Загадка серебристых облаков

На закате Солнца можно наблюдать самые фантастические цвета и причудливые картины. Иногда в голову приходит мысль, что если это правдиво нарисовать, то люди не поверят – скажут, что такого не бывает, и что художник преувеличил действительность. Мы привыкли думать, что все это физика, все объясняется преломлением света в слоях атмосферы. Однако есть явления на небе, которые все еще не имеют точного объяснения и которыми давно занимаются ученые метеорологи, физики, астрономы. Одно из таких явлений – серебристые облака.

Серебристые облака. Фото: mygeos.com

Серебристые облака  — это очень красивое и сравнительно редкое атмосферное явление, которое можно наблюдать в широтах между 43° и 65°  летом в период коротких ночей, в глубоких сумерках. Это самые высокие облака в атмосфере Земли, они образуются в мезосфере на высоте около 85 км и видны только тогда, когда освещены солнцем из-за горизонта, в то время как более низкие слои атмосферы находятся в земной тени. Отличить мезосферные облака от обычных низких тропосферных довольно просто: последние видны на фоне вечерней зари тёмными, а первые — светлыми и даже как бы светящимися, т.к. зашедшее солнце может "подсвечивать" только достаточно "высокие" объекты. 

Оптическая плотность мезосферных облаков ничтожна, и через них зачастую проглядывают звезды. Неудивительно, что эти облака наблюдаются преимущественно в самые короткие ночи в высоких широтах: именно при таких условиях, когда солнце заходит ненадолго и не далеко за горизонт. Интересно, что серебристые облака передвигаются очень быстро – их средняя скорость 100 метров в секунду.

Природа серебристых облаков полностью не изучена. Впервые серебристые облака заметили в 1885 году, спустя два года после извержения вулкана Кракатау. Пепел, выброшенный этим вулканом, вызывал настолько великолепные закаты, что созерцание предзакатного неба стало очень популярным занятием. Одним из таких наблюдателей был немецкий ученый Т. Бэкхаус (Backhouse T.W.), заметивший на полностью черном небе тонкие, мерцающие голубоватым светом, серебряные полосы и описавший их в своей статье.  Приват-доцент Московского университета Витольд Карлович Цераский, который наблюдал серебристые облака 12 июня 1885 года, также заметил, что эти облака, ярко выделяющиеся на фоне сумеречного неба, становились совершенно невидимыми, когда выходили за пределы сумеречного сегмента неба. Он назвал их «ночными светящимися облаками». Первоначально ученые связывали появление серебристых облаков с вулканической пылью, однако явление наблюдалось достаточно часто и при отсутствии извержений вулканов. В. К. Цераский совместно с астрономом из Пулковской обсерватории А. А. Белопольским, работавшим в это время в Московской обсерватории, изучил серебристые облака и определил их высоту, которая по его наблюдениям составляла от 73 до 83 км. Это значение подтвердил через 3 года немецкий метеоролог Отто Иессе (O.Jesse).

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 их характерную тонкую структуру, сравнимую со структурой перистых облаков. В 1952 году И. А. Хвостиков выдвинул гипотезу, получившую название конденсационной (или ледяной), согласно которой серебристые облака имеют строение, подобное строению перистых облаков, состоящих из кристалликов льда.

Недавно теория метеорного происхождения серебристых облаков была подтверждена НАСА.  "Мы обнаружили в составе серебристых облаков частички "метеорного дыма". Это открытие подтверждает теорию о том, что частички метеорной пыли являются зародышами, вокруг которых формируются кристаллы серебристых облаков»,- сообщил научный руководитель программы NASA AIM (Aeronomy of Ice in the Mesosphere) Джеймс Рассел из Хемптонского университета.

Каждый день на Землю выпадает больше тонны метеорной пыли. Влетая в атмосферу на огромных скоростях, эта пыль в большинстве своем полностью сгорает на высотах 70-100 км, оставляя за собой "дым", состоящий из микроскопических частиц. Эти частички образуют своего рода центры кристаллизации, вокруг которых молекулы воды образуют ледяные кристаллики. Но в отличие от кристаллов, образующихся в обычных облаках, кристаллы серебристых облаков очень мелкие. Примерно в 10-100 раз мельче, чем кристаллы дождевых облаков. Этим объясняется необычный синеватый оттенок серебристых облаков, так как мелкие кристаллы льда лучше преломляют свет более коротковолновой части спектра – синей и фиолетовой.

Кельн, Германия, 10 июня 2013 г. © Chris Kranich | Spaceweather.com

В настоящее время не до конца ясна природа появления на высоте 80 км в достаточном количестве водяного пара, необходимого для образования серебристых облаков. В 2012 году, после 5 лет работы спутника AIM, была опубликована новая гипотеза о природе появления воды в мезосфере, которая смогла объяснить, почему облака появились 130 лет назад, а до этого не наблюдались. Согласно этой теории, источником образования воды является газ метан, которым атмосфера Земли начала интенсивно обогащается, начиная с конца позапрошлого века. Повышению содержания метана в атмосфере во многом способствует промышленные разработки нефтяных и газовых месторождений, захоронения бытовых и промышленных отходов и т.д. По своему парниковому эффекту метан в десятки раз превосходит двуокись углерода. Но CO₂ тяжелее воздуха и потому скапливается непосредственно у поверхности Земли и при этом еще "утилизируется" растениями. Метан легче воздуха и поднимается вверх до 10-12 км. При этом часть молекул метана под воздействием солнечной радиации и атмосферного кислорода и озона разлагаются на молекулы воды, которые под действием конвективных потоков поднимаются еще выше, до 70-80 км. Там они, конденсируясь на метеорной пыли, и порождают серебристые облака. Таким образом, ученые считают, что серебристые облака могут быть своего рода индикатором чрезмерного скопления метана и последующего за этим глобального потепления из-за парникового эффекта.

Исследования серебристых облаков продолжаются. "Ночные светящиеся облака", или "полярные мезосферные облака", как их еще называют, служат главным источником информации о перемещении воздушных масс в верхних слоях атмосферы, что делает их изучение еще более насущной и важной задачей. Именно эту цель и преследует проект PoSSUM (Polar Suborbital Science in the Upper Mesosphere) под руководством Джейсона Раймуллера. Исследователь поясняет: "Идея состоит в том, чтобы создать лабораторию для изучения серебристых облаков. Речь идет о портативной лаборатории, которая размещалась бы на борту летательного аппарата и производила бы нужные нам измерения во время суборбитального полета. Один из самых важных приборов этой лаборатории -  лазерный радар. Рассеяние лазерных импульсов на весьма редких на этой высоте молекулах озона, азота, кислорода, аргона и углекислого газа позволит отслеживать протекающие в мезосфере термодинамические процессы." Проект PoSSUM предусматривает распыление в мезосфере триметилалюминия - причем регистрировать светящиеся шлейфы предполагается не с поверхности земли, как это происходило ранее в рамках проекта ATREX, а с борта самолетов на высоте около 6,5 тысяч метров.