Серебристые облака. Вы их видели наверняка...

     Облачность в атмосфере Земли может образоваться на нескольких уровнях высоты. Привычные нам виды облаков делятся на: “приземные” (туман, дымка, мгла), облака нижнего яруса – слоистые, среднего – высоко-кучевые и высоко-слоистые, верхнего – перистые. Также все мы знакомы с так называемыми облаками вертикального развития – это кучевая и кучево-дождевая облачность. Все вышеперечисленные облака расположены в нижнем слое атмосферы – тропосфере – на высоте до 17 километров (от 0.5 км до 6 км – слоистые и кучевые, выше – высоко-кучевые, высоко-слоистые, ещё выше – перистые).

     Но некоторые облака могут находиться в ещё более высоких слоях атмосферы. Например, изредка наблюдаются перламутровые облака (рис. 1), высота расположения которых 22-30 км Они появляются в зимне-весенний период в высоких широтах. Другое их название “полярные стратосферные облака”. Такая периодичность и локализация появления этих облаков объясняется тем, что именно в этот период времени и в этих широтах на данной высоте температура опускается до самых низких значений (около -80° C), что создаёт подходящие условия для образования облаков. Очень редко перламутровые облака могут быть замечены и в средних широтах. Лучшее время для их наблюдения – гражданские сумерки – промежуток времени, когда Солнце погружено под горизонт не больше, чем на 6°.

                                         Рис. 1. Перламутровые облака

                                    Самые высокие облака земной атмосферы

Хотя упоминания о них встречаются ещё в работах учёных XVII-XVIII веков, временем открытия серебристых облаков считается 1885 год. В этом году на них обратили внимание Т. Бакгауз (Германия) – 08 июня, Вацлав Ласка (Прага) – 10 июня и будущий директор Московской обсерватории Витольд Карлович Цераский (Россия) – 12 июня. Первые фотографии серебристых облаков сделал в 1887 году Отто Иессе (Германия). Он же и назвал их “серебристыми облаками”. Другое часто встречающееся название – “ночные светящиеся облака”. Вот как описывает увиденное Цераский: "Облака эти ярко блистали на ночном небе чистыми, белыми, серебристыми лучами, с лёгким голубоватым отливом, принимая в непосредственной близости от горизонта жёлтый, золотистый оттенок. Были случаи, что от них делалось светло, стены зданий весьма заметно озарялись 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...”

                                         

                                              Рис. 2. Цераский В. К. (1849-1925)

       Цераский наблюдал облака на предрассветном небе и заметил, что эти облака, ярко выделяющиеся на фоне сумеречного неба, становились совершенно невидимыми, когда выходили за пределы сумеречного сегмента неба. По своим наблюдениям Витольд Карлович определил, что серебристые облака расположены на высоте от 73 до 83 км По современным данным их высота равна в среднем 73-95 км (рис. 3). В некоторые годы диапазон сужается до 81 – 85 км, в другие – расширяется до 60 – 118 км Серебристые облака – самые высокие облака земной атмосферы, поэтому они видны с расстояний до 900-1000 км

                      

                                                         Рис. 3. Атмосфера Земли

      Наблюдаются серебристые облака в северном полушарии на широтах от 45° до 71°, но максимум их повторяемости приходится на интервал 55° – 60°. Период видимости облаков – с марта по октябрь, чаще всего их можно увидеть в июле. Всего за год возможно не более 20-30 появлений серебристых облаков. Внимательный наблюдатель может их замечать ежегодно, но высокой яркости они достигают далеко не каждый год. В южном полушарии серебристые облака наблюдаются в конце декабря и в январе на широтах от 40 до 65 градусов.

     Причина того, что серебристые облака видны далеко не на всей поверхности Земли, в том, что они очень тонкие, через них просвечивают звёзды. Днём на фоне мощной засветки серебристые облака сливаются с фоном неба и потому незаметны. В ночное время, в отсутствие на больших высотах дополнительных источников света, облака не мешают небу оставаться тёмным и тоже не видны.

     А вот на фоне слабоосвещённого сумеречного неба светящиеся массы серебристых облаков легко обнаруживаются. И вероятность их заметить тем больше, чем дольше длятся сумерки. В полярных широтах летом – полярный день (т. е. Солнце не заходит за горизонт), что не позволяет наблюдать серебристые облака. В зоне “белых ночей” тоже достаточно светло, ночью продолжают подсвечиваться тропосферные перистые облака, что затрудняет наблюдение серебристых облаков. Поэтому серебристые облака чаще всего наблюдаются южнее зоны белых ночей. К югу от 50-й широты сумерки более короткие, а ночи становятся слишком тёмными.

