Серебристые облака: атмосфера

Серебристые облака: атмосфера

    Поляризация света Свет представляет собой электромагнитную волну. Поляризация для электромагнитных волн — это явление направленного колебания векторов напряженности электрического и магнитного полей. Линейная поляризация — это частный случай поляризации, в то время, когда колебания вектора напряженности электрического поля лежат в одной плоскости
    Сейчас для изучения воздуха активно используются так лидарные установки (LIDAR, англ.
    Light Identification, Detection and Ranging), в которых источником светового луча помогает лазер. Часть его излучения, рассеявшись в воздухе, возвращается назад и улавливается приемником. Это разрешает по времени прихода отраженного сигнала вычислить расстояние от установки до рассеявшей сигнал области воздуха. На снимке — лидар обсерватории Pierre Auger (Аргентина)
    На схеме наглядно изображен принцип действия лидарной установки. К сожалению, способ имеет непреодолимое ограничение: для него нужно чистое небо — в плотной облачности лазерный луч теряется полностью
    Серебристые тучи образуются на высоте приблизительно 80 км, в области, пограничной между мезо- и термосферой, — так называемой мезопаузе. Мезосфера холодна — температура в ней опускается до -150°С.

    Термосфера же характеризуется высокими температурами — воздушное пространство (в случае если эту чудовищно разреженную субстанцию возможно так назвать) под действием солнечного излучения разогревается иногда до 1500 К. Концентрация молекул газов в термосфере так мелка, что привычные нам механизмы переноса тепловой энергии фактически не трудятся, и единственный метод остыть — излучать энергию. В таких сложных условиях и «обитают» серебристые тучи
    Обстоятельство, по что серебристые тучи наблюдаются ночью, а не днем, понятна из приведенной схемы. Тогда как наблюдатель находится еще на «ночной территории», серебристые тучи попадают в освещенную солнцем территорию;. Серебристые тучи «обожают» не просто ночь, а ночь летнюю. Обстоятельство этого несложна. Как ни необычно, верхняя мезосфера посильнее всего охлаждается как раз летом: виновата в этом динамика воздушных потоков в воздухе.
    С центрами кристаллизации кроме этого нет неприятностей — так как микрочастицы метеорного происхождения в мезосфере вправду присутствуют

В июне 1885 года с промежутком в пара дней несколькими европейскими астрологами было увидено необыкновенное явление: необычные тучи не виданной ранее структуры, светящиеся в вечерних или предутренних сумерках, в то время, когда Солнце пребывало ниже горизонта. В Германии это явление замечали астрологи Отто Йессе и Томас Уильям Бэкхаус, в Австро-Венгерской империи — Вацлав Ласка, в Российской Федерации — Витольд Карлович Цераский.

Потому, что все первые наблюдения были сделаны независимо друг от друга, вычислять первооткрывателем кого-то одного было бы несправедливо. самоё серьёзное внимание новому явлению уделили Йессе и Цераский. Последнему удалось с приемлемой точностью установить высоту новых туч над поверхностью Почвы — порядка 75 верст.

Он же в первый раз установил ничтожную оптическую плотность туч — блеск «закрытых» ими звезд практически не терял силы! Йессе кроме этого совершил соответствующие измерения, но с пара меньшей точностью. Но именно он придумал распространенное с того времени наименование — «серебристые тучи».

В английской литературе данный феномен в большинстве случаев именуется noctilucent clouds либо (особенно в материалах NASA) polar mesospheric сlouds — PMC.

Условия существования

К концу XIX века в Европе было множество астрологов, систематично замечавших небосвод. Ни один из них до лета 1885 года ничего похожего на серебристые тучи не обрисовал. Возможно, наблюдения туч не зафиксировались в научной истории в силу тривиальности? Но тот же Витольд Цераский к 1885 году уже около десяти лет занимался фотометрией сумеречного небосвода. Это кропотливое занятие потребовало внимания к любому облачку, талантливому исказить эти.

Цераский писал: «Мне было бы достаточно тяжело не подметить явления, которое порою охватывает не более не меньше как целый небесный свод». Того же мнения придерживался и Отто Йессе. Исходя из этого будем исходить из того, что серебристые тучи до лета 1885 года вправду не наблюдались и, возможно, не существовали.

Очевидно, попытки растолковать новинку природы были предприняты весьма не так долго осталось ждать. самоё логичным объяснением в тот момент показалось катастрофическое извержение вулкана Кракатау на территории современной Индонезии, приведшее к замечательнейшему взрыву, практически поднявшему на воздушное пространство целый остров. Были и другие теории — мы разглядим их ниже.

