Серебристые облака

 

 

Метеорно-метеоритная и конденсационная ледяная гипотеза образования серебристых облаков

 

Как уже говорилось в § 1, первые предположения о природе серебристых облаков связывались с извержением вулкана Кракатау 27 августа 1883 г. Громадное количество вулканической пыли, выброшенной в атмосферу при этом катастрофическом извержении (по оценкам ученых, около 35 миллионов тонн), могло образовать и не такие облака. Но от извержения Кракатау до первого появления серебристых облаков в июне 1885 г. прошло почти два года, а главное, – после других катастрофических извержений вулканов (Мон Пеле, 1902 г.; Катмаи, 1912 г.; Квицопу, 1932 г.) серебристые облака не наблюдались.

 

Спустя полвека, уже в 20 е годы нашего столетия, известный исследователь метеоритов Л. А. Кулик выдвинул метеорно-метеоритную гипотезу образования серебристых облаков. Яркие серебристые облака, наблюдавшиеся в течение нескольких ночей подряд сразу после падения знаменитого Тунгусского метеорита, навели ученого на мысль, что это совпадение неслучайно, и частицы серебристых облаков – это мельчайшие осколки метеорита, образовавшиеся при его дроблении в атмосфере, а также взметенные вверх а результате взрыва при ударе метеорита (как тогда полагали) о Землю. Позже Л. А. Кулик пришел к выводу, что не только гигантские метеориты, но и обычные метеоры, дробясь и испаряясь в атмосфере, порождают частички метеорной пыли, которые мы и наблюдаем в виде серебристых облаков. Этим Л. А. Кулик стремился объяснить случаи появления серебристых облаков в годы, когда падения метеоритов не наблюдались.

 

Метеорная гипотеза пользовалась большой популярностью в течение почти 30 лет – до середины 50 х годов, когда она была вынуждена сойти со сцены, потому что не могла дать ответ на целый ряд вопросов, относившихся к условиям появления и структуре серебристых  облаков:

 

1) Почему они появляются в узком интервале высот с устойчивым средним значением 82–83 км?

 

2) Почему они наблюдаются только летом и только в средних широтах?

 

3) Почему они имеют характерную тонкую структуру, очень похожую на структуру пористых облаков?

 

Ответ на эти три вопроса дала конденсационная (ледяная) гипотеза, не раз высказывавшаяся разными лицами в разные годы, но получившая серьезное количественное обоснование лишь в 1952 г. в работе И. А. Хвостикова.

 

Ход рассуждений И. А. Хвостикова был примерно таков. По внешнему виду серебристые облака очень похожи на перистые, которые, как хорошо известно, состоят из кристалликов льда. Значит, и для серебристых облаков можно предположить такое же строение. Но для того чтобы водяной пар в атмосфере мог конденсироваться в лед, нужны определенные условия. Именно, парциальное давление водяного пара р Н2О в атмосфере должно превосходить упругость насыщенного пара над льдом при данной температуре Е (Т). Между тем

р Н2О= q ∙P , (17)

где q  – удельная концентрация водяного пара (отношение его концентрации к плотности воздуха), Р  – давление атмосферы на дайной высоте. Упругость насыщенного пара резко падает с понижением температуры. Таким образом, необходимое и достаточное условие для конденсации водяною пара в кристаллики льда, согласно И. А. Хвостикову, выглядит так:

q ∙P  < Е (Т). ()

И. А. Хвостиков построил по известным тогда данным о строении верхних слоев атмосферы кривые изменения давления Р  и упругости насыщенного пара E  с высотой. Получилась такая картина ().

Вся атмосфера делится по высоте на четыре области:

– область I  (от поверхности до высоты 30 км), где Р  > Е  и наблюдаются обычные тропосферные, а также перламутровые облака, появляющиеся иногда на высотах 22÷30 км;

– область II  между высотами 30÷75 км, где Р  < Е и никакие облака никогда не наблюдались;

– узкая область III  в интервале высот 75÷85 км, где и наблюдаются серебристые облака и где снова выполняется условие Р  > Е ;

– область IV  выше 85 км, где опять становится Р  < Е  и облака не наблюдаются.

 

Работа И. А. Хвостикова произвела большое впечатление, но и вызвала сильную критику со стороны приверженцев метеорной гипотезы происхождения серебристых облаков. Они указывали, в частности, что в области III  условие Р  > Е хотя и выполняется, но держится буквально «на волоске»: стоит температуре в мезопаузе немного повыситься, и условие Р  > Е  выполняться не будет. Кроме того, условие Р  > Е  – необходимое, но недостаточное для конденсации водяного пара; достаточным является условие (18), а величина q  – малое число. Иначе говоря, если даже общее давление воздуха будет больше упругости насыщенного пара, парциальное давление водяного пара может оказаться недостаточным, чтобы процесс конденсации имел место.

