Пыльная красота мезосферы. Серебристые облака

Небо словно становится светлее и показывает нам странные конфигурации и даже «надписи» из серебристых нитей. В сумеречные часы на контрасте с синим небом особенно заметны необычные облачные структуры, сменяющие друг друга, как в замедленном кино. Светло-голубые полосы превращаются в вихри, гребешки и другие формы. Так выглядят серебристые облака — самые высокие видимые облака в земной атмосфере.

Оледеневшая пыль метеоритов

Своё название облака приобрели из-за серебристого оттенка, получающегося при рассеянии света на ледяных частицах, которые образуются в средних слоях атмосферы. Летом в средних широтах и ближе к Полярному кругу в мезосфере (слое атмосферы на высотах от 40 до 90 км) складываются такие условия, что именно в это время наблюдается самая низкая температура — ниже -120 С⁰. Это приводит к тому, что на высотах 80-85 км создаются условия для конденсации перенасыщенных паров воды.

Чтобы пар сконденсировался, ему нужны центры конденсации — в их роли выступают частички метеорной пыли, оставшейся после сгорания и разрушения метеорных тел. Метеорные пылинки в мезосфере обрастают ледяными оболочками и если вырастают до сравнительно больших размеров, более 100 нм, то начинают отражать и рассеивать солнечный свет, доходящий до высот облаков из-за горизонта.

С ледяными частицами связаны ещё одни высотные облака — полярные мезосферные радиоотражения (Polar Mesospheric Summer Echoes) [1]. Однако располагаются они на высотах 85-95 км и не видны в оптическом диапазоне, поэтому обнаружить их можно только по отражению радиоволн в диапазоне частот 50-1000 МГц. Частички этих облаков имеют размеры менее 100 нм и не отражают видимый свет. Вместе серебристые облака и полярные мезосферные отражения называются полярными мезосферными облаками.

Частота появления серебристых облаков и полярных мезосферных радиоотражений зависит от метеорной активности и выброса пылевых частиц — чем их больше, тем больше вероятность образования облаков. Во время метеорных потоков шансы увидеть серебристые облака значительно увеличивается. Обычно наблюдать их можно с конца мая по начало августа. Условия наблюдения зависят от места (географической широты), интенсивности метеоров и температуры в атмосфере. Часто, когда в Москве серебристые облака уже не видны, в Питере ещё можно увидеть это красивое явление.

Слова на небе

Наблюдения серебристых облаков и какие-либо данные по ним зафиксированы только с 1885 года. Многие приписывали это предшествующему извержению вулкана Кракатау в 1883 году и выбросу в атмосферу множества пылевых частиц. Возможно, помимо выброса пыли изменились какие-то глобальные параметры атмосферы, иначе мы бы не наблюдали серебристые облака до сих пор. Однако данный вопрос до сих пор остаётся открытым.

Тем не менее прослеживается явная связь серебристых облаков и метеорной пыли, чьи высоты нахождения в земной атмосфере совпадают. Серебристые облака наблюдали над Европой во время тунгусского феномена, что также навело учёных на мысль о связи этого явления с метеорной пылью.

Обычно серебристые облака представляют собой слоистые структуры из полос или струй. Протяжённость полос серебристых облаков составляет около 100 км, а толщина порядка 1 км.

Но в особо богатые метеорной пылью ночи наблюдаются более сложные картины на небе, которые включают в себя волнообразные изгибы, вихри, гребни, гребешки и флёр (или светящаяся дымка, которая часто предшествует более развитым структурам облаков). Волнообразные изгибы не являются самостоятельными формами, но образуются за счёт искривления других структур.

Серебристые облака — это динамически меняющаяся во времени система. Крупные завихрения, образуясь в середине других форм, обычно сильно усложняют структуру облака. Иногда можно прочесть «слова», словно написанные серебристыми облаками на небе.

Пыльная история

Концентрация пылевых частиц на рассматриваемых высотах 90-95 км составляет 10 см-3, а на высотах 85-90 км от 100 до 1000 см-3. Частицы на высотах 80-85 км достигают размеров, превышающих 100 нм и оказываются видимыми для человеческого глаза. Частицы из верхних слоёв, как правило, имеют размеры порядка 10-80 нм. Из таких частиц состоят невидимые в оптическом диапазоне полярные мезосферные радиоотражения. Концентрации и размеры пылинок прямым образом влияют на эволюцию облачных масс, конденсацию на частицы паров воды и расслоение облаков.