Но перед тем как сказать что-то о самих серебристых тучах, стоит обратить внимание на условия, в которых они существуют.

Земная воздух — сложный объект, характеризующийся разными условиями. По высоте ее принято подразделять на тропосферу (до десяти километров), стратосферу (10−50 км), мезосферу (50−85 км), экзосферу и термосферу. Серебристые тучи образуются в области, пограничной между мезо- и термосферой — так называемой мезопаузе.

Физические условия выше и ниже мезопаузы разны. Мезосфера холодна — температура в ней опускается до -150°С. Термосфера, наоборот, характеризуется высокими температурами — воздушное пространство под действием солнечного излучения разогревается иногда до 1500К.

Концентрация молекул газов в термосфере так мелка, что привычные нам механизмы переноса тепловой энергии не трудятся, и единственный метод остыть — излучать энергию.

Сейчас представьте себе, какие конкретно тучи смогут показаться в таких «твёрдых» условиях? Простые перисто-кучевые тучи «обитают» в тропосфере, на высоте 5−6 км, и являются что-то наподобие водяного тумана. Облако же, талантливое появиться на высоте 70 км, возможно сравнить с человеком, приноровившимся к существованию без защитных средств, к примеру, на Юпитере

Откуда же они показались?

Выше мы упоминали вулканическую догадку формирования серебристых туч, предложенную германским физиком Фридрихом Кольраушем в конце XIX века. Увы, последующие изучения продемонстрировали, что свойства и свойства облаков взвешенных в воздухе вулканических аэрозолей очень сильно различаются.

В 1920-х годах исследователем метеоритов Леонидом Куликом была предложена догадка метеоритного происхождения серебристых туч — по ней они складываются из небольших частиц метеоритного вещества, распыленного в верхних слоях воздуха. Вправду, изучения мезосферы метеорологическими ракетами еще в 1960-х продемонстрировали, что в серебристых тучах присутствует определенное количество вещества очевидно метеоритного происхождения. Но научным мейнстримом к тому времени была уже вторая теория — конденсационная, начало которой положил коммунистический физик Иван Андреевич Хвостиков.

Ответственная изюминка серебристых туч пребывает в том, что они наблюдаются с каждым годом на одних и тех же высотах (порядка 80 км), одних и тех же широтах (50−70 градусов) и лишь летом, причем все эти правила выполняются и в Северном, и в Южном полушариях. Ни вулканическая, ни метеорная догадки растолковать эти факты не могли. Конденсационная версия предполагает, что серебристые тучи складываются из небольших кристалликов льда, намерзших на аэрозольные частицы.

Территория происхождения этих нанольдинок находится на высоте порядка 90 км, оттуда они под действием гравитации неспешно дрейфуют вниз, возрастая в размерах. На высоте около 85 км их скопления становятся видимыми в сумерках при солнечной подсветке снизу — появляются облака. Для создания таких льдинок необходимы как минимум три условия: низкая температура, наличие центров и достаточная влажность кристаллизации.

Громаднейшая неприятность состоит во влажности воздуха. Верхние километры мезосферы суше Сахары — воды в том месте ничтожно мало и поступает она в том направлении преимущественно из двух источников. Это, во-первых, пар снизу, а во-вторых — разрушение молекул метана под действием солнечного ультрафиолета, по окончании чего при участии атмосферного кислорода образуется вода.

Трудность в том, что молекулы воды под действием солнечной радиации также распадаются — среднее время их жизни в мезопаузе исчисляется несколькими днями. До тех пор пока нет полной ясности относительно того, при каких условиях и в какие конкретно сроки в мезопаузе может собраться достаточное количество воды, исходя из этого при всей правдоподобности конденсационной версии вопрос далеко не закрыт.

Средства изучения

Изучение серебристых туч — дело непростое. Воздушное пространство выше стратосферы столь разрежен, что ни самолет, ни аэростат держаться в нем не смогут; единственный летательный аппарат, талантливый добраться до таких высот, — ракета. Это формирует изрядные неудобства для исследователей: ракета, летящая с высокой скоростью, находится в изучаемой территории считанные секунды и контактирует со средой очень ограниченно.

Ее запуск вероятен далеко не отовсюду и много стоит.

В первой половине XX века для изучения воздуха было предложено использовать оптическое зондирование. Сначала для этого употреблялся замечательный прожектор. Замечаемое рассеяние светового пучка давало данные о состоянии и составе воздушных весов.