 

В то время данных о температуре мезопаузы было очень мало. В 30 е годы господствовало представление о довольно высоких температурах в этой области атмосферы – около 300 К и более. Температуру определяли косвенными методами: по скорости распространения звука от сильных взрывов, по торможению метеоров и т. д. Запуски ракет с приборами в верхние слои атмосферы в конце 40 х – начале 50 х годов значительно изменили наши сведения о температуре мезопаузы в сторону ее существенного понижения.

 

Так, в «экспериментальной схеме атмосферы» Национального совещательного комитета по аэронавтике США (NACA), опубликованной в начале 1947 г., минимальная температура мезопаузы была определена в 240 К. Но уже полет исследовательской ракеты 7 марта 1947 г. Дал минимальную температуру 200 К, а обработка наблюдений распространения звуковых волн от сильного взрыва на о. Гельголанд 18 апреля 1947 г, дала Т min= 173 К. В 1953–1954 гг  были опубликованы средние кривые распределения температуры, дававшие Т min= 190÷195 К.

 

Но вскоре стало ясно, что в мезопаузе могут наблюдаться и гораздо более низкие температуры. В 1957 г. были опубликованы результаты большой серии советских ракетных экспериментов, проводившихся под руководством В. В. Михневич в европейской части СССР с июня по сентябрь, т. е. в тот сезон и на тех широтах, когда и где наблюдаются серебристые облака. Был зарегистрирован четкий минимум температуры на высоте 80–85 км с Т min= 150 К. Годом позже бельгийский аэролог М. Николе на основании анализа поглощения рентгеновских лучей на больших высотах получил Т min= 160 К. Наконец, запуски ракет, проведенные в летний период 1958 г. Морской исследовательской лабораторией США в форте Черчилль (широта около 59°), показали Т min= 165 К.

 

Сопоставление всех этих результатов с более высокими значениями температуры мезопаузы, полученными ранее американскими учеными по запускам ракет с полигона Уайт Сэндс (широта 33°), позволило автору этой книги в августе 1958 г. предложить объяснение сезонного и широтного эффектов появлений серебристых облаков тем, что именно на средних широтах в летнее время года в мезопаузе происходит понижение температуры до крайне низких значений 150÷165 К.

 

Новая диаграмма ( 28) типа построенной в 1952 г. И. А. Хвостиковым показывала теперь уже гораздо более широкий и длинный «язык» в области III  в мезопаузе, обеспечивающий выполнение условия (18) даже при очень малых значениях q , а значит, и возможность формирования в этой области серебристых облаков.

 

Но нужно было еще дать ответ на прямой вопрос: существует ли на столь большой высоте водяной пар в количестве, достаточном для образования серебристых облаков? Иначе говоря, не слишком ли мало значение q ?

 

Серия измерений концентраций водяного пара в стратосфере, на высотах от 16 до 40 км, проведенными разными авторами в 1949–1962 гг., давала максимальные значения q  = 3∙10 4, хотя некоторые измерения показывали значения, в 10–15 раз меньшие. Но если водяной пар проникает в верхние слои атмосферы из нижних слоев, то казалось, что на высоте 80 км q  должно быть еще меньше.

 

Однако еще в 50 е годы обнаружился факт, косвенно свидетельствовавший о наличии на высотах 80–90 км какого то максимума содержания паров воды. Это было свечение гидроксила ОН, открытое в 1950 г. независимо советскими учеными И. С. Шкловским и В. И. Красовскнм и американским ученым А. Мейнелом.

 

В 1955 г. Морская исследовательская лаборатория США организовала серию запусков ракет со спектрографами для изучения спектров свечения неба на разных высотах. По результатам изучения полученных спектров удалось построить график распределения излучения гидроксила ОН по высоте ( 29). Этот график показал четкий максимум на высотах 80÷88 км, т. е. как раз в зоне образования серебристых облаков.

 

Но гидроксил может образовываться за счет фотодиссоциации водяного пара под действием ультрафиолетовых лучей в континууме Шумана Рунге (см. § 2). Другим продуктом фотодиссоциации молекул Н2О) является атомарный водород, который, в свою очередь, соединяясь с молекулами кислорода или озона, может образовывать возбужденные молекулы гидроксила.

 

В 1965 г. советский геофизик Н. Н. Шефов установил прямую зависимость между интенсивностью полос излучения гидроксила и появлениями серебристых облаков.