На высотах выше 80 км, где уже начинается земная ионосфера, пылевые частицы оказываются заряженными, что приводит к ряду интересных эффектов. В облаках заряженной пыли возникают волновые движения и неустойчивости, изменяются концентрации ионосферных электронов и ионов. Под действием токов ионосферных электронов и ионов (заряженных атомов), а также в присутствии солнечного излучения частицы пыли будут приобретать электрические заряды, при этом знак заряда будет зависеть от времени суток. В ночное время частицы будут заряжаться отрицательно, а в дневное, наоборот, накапливать на себе положительный заряд. Происходит это из-за разных механизмов ионизации: ночью частицы получают отрицательный заряд от свободных электронов, а днём солнечный свет будет выбивать из атомов, входящих в состав пылинок, электроны, тем самым заряжая их положительно. Однако когда пылинки покрываются тонкой коркой льда, они уже не могут получить положительный заряд даже днём — энергии солнечного излучения не хватает, чтобы оторвать электрон у молекул воды.

Слоистая структура облаков образуется в результате их опускания с больших высот и постепенного роста ледяных частиц. Нанометровые и субмикронные частицы могут свободно парить в земной атмосфере, так как сила, с которой их притягивает Земля, не превосходит остальные действующие на них силы: силы сопротивления воздуха и электростатические силы. Для каждого размера частиц существует определённая высота в атмосфере, на которой они могут левитировать.

При росте частиц, когда на них конденсируется влага, сила тяжести начинает превышать остальные силы, действующие на ледяные частицы, постепенно растёт скорость их движения по направлению к земле, они начинают ускоряться. Это приводит к расслоению облака, где каждому слою соответствует своя определённая скорость и размер пылинок.

Верхний слой облаков будет находиться в обеднённом водными парами пространстве, где рост частиц замедляется. Более низкий слой, где больше концентрация пыли и больше водяных паров, поднимающихся из нижележащей стратосферы, наоборот, способствует более быстрому росту частиц и более быстрому их «падению». В результате верхний, более медленный слой начинает отставать от более быстрого нижнего. В действительности, расслоение может происходить и больше, чем на два слоя.

Моделирование показывает, что на высоте 85 км образуется слой частиц с размером около 80 нм, а на высоте 82 км уже с размером 180 нм. На высотах 90-95 км частицы, из которых состоят серебристые облака, живут до 20 часов. А вот время спуска с высот 90 км до 80 км у частиц занимает всего несколько часов, и в более нижних и более тёплых слоях атмосферы они практически полностью испаряются. Продлить время жизни частиц могут только вертикальные ветры и восходящие потоки воздуха в мезосфере.

Мимолётная красота

Серебристые облака — явление хоть и временное, но очень красивое. Короткие летние ночи располагают к их наблюдению, особенно в июне, когда закат плавно переходит в рассвет. Благодаря своей большой высоте серебристые облака видны с расстояния 900-1000 км.

Чтобы определить высоту серебристых облаков, нужно провести измерения углов их наблюдения с двух различных точек. Для этого можно сделать фотографии облаков в заранее согласованные моменты времени из двух разных пунктов, расположенных на расстоянии 20-30 км друг относительно друга и далее с помощью нехитрой геометрии вычислить высоту облаков.

Но делать это надо быстро: серебристые облака существуют на небе от нескольких минут до нескольких часов. Обычно они появляются в какой-то части сумеречного сегмента, а потом распространяются по всему небу, меняя форму и яркость.

В наблюдениях важно не спутать серебристые облака с обычными тропосферными облаками. Для этого следует обращать внимание на морфологию облаков, то есть на их характерные структуры в виде гребней, изгибов и вихрей. Для обычных же облаков характерно быстрое движение всей массой, значительное или полное поглощение света закрываемых звёзд. Также серебристые облака видны только на фоне сумеречного сегмента неба, где они подсвечиваются солнцем. Тропосферные облака, наоборот, могут быть видны на всём небе, при этом на фоне ночного неба они оказываются ярче него, а на фоне сумеречного — темнее. Этим очень просто отличить обычные облака от «необычных» серебристых.

Литература:

1. Попель С. И. Лекции по физике пылевой плазмы. М.: МФТИ, 2012. 160 с.

2. Бронштэн В. А. Серебристые облака и их наблюдение. М.: Наука, 1984. 128 с.