пылинки или кристаллики морской соли, имеют уже достаточные размеры, чтобы конденсация на них происходила.

Ядра конденсации принято делить на ядра Айткена (0,005÷0,1 мкм), тяжелые (0,1÷1 мкм) и сверхтяжелые (1÷20 мкм). Ядра Айткена, хотя и самые многочисленные (в приземном слое воздуха их тысячи на кубический сантиметр), из-за своих малых размеров не играют существенной роли как ядра конденсации в обычных тропосферных облаках. Основную роль играют тяжелые ядра, имеющие как природное, так и промышленное происхождение. Сверхтяжелые ядра, состоящие в основном из кристалликов морской соли, играют роль при образовании капель облаков в морских районах.

Какие же частицы служат ядрами конденсации при образовании серебристых облаков? В разное время по этому вопросу высказывались самые различные предположения: частицы вулканической пыли, кристаллики морской соли, наконец, метеорные частицы. Гипотеза о том, что именно метеорные частицы служат ядрами конденсации при образовании серебристых облаков, была впервые высказана в 1926 г. Л. А. Куликом, но осталась незамеченной на фоне его же гипотезы о чисто метеорном происхождении этих облаков, В 1950 г. ее вновь независимо выдвинул автор этой книги (работа Л. А. Кулика нам тогда не была известна), и с тех пор эта точка зрения нашла поддержку почти у всех исследователей серебристых облаков.

В самом деле, разрушение метеорных тел, проникающих в земную атмосферу и наблюдаемых в виде метеоров, происходит в основном как раз над мезопаузой, на высотах 120÷80 км. Те тела, которые создают на небе привычное нам явление метеора, имеют массу от нескольких граммов до 10 -6г; более слабым метеорам, наблюдаемым в бинокль или телескоп, соответствуют массы от 10 -6до 10 -9г; еще более слабым, регистрируемым с помощью радиолокации, — до 10 -12г. Еще меньшие тела тормозятся в атмосфере, до того как разогреются настолько, чтобы качалось их испарение [4] Напомним, что свечение метеора в основном обусловлено излучением паров метеорного тела (только примерно 3 % этого свечения составляет излучение газов воздуха). ). Такие тела называются микрометеоритами . По размерам они соответствуют тяжелым и сверхтяжелым ядрам конденсации.

Но кроме микрометеоритов, поставщиками ядер конденсации могут быть и более крупные метеорные тела, поскольку они дробятся в атмосфере. Одной из форм их дробления является так называемое шелушение, когда с поверхности летящего тела откалываются мельчайшие осколки («щепки»). Кроме того, происходит плавление самого метеороида (метеорного тела), причем расплавленная пленка сдувается с него набегающим потоком воздуха в виде капель. Застывая, они превращаются в шарики, которые затем выпадают на Землю и попадают в руки ученых [5] Аналогичные по виду шарики могут образоваться и в результате промышленного производства (металлургия, сварка и т. д.). Их отличают от космических шариков по составу и другим признакам. ).