В 1964–1965 гг. в Центральной аэрологической обсерватории (СССР) были впервые организованы прямые ракетные измерения концентрации водяного пара в интервале высот 70÷90 км. Приборы были сконструированы так, что всякая возможность загрязнения посторонними примесями или заноса водяного пара снизу исключалась. Результаты, опубликованные А. В. Федынским и С. П. Перовым в 1967–1968 гг., превзошли все ожидания: величина q  достигала на высотах 75÷80 км четкого максимума, заключенного между 10 2 и 10 3. Эти результаты были вскоре подтверждена другими методами Г. М. Мартынкевичем и его сотрудниками.

 

В 1974 г. немецкий ученый Д. Зоннтаг собрал все данные по концентрации водяного пара в атмосфере до высот 100 км. Его результаты показаны на  30 широкой заштрихованной полосой.

 

Можно видеть, что величина q наибольших высотах растет  (изолинии равных q , нанесены на график), достигая на высоте 75 км примерно 4∙10 3. Здесь же нанесены результаты А. В. Федынского и С. П, Перова и некоторых других исследователей.

Расхождения между результатами разных исследователей побудили А. В. Федынского изучить вопрос о зависимости величины q  от сезона и широты места, с которыми, как мы знаем, тесно связано формирование серебристых облаков. Результаты показали отчетливый максимум q  в июле – августе и минимум в январе – феврале (в северном полушарии). Влажность в мезопаузе в средних широтах всегда больше, чем над тропической зоной. Над средними широтами влажность растет с высотой, начиная от высот 25÷30 км.

 

Таким образом, важный факт повышения влажности (т. е. величины q ) в те сезоны, над теми широтами и на том уровне, где образуются серебристые облака, был надежно установлен. Но нужно было еще дать объяснение этому факту. В 60 е годы было предложено два объяснения этого явления.

 

Одно из них, более простое, состоит в том, что выше 25–30 км на средних широтах в летнее время года наблюдаются восходящие токи воздуха, которые переносят водяной пар в область мезопаузы, где он и вымерзает, образуя серебристые облака. Недостаток Н2О компенсируется новым притоком пара снизу, и процесс продолжается. На других широтах и в другие сезоны восходящие токи либо не возникают, либо подавляются отсутствием вымораживания (температуры для которого слишком высоки). Исследование И. А. Хвостикова и И. М. Кравченко, выполненное в 1967 г., показало, что при скорости восходящих токов 1 см/с удельная влажность выше 70 км будет значительно больше, чем при их отсутствии. Учет вымерзания водяного пара позволяет объяснить не только поддержание, но и рост влажности с высотой.

 

Другое объяснение – более интересное. Оно состоит в том, что водяной пар на больших высотах образуется при взаимодействии атомов водорода, летящих к Земле от Солнца, с атомами кислорода верхних слоев земной атмосферы. Эта идея, впервые высказанная в 1933 г. норвежским геофизиком Л. Вегардом и поддержанная в 1952 г. И. А. Хвостиковым, получила количественное обоснование в 1961 г. в работе французского ученого К. де Турвиля.

 

Де Турвиль подсчитал количество водорода, которое захватывается магнитосферой Земли (в составе солнечного ветра летят не нейтральные атомы, а ионы водорода – протоны). Этот процесс захвата называется аккрецией . Расчеты де Турвиля привели к оценке скорости аккреции на всю Землю 1,7∙106 г/с. Но анализ этого вопроса, проведенный в 1966 г. И. Л. Хвостиковым, показал, что оценка де Турвиля завышена в 100, а то и в 1000 раз, так что более реальный уровень притока водорода на всю Землю составляет 1,5∙102÷1,5∙104 г/с, а на единицу поверхности – около 2∙10 15 г/см2∙с ~= 104 атомов/см2∙с. Такой приток водорода почти в 40 раз превосходит его потерю за счет диссипации (ускользания) из верхних слоев атмосферы. Куда же девается остальная часть атомов водорода? Очевидно, они вступают в химические реакции с атомами атмосферы. Две из них, а именно,

H  + H  + M  – > H 2 + M  + 431 дж, (19)

H 2 + O  + M  – > H 2O  + M  (20)

приводят к образованию молекул Н2O. В приведенных формулах М  означает любой атмосферный атом, столкновение с которым ускоряет реакцию; 431 Дж – выход энергии в первой реакции, которая является, таким образом, экзотермической.

 

Весь этот механизм получил, по предложению американского исследователя В. Хаурвица, название «солнечный дождь».

