Тайна серебристых облаков. М. Назиров

Художник В. ЛОГИНОВ

Таинственные облака эти показываются людям лишь в лучах утренней или вечерней зари, когда они ярко светятся в сумеречном небе белым и серебристым светом. Отсюда и название их - серебристые облака. Считается, что они впервые открыты вечером 12 июня 1885 г. известным русским астрономом В. К. Цераским. Но, как выяснилось впоследствии, за 4 дня до него, 8 июня, серебристые облака (возможно, те же самые) наблюдал также в Германии Т. Бакгауз, а 10 июня в Праге - Ласка.

После захода Солнца, когда начинаются сумерки, или перед его восходом, когда пробуждается утренняя заря, нижние слои атмосферы не освещаются прямыми солнечными лучами (см. рис. на стр. 20). В этом случае, зная угол погружения Солнца за горизонт, можно прикинуть высоту облаков. Она составит около 82 км. А высота обычных облаков ограничивается 10-15 км. Поэтому, когда обычные и серебристые облака наблюдаются одновременно из точки О (как это показано на схеме пунктирными линиями), первые, будучи в тени Земли, выделяются темной массой на фоне располагающихся выше этой тени и потому ярко освещенных серебристых облаков. Такие случаи удавалось фотографировать. На фото (стр. 23) можно видеть красочное сочетание темных, почти черных, обычных облаков с переливающими белизной серебристыми облаками, которые особенно эффектны при отражении в воде.

Прошло уже почти 90 лет со дня открытия этих облаков, а природа их до сих пор остается неизвестной, несмотря на энергичные усилия ученых всего мира. Дело в том, что в отличие от обычных серебристые облака имеют пока необъяснимые особенности.

Во-первых, они появляются всегда на одной и той же высоте. Во-вторых, наблюдаются только в определенное время года - с апреля по октябрь, а чаще всего в июле в северном полушарии и январе - в южном. В-третьих, они как будто бы не выходят за пределы широтной зоны 45-65° (рис. на стр. 21). Этими своими особенностями серебристые облака и привлекают внимание все большего числа ученых, особенно в последнее десятилетие.

Удивительную своим постоянством высоту серебристых облаков некоторые ученые объясняют тем, что они образуются путем сгущения водяного пара. При этом принимают во внимание соотношение между парциальным (частичным) давлением собственно водяного пара, или, иначе говоря, упругости водяного пара Е (см. схему на стр. 22) и давлением воздуха в атмосфере Р. На схеме двумя кривыми показаны величины атмосферного давления на разных высотах, а также давления водяного пара, когда он при наблюдающихся на этих высотах температурах может насыщать воздух и образовывать облака, то есть величины упругости насыщения водяного пара Е. Места пересечения кривых Р и Е (что связано с температурной инверсией) определяют высоты, где возможно образование облаков и где оно невозможно.

Известно, что полное, или общее, атмосферное давление Р представляет собой сумму парциальных давлений всех газов, входящих в состав воздуха. Следовательно, на любой высоте упругость водяных паров Е всегда меньше атмосферного давления Р. Отсюда, например, следует, что если на высоте, скажем, 40 км Р меньше Е (как это видно из схемы на стр. 22), то ни при каких возможных количествах водяного пара воздух на высоте 40 км не может быть насыщенным. Следовательно, на этой высоте немыслимо образование облаков.

Судя по указанной схеме, такой сухой слой, где Р<Е, простирается в атмосфере от 33 до 79 км и выше 84 км. Ниже 33 км и вплоть до земной поверхности, где Р>Е, облака могут образоваться. Облака, носящие еще одно красивое название - перламутровые, встречаются главным образом на высотах 22-27 км. Серебристые же облака сосредоточены на высоте от 79 до 84 км, где также Р>Е.

Как же попадает водяной пар на такие большие высоты? Ответить однозначно на этот вопрос пока что не представляется возможным. Одни ученые считают, что водяной пар может подняться сюда из тропосферы, другие доказывают возможность образования молекул воды непосредственно в верхних слоях атмосферы благодаря реакции соединения атомов водорода и кислорода под действием солнечного излучения. Но важно то, что захваченные с помощью метеорологических ракет частички серебристых облаков действительно содержали воду в виде ледяной оболочки вокруг ядер, состоящих из железа и никеля, как и в метеоритах. Последний факт говорит в пользу сторонников пылевой гипотезы, которые считают, что серебристые облака - это частички пыли преимущественно космического происхождения. Сюда же может быть отнесена также гипотеза образования серебристых облаков из вулканической пыли при извержениях земных вулканов.

Как видно из вышесказанного, возможен лишь компромиссный подход к проблеме происхождения серебристых облаков. Вероятнее всего, пылевые частички космического и вулканического происхождения являются ядрами конденсации, без которых, кстати, затруднительно образование ледяных кристаллов даже при наличии в воздухе достаточного количества водяного пара. Интенсивные и разнообразные фотохимические реакции, происходящие на высотах 70-100 км с участием водорода в виде Н, H₂ и водородосодержащих молекул ОН, H₂О и других, также могут иметь прямое отношение к теории образования серебристых облаков. Образование серебристых облаков может находиться в зависимости и от гидродинамических процессов, происходящих в мезосфере, стратосфере, а возможно и в тропосфере.