    Из Космоса серебристые облака видны (рис. 4) на любых широтах вплоть до околополюсных и экватора. 18—19 марта 1965 года серебристые облака впервые видел из космоса А. А. Леонов. Позднее они нередко наблюдались с космических станций «Салют», например, в конце 1977 — начале 1978 годов в течение 13 суток их видели с борта станции «Салют-6» над южным полушарием. В 1977 году изучением серебристых облаков над Антарктидой на орбитальной станции занимался космонавт Г. М. Гречко. Одновременно в Антарктиде проводились пуски геофизических ракет. После обработки обобщённых результатов был сделан вывод, что серебристые облака образуются при определённых температурах из-за намерзания влаги на пыль.

                               Рис. 4. Серебристые облака с борта МКС

     Лучший период для наблюдений серебристых облаков – навигационные сумерки (Солнце в это время погружено под горизонт на 6° – 12°). Все другие облака уже не подсвечиваются и становятся тёмными. Иногда серебристые облака наблюдаемы при погружении Солнца под горизонт до 16°. Но при погружении больше, чем на 19.5°, они потемнеют и перестанут быть видимыми.

     Облака малой и умеренной яркости лучше всего видны под небольшим углом к их поверхности, т. е. на высоте 5° – 15° над горизонтом, но при расположении не выше 3° их яркость значительно снижается из-за поглощения света в атмосфере Земли.

     Сумеречное небо образует небольшой сегмент, граничащий с неосвещённой ночной частью неба. Границы сумеречного сегмента являются границами освещения, а, следовательно, и видимости серебристых облаков. Вечером, со снижением Солнца, площадь сумеречного сегмента уменьшается, перемещается к горизонту и граница видимости облаков. К утру всё повторяется в обратном порядке. Часто наблюдается естественная граница поля серебристых облаков, занимающего только часть сумеречного неба.

     Яркие облака с развитой структурой распознать довольно легко, а иногда они просто привлекают к себе внимание необычностью вида и света. Однако, серебристые облака большой яркости наблюдаются очень редко (не каждый год). Облака же малой яркости намного труднее обнаружить и отличить от обычных облаков. Причина в том, что серебристые облака, аналогично перистым, состоят из ледяных кристаллов, тоже очень тонкие и также лучше видны на фоне сумеречной подсветки. Высокие перистые облака продолжают подсвечиваться Солнцем или рассеянным светом сумеречного неба при погружении Солнца до 5° – 6°. Любителям астрономии, планирующим вести наблюдения серебристых облаков, нужно это учитывать. При дальнейшем погружении Солнца (больше, чем на 6°) перистые облака перестанут подсвечиваться и потемнеют, а серебристые облака останутся яркими намного дольше.

     Время существования серебристых облаков колеблется от нескольких минут до нескольких часов. Обычно они появляются внезапно в какой-либо части до того чистого и прозрачного сумеречного неба, затем могут распространиться по сумеречному сегменту и увеличить яркость, но могут и исчезнуть через несколько минут, не оставив после себя каких-либо заметных следов. Облака могут занимать большие площади, их полосы тянутся, захватывая половину земного шара и более. Наблюдались двух- и даже трёхъярусные облака.

 

Классификация серебристых облаков

     По принятой в настоящее время классификации различают 4 основных типа серебристых облаков:

I – флер (однородная или неоднородная пелена),

II – полосы:

     а) размытые полосы, расположенные группами параллельно друг другу или переплетающиеся между собой под небольшим углом. Если полосы расположены в направлении луча зрения наблюдателя, наблюдается перспектива (расхождение полос из одной точки, расположенной на горизонте)

     б) резко очерченные полосы (струи).

III – волны.

     а) гребешки – участки с частым расположением узких, резко очерченных, параллельных, обычно коротких полос,

     б) гребни – в них более чётко выражено неравномерное распределение яркости в поперечном направлении, из-за чего хорошо заметны признаки волновой природы гребней. Расстояние между гребнями в 10-20 раз больше, чем между гребешками. Гребни часто расположены между полосами в поперечном направлении.

     в) волнообразные изгибы – образуются за счёт искривления поверхности, занятой другими формами (полосы, гребешки). Встречаются в облаках, имеющих большую площадь распространения. Имеют чётко выраженный волновой характер движения.

IV – вихри:

     а) завихрения и круглые просветы радиусом 0.1° – 0.5°. Завихрениям подвергаются полосы, гребешки и, иногда, флер.

     б) завихрение в виде простого изгиба одной или нескольких полос в сторону от основного направления с радиусом 3° – 5°. Часто образуются в облаках, имеющих полосчатое и струйчатое строение.

     в) мощные вихревые выбросы в сторону от основного облака.

Флер сходен по внешнему виду с перисто-слоистыми облаками, полосы и гребешки – с волнистыми формами перистых облаков.

                             

                                                 Рис. 5. Серебристые облака

                     Рис. 6. Серебристые облака и комета 2020 F3 Neowise

     Для объяснения появления серебристых облаков предлагались различные гипотезы.

     В 1887 году немецкий физик Фридрих Кольрауш предположил, что серебристые облака образуются в результате вулканической деятельности, так как они наблюдались в 1885 году, а в 1883 году произошло мощное извержение вулкана Кракатау. Однако, эта гипотеза не получила подтверждения, поскольку последующие сильные извержения не сопровождались появлением серебристых облаков (если, конечно, не происходили в летний период).

      В день падения Тунгусского метеорита, 30 июня 1908 года, в 40 местах России и Западной Европы также отмечено появление необычно ярких 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), образования их только летом в средних широтах и их характерную тонкую структуру, сравнимую со структурой перистых облаков.

     Для образования серебристых облаков необходимо сочетание трёх факторов: достаточное количество водяного пара, очень низкая температура и наличие мельчайших пылевых частиц (ядер конденсации), на которых пары воды и превращаются в кристаллики льда. В тропосферных облаках в качестве ядер обычно выступают пылинки или кристаллики морской соли. В мезопаузу, где появляются серебристые облака, пыль с поверхности Земли практически не попадает, морская соль – тем более. Но как раз на высотах от 80 км мы наблюдаем “падающие звёзды” – метеоры (рис. 8).

                                   Рис. 8. Метеор 08.10.2018. Фото автора

      Вспышка метеора означает сгорание в атмосфере Земли пылинки, прилетевшей к нам из Космоса. Метеоры, видимые невооружённым глазом, возникают при горении частицы массой не меньше 10^-6 г, наблюдаемые в телескоп – не меньше 10^-9 г, а регистрируемые с помощью радиолокации – по крайней мере 10^-12 г Более мелкие частицы тормозятся в атмосфере, не сгорая при этом. По размерам они подходят на роль ядер конденсации. Также мелкие частицы могут образоваться при дроблении более крупных метеорных тел. Средний размер частиц оценивается в 0.13-0.15 мкм, по-видимому, имеются и более мелкие частички метеорной пыли, создающие серебристый или перламутровый цвет этих облаков. Исследования показывают, что в сутки на Землю попадает порядка 10³ частиц/см² Этого количества вполне достаточно для образования серебристых облаков.

      Необходимостью очень низкой температуры объясняется сезонность появления серебристых облаков. Именно в летний период и как раз в мезопаузе отмечаются самые низкие температуры       (до -140° C). А вот с источником водяного пара на больших высотах ещё не всё ясно.

      По одной гипотезе в средних широтах в летнее время года на высотах 25—30 километров образуются восходящие потоки воздуха, переносящие водяной пар в область мезопаузы, где пар вымерзает и образует серебристые облака. При этом был установлен факт повышения влажности в те сезоны, над теми широтами и на том уровне высоты, где образуются серебристые облака.

      По другой гипотезе, получившей название «солнечного дождя», высказанной норвежским исследователем Л. Вегардом в 1933 году и теоретически обоснованной в 1961 году французом К. де Турвилем, водяной пар на этих высотах образуется при взаимодействии атомов водорода, летящих к Земле от Солнца, с атомами кислорода верхних слоёв земной атмосферы. Однако эта гипотеза не полностью объясняет повышенную влажность в мезопаузе, необходимую для образования серебристых облаков.

      В 2012 году, после 5 лет работы спутника AIM, была опубликована новая гипотеза о природе появления серебристых облаков, которая смогла объяснить, почему облака появились 140 лет назад, а до этого не наблюдались. Наиболее вероятным механизмом появления кристаллов льда на высотах 70—90 км над уровнем моря является высокая концентрация метана в атмосфере Земли. Этот лёгкий газ за счёт конвективных потоков может подниматься на высоты до 80 км Там метан, взаимодействуя с метеорной пылью, превращается в кристаллы льда.

      Наблюдения за серебристыми облаками, установление зависимости частоты их появления от различных гео- и гелиофизических причин (солнечная активность, свечение атмосферы ночью, состояние ионосферы, метеорная активность и др.) позволяют исследовать процессы, протекающие в мезосфере. Серебристые облака являются одним из основных источников информации о движении воздушных масс в верхних слоях атмосферы. Несмотря на то, что серебристые облака изучаются уже больше века, для построения качественной и полной теории всё ещё недостаточно наблюдательных данных. А зачастую получаемая информация неполна и противоречива, поэтому серебристые облака продолжают оставаться волнующей проблемой для многих естествоиспытателей.

Литература:

     1. Бронштэн В.А. Серебристые облака и их наблюдение. Москва: Наука, 1984.

     2. Бронштэн В.А., Гришин Н.И. Серебристые облака. Москва: Наука, 1970.

     3. Миннарт М. Свет и цвет в природе. Москва: Наука, 1969.

     4. Астрономический календарь. Постоянная часть. Москва: Наука. Изд-е 7-е, 1981 год.

     5. П. Г. Куликовский. Справочник любителя астрономии. Москва: УРСС. Изд-е 5-е, 2002 год.

     6. С. В. Зверева. В мире солнечного света. Ленинград: Гидрометеоиздат, 1988 год.

 

Евгений Парфенов

Экскурсовод Планетария