 

Способен ли «солнечный дождь» обеспечить повышенную влажность мезопаузы? Примем необходимое для образования серебристых облаков значение q  =10 3. Тогда количество осажденной воды над уровнем 70 км составит столбик всего 1 мкм, масса которого (при площади 1 см2) будет равна 10 4 г/см2. Из этой массы 8 9 поставляет атмосферный кислород, которого вполне достаточно. На долю солнечного водорода остается 10 5 г/см2. Такое количество солнечный ветер принесет за 5∙109 с = 150 лет, что, конечно, многовато. Поэтому гипотеза «солнечного дождя», несмотря на всю ее привлекательность, вряд ли может объяснить повышенную влажность мезопаузы, если приведенные выше оценки аккреции водорода из солнечного ветра не будут существенно пересмотрены в сторону их увеличения хотя бы до значений, принятых де Турвилем.

 

Основным механизмом, регулирующим влажность в области мезопаузы, по видимому, следует считать систему восходящих токов в стратосфере.

 

Но нужно было решить еще один вопрос, который противники конденсационной гипотезы считали (в конце 50 х годов) чуть ли не камнем преткновения для ее обоснования.

Речь идет о тепловом режиме частиц серебристых облаков, в частности, – ледяных кристалликов. По мнению америьанских ученых Е. Вестина и Д. Дейрменджяпа, солнечные лучи и тепло Земли должны были заставлять кристаллики льда испариться, так что они не могли быть устойчивыми.

 

В 1961 г. автор этой книги подверг критике метод расчета Вестона и Дейрменджяпа, показав, что они получили завышенные значения средней температуры льда в мезопаузе. В 1970 г. он же выполнил более строгое рассмотрение этого вопроса. В самом деле, составим уравнение лучистого равновесия ледяной частицы. Источниками ее нагрева, вообще говоря, могут быть:

 

1) излучение Солнца в непрерывном спектре 

2) излучение Солнца в линиях Q УФ,

3) корпускулярное излучение Солнца Q кop,

4) длинноволновое излучение Земли и нижних слоев атмосферы 

5) тепло, выделяющееся при рекомбинации кислорода на частице, Q peк.

Частица в свою очередь отдает тепло окружающей среде путем излучения (Q изл) и теплопроводности – при столкновениях с атомами и молекулами воздуха (Q τ). Следовательно, наше уравнение должно иметь вид

 

Автор оценил все слагаемые в левой части. Оказалось, что Q УФ и Q кop никогда не превышают 10 эрг/см2∙с, Q peк = 4∙103 эрг/см2∙с, 

 = 1,7∙104 эрг/см2∙с, 

 = 2∙105 эрг/см2∙с.

 

Таким образом, главной составляющей притока тепла для кристаллика льда является не солнечное излучение, а длинноволновое излучение Земли. Причина этого заключается в том, что мелкие кристаллики льда (<1 мкм) практически прозрачны для видимых лучей. Основной вклад в их нагрев лучами Солнца создает длинноволновый «хвост» солнечного излучения на волнах 2÷13 мкм. Но излучение Земли на этих же волнах более интенсивно, чем солнечное, – на целый порядок. Таким образом, общее тепло, поглощаемое ледяной частицей, составляет 2,2∙105 эрг/см2∙с.

Как же частица теряет тепло? Отдача тепла излучением зависит в основном от температуры частицы и равна

Q изл = 4∙ε ∙σ ∙Т 4, (22)

где ε  – коэффициент излучения, σ – постоянная Стефана Больцмана, множитель 4 означает, что частица излучает со всей поверхности, равной для шара 4π∙r 2, тогда как все притоки тепла мы рассчитывали на поверхность его миделя (π∙r 2). Отдача тепла теплопроводностью зависит от разности  температур частицы и окружающей среды. Приняв последнюю равной 160 К и вычисляя и Q изли Q τможно найти, при какой температуре частицы их сумма станет равной притоку тепла, найденному выше. Эта температура оказалась равной 170 К на высоте 80 км и 178 К на высоте 90 км. Оба эти значения лежат ниже точки инея водяного пара (192 К); иначе говоря, ледяные частицы в этих условиях испаряться не должны.

 

Так работами советских ученых за два десятилетия была обоснована конденсационная гипотеза происхождения серебристых облаков.

 

Оставалось выяснить, какие частицы служат ядрами конденсации, и… поймать эти частицы, рассмотреть их в лаборатории. Несмотря ка все трудности, и эти задачи были успешно решены.

 

Серебристые облака

серебристые облака 

К содержанию книги: Бронштен. Серебристые облака и их наблюдение

 

Смотрите также:

 

Серебристые облака. Порфирины биокатализаторы...  Откуда взялась вода на Земле из комет