В Соединенных Штатах прожекторное зондирование использовалось по большей части для температуры воздуха и определения плотности, в СССР ответственной задачей считалось кроме этого изучение атмосферных аэрозолей, для чего луч прожектора поляризовался и потом изучалось распределение поляризации с высотой. Очевидно, прожектор как источник света был не через чур эргономичен — потолок зондирования ни при каких обстоятельствах не превышал 70 км.

С 1960-х годов для изучения воздуха все шире и шире используются так именуемые лидарные установки, в которых источником светового луча помогает лазер. Часть его излучения, рассеявшись в воздухе, возвращается назад и улавливается приемником. Лазерное излучение когерентно, длину его волны и поляризацию возможно выяснить с громадной точностью.

Испускать лазерный луч возможно в течение промежутка времени, определяемого с высокой точностью. Так задается протяженность светового пучка. Это разрешает по времени прихода отраженного сигнала вычислить расстояние от установки до рассеявшей сигнал области воздуха с точностью до нескольких метров.

Ну а характеристики отраженного (рассеянного) излучения несут в себе данные о той среде, от которой он отразился.

Второй ответственный инструмент — изучение поляризации света. То, что видимый нами солнечный свет поляризован, нашёл еще Франсуа Араго в далеком 1809 году, он же установил, что максимум поляризации находится на угловом расстоянии в 90 градусов от Солнца. На степень поляризации света воздействуют свойства той среды, на которой он рассеялся. На этом и основан способ.

Особенно превосходно то, что в сумерках, в то время, когда находящееся под горизонтом Солнце подсвечивает земную воздух снизу, поляриметрия дает данные о особенностях конкретного слоя воздуха, бросче всего освещенного как раз сейчас. Так, измеряя поляризацию в течение сумерек, возможно взять распределение особенностей по высоте.

С началом космической эры на повестку дня встал вопрос о том, что замечать серебристые тучи возможно и из космоса. Первым аппаратом, созданным специально для серебристых облаков и исследований мезосферы, стал американский спутник AIM (The Aeronomy of Ice in the Mesosphere), запущенный в 2007 году и трудящийся на орбите до сих пор.

и Тунгусский метеорит

Самый узнаваемый случай массового наблюдения серебристых туч случился летом 1908 года, конкретно по окончании падения Тунгусского метеорита и, логично полагать, в связи с ним. Практически по всей Европе из-за светящихся туч наступили «белые ночи» — кроме того в том месте, где отродясь никто о них не слыхивал. Очевидцы вспоминали, что среди ночи хватало света, дабы просматривать газету.

К сожалению, надежных инструментальных замеров практически не проводилось, а современные оценки очень сильно расходятся — освещенность тех ночей оценивается как превышающая естественный фон в 10−8000 раз.

Современники, в большинстве случаев, не связывали необыкновенные тучи с Тунгусским метеоритом, потому, что не знали о его существовании. Сам факт падения какого-либо небесного тела где-то в Енисейской губернии был известен — его кроме того пробовали искать, но подлинный масштаб случившегося ученые смогли оценить только два десятка лет спустя. Помимо этого, именно в тех местах атмосферных аномалий, по крайней мере явных, не наблюдалось.

Ночную иллюминацию растолковали вулканизмом, что по тем временам было похоже на правду.

С позиций сегодняшних представлений, серебристые тучи лета 1908 года связаны все-таки скорее с Тунгуской — но вот как? Не смотря на то, что предположений случившегося в 1908 году наберется около сотни, громаднейшим доверием ученых пользовались две: метеоритная и кометная. Метеоритная натыкается на фундаментальную проблему — куда делся камушек?

Кометная думается по всем статьям лучше, но появление серебристых туч в ее рамках выглядит труднообъяснимым. Распыленное в воздухе вещество должно было улететь от Ванавары на восток, а серебристые тучи были бы видны во Владивостоке и Токио — но ничего аналогичного не случилось. Помимо этого, размеры кометной «ауры» доходят до сотен тысяч, а время от времени и миллионов километров.

Подлетая к Почва примерно со стороны Солнца, хвостатая гостья должна была напылить в воздухе еще за несколько дней до падения, а вращение Почвы совсем естественным методом распределило бы все вещество равномерно по окружности.

Вот и получается, что таинственный тунгусский феномен изрядно увеличивает количество вопросов и к серебристым тучам. Спустя 125 лет по окончании того, как приват-доцент Витольд Карлович Цераский под утро заметил в небе необыкновенные тучи, мы все еще не можем сообщить с уверенностью, что понимаем, откуда и как они взялись.

Статья размещена в издании «Популярная механика» (№92, июнь 2010).

<

h4>

\

Статьи, которые будут Вам интересны: