Виталий Бронштэн - Серебристые облака и их наблюдение

Проведение в 1957–1959 гг. широкой программы исследований верхней атмосферы в рамках Международного геофизического года (МГГ) и Международного геофизического сотрудничества (МГС) позволило поставить разносторонние исследования серебристых облаков. Еще до начала МГГ Н. И. Гришин разработал морфологическую классификацию форм серебристых облаков, впервые получил их спектры, обнаружил связь их появлений с метеорологическими условиями в тропосфере. В дальнейшем он развил теорию волновых процессов в серебристых облаках, применил для изучения их динамики метод замедленной киносъемки.

В период МГГ были проведены инструментальные исследования оптических свойств серебристых облаков. Успешные фотометрические и поляриметрические наблюдения их провела экспедиция Ленинградского отделения ВАГО под руководством О. Б. Васильева. Определения поляризации света и индикатрисы рассеяния частиц облаков дали возможность оценить размеры этих частиц — доли микрометра. Начались систематические исследования серебристых облаков в Эстонском и Латвийском отделениях ВАГО с передачей их в дальнейшем специальным научным учреждениям — Институту астрофизики и физики атмосферы АН ЭССР и Латвийскому университету. Эстонские астрофизики во главе с Ч. И. Виллманном также получили индикатрису рассеяния и изучили оптические свойства облаков. В Латвии М. А. Дирикис, Э. Э. Мукинс, Ю. Л. Францман разработали простые методы определения высот облаков по фотографиям, снятым из двух пунктов. Более точные, хотя и более трудные методы предложил М. И. Буров из Московского института инженеров геодезии, аэрофотосъемки и картографии. Этими методами было сделано несколько сотен измерений высот серебристых облаков, показавших, что иногда они располагается в несколько «этажей» с интервалами в 3–5 км.

По всему Союзу начались регулярные синоптические наблюдения серебристых облаков. Их наблюдали в Эстонии, Латвии, Ленинграде, Бологом, Калинине, Ярославле, Москве, Рязани, Смоленске, Минске, Горьком, Куйбышеве, Свердловске, Новосибирске, Томске, Иркутске и других городах.

Систематические наблюдения серебристых облаков начались во многих странах мира. В США и Канаде была создана под руководством Б. Фогля специальная сеть станций. В Швеции исследования серебристых облаков (включая ракетные эксперименты) проводились под руководством Г. Витта, в ФРГ — под руководством В. Шредера и В. Фольца, в ГДР исследования серебристых облаков проводил Г. Дитце. Все эти исследования позволили узнать много нового о природе и свойствах серебристых облаков, а заодно — о динамике слоя мезопаузы, в котором они находятся. Об этих результатах будет рассказано в следующих параграфах.

Для понимания того, что мы будем рассказывать дальше о серебристых облаках, необходимо иметь хотя бы общие представления о строении земной атмосферы, а особенно ее верхних слоев.

Основным признаком, определяющим подразделение атмосферы на отдельные слои, является изменение ее температуры с высотой. Характер этого изменения во многом зависит от состава атмосферы.

Нижний слой атмосферы Земли ( тропосфера ) имеет следующий химический состав (по объему, в процентах): азот — 78,09, кислород — 20,95, аргон — 0,93, углекислый газ — 0,03. На долю остальных газов приходятся уже тысячные и десятитысячные доли процента. Такой состав атмосфера имеет почти до высоты 90 км.

Но установить это удалось не сразу. Длительное время в науке господствовала теория диффузионного разделения газов, согласно которой самые легкие газы (водород и гелий) сосредоточены в верхних слоях атмосферы, а более тяжелые (азот, кислород и особенно аргон и углекислый газ) — в нижних слоях. Уже в 30-е годы XX в. удалось доказать, что благодаря интенсивному перемешиванию состав атмосферы до довольно больших высот остается постоянным и только потом начинается диффузионное разделение.

Кроме постоянных компонентов, перечисленных выше, атмосфера содержит переменные компоненты: озон и водяной пар. Эти компоненты оказывают большое влияние на тепловой режим Земли и ее атмосферы.

Рассмотрим схему строения земной атмосферы (рис. 2).

Рис. 2. Схема строения земной атмосферы:

1 — тропосферные облака нижнего яруса, 2— перистые облака, 3— перламутровые облака, 4— серебристые облака, 5метеоры, 6— болид, 7— полярные сияния, 8— метеорологическая ракета, 9— геофизическая ракета.

Известно, что в ее нижнем слое, именуемом тропосферой (от греческого тропэ — поворот), температура быстро падает с высотой: на 6÷7 градусов на километр высоты (зимой несколько меньше). Это происходит потому, что нижние (приземные) слои атмосферы получают тепло от земной поверхности, излучающей его в диапазоне инфракрасных лучей и передающей тепло также за счет конвекции и теплопроводности. В тропосфере образуются облака, осадки, дуют ветры, образуются самые различные метеорологические явления.

В зависимости от строения атомов и молекул различных газов они способны поглощать в той или иной степени излучение в различных диапазонах длин волн. Тар, молекула водяного пара (Н 2О) интенсивно поглощает инфракрасные лучи во всем диапазоне, за исключением «окна» на длинах волн 8÷13 мкм. Напротив, озон (трехатомный кислород, О 3) поглощает ультрафиолетовые лучи короче 0,36 мкм.

На уровне от 11 до 17 км падение температуры с высотой прекращается и начинается стратосфера — сравнительно спокойная область атмосферы с почти постоянной температурой до высоты 34÷36 км и ростом температуры до уровня ~ 60 км. Этот рост происходит за счет поглощения солнечных ультрафиолетовых лучей слоем озона, о котором подробнее будет сказано ниже. Пограничная область между тропосферой и стратосферой называется тропопаузой .

Выше стратосферы, примерно от уровня озонного пика температуры и до 30–85 км простирается мезосфера — область нового падения температуры с высотой. Мезосферу от стратосферы отделяет узкая область стратопаузы , примерно соответствующей высоте озонного максимума.

Еще выше температура вновь начинает расти. Сюда еще доходит ультрафиолетовое излучение Солнца на длинах волн короче 0,2 мкм, а в этой области спектра находятся полосы поглощения Шумана — Рунге молекулы кислорода (длины волн 1925–1760 A°; 1 A° (ангстрем) = 10 -4мкм). Еще дальше в сторону коротких длин волн расположена сплошная область поглощения, называемая континуумом Шумана — Рунге (длины волн 1760–1350 А°). Поглощение лучей этих длин волн молекулярным кислородом приводит к нагреванию нижней термосферы — так принято называть область роста температуры выше 85 км.