На фоне освещенных солнцем серебристых облаков обычные облака выглядят почти черными пятнами. Вся эта картина отражается на водной поверхности

Меньше данных о второй особенности серебристых облаков - сезонности их появления. То обстоятельство, что в глобальном масштабе образование серебристых облаков совпадает с летними сезонами каждого полушария, наводит на мысль о возможной связи частоты появления серебристых облаков с метеорологическими процессами. Подсчеты показывают, что наблюдающийся в атмосфере турбулентный поток способен самостоятельно без помощи других компонентов поддерживать на этих высотах высокие значения относительного влагосодержания. Но одними метеорологическими условиями нельзя объяснить, почему серебристые облака появляются в определенное время года. Здесь, вероятно, действует целый комплекс факторов, каждый из которых в отдельности хотя и необходим, но недостаточен для объяснения того, почему серебристые облака предпочитают теплое полугодие.

Наконец, о третьей особенности серебристых облаков - ограниченности зоны их распространения. Надо сказать, что за последние годы произошло существенное увеличение этой зоны благодаря расширению фронта наблюдений за серебристыми облаками. Ведь еще совсем недавно считалось, что эти облака облюбовали себе только северное полушарие и не встречаются в южном. А оказалось, что в южном полушарии просто не было за ними наблюдений. Этой же ограниченностью наших сведений, по-видимому, объясняется и то, что зоны распространения серебристых облаков относили только к умеренным широтам. Между тем есть сообщения о том, что в атмосфере выше 80 км появляются куполообразные (вообще говоря, редкие для этих высот) формы облаков, которые тянутся вдоль дуги, простирающейся от Персидского залива через Аравию и Эфиопию до Уганды. А это уже тропическая и экваториальная зоны (от 30° до 0° с. ш.).

Интересно, что как бы на продолжении указанной дуги на северо-восток от Персидского залива, через Каспийское и Аральское моря на Балхаш 4 апреля 1968 г. наблюдалось грандиозное и необычное облачное поле, которое удалось сфотографировать с помощью метеорологического искусственного спутника Земли (фото на стр. 25). Никакими известными метеорологическими тропосферными процессами не удалось в данном случае объяснить внезапное появление и столь же быстрое исчезновение (примерно через 2 часа) такого обширнейшего облачного шлейфа. Остается предположить, что здесь мы, вероятно, имеем дело с серебристыми или по крайней мере перламутровыми облаками.

Искусственный спутник Земли зафиксировал над Средней Азией шлейф однородной серебристой облачности, необычной для конкретных метеорологических условий

Надо заметить, что на фотографиях, полученных со спутников, серебристые облака фиксируются, по-видимому, гораздо чаще, только мы, вероятно, отождествляем их с обычными тропосферными облаками. В связи с этим ученые возлагали большие надежды на искусственные спутники Земли, полагая, что с их помощью можно будет досконально изучить серебристые облака. Ведь, будучи самым верхним облачным слоем нашей планеты, они, казалось, отчетливо должны быть видны из космоса по контрастному блеску на фоне Земли. Но проблема эта оказалась неожиданно сложной. И вот почему.

Поскольку высота серебристых облаков столь постоянна, можно считать, что скорость оседания облачных частиц незначительна, - не более 1 км за несколько часов. А это возможно только в том случае, если облака состоят из частичек, радиус которых составляет величину порядка 0,0002 мм. Более крупные частицы не могли бы на этих высотах находиться во взвешенном состоянии, а стали бы упорядоченно опускаться. А это привело бы к заметному снижению высоты серебристых облаков. Такое предположение о миниатюрности частиц, составляющих серебристые облака, подтверждается данными о цвете этих облаков. Установлено, что рассеянный ими свет относительно богаче синими, чем красными, лучами, в результате чего через синий светофильтр они видны хорошо, а через красный еле просматриваются. Отсюда, кстати, ясно, почему серебристые облака до сих пор не обнаружены на инфракрасных фотографиях, получаемых со спутников.

Все это указывает на то, что размер частиц серебристых облаков настолько мал, что они не могут (в соответствии с законами физики) рассеивать ту часть световой волны, к которой приспособлен человеческий глаз и благодаря которой мы можем видеть те или иные объекты. Длина этой "видимой" части световой волны, как известно, заключена в пределах 0,0004-0,0007 мм. Эти цифры превосходят приведенное выше значение среднего радиуса частиц серебристых облаков (0,0002 мм). Обычные же облака состоят в основном из частиц радиусом порядка 0,001-0,01 мм, т. е. больше длины "видимой" части световой волны. Поэтому они рассеивают этот свет и становятся видимыми невооруженным глазом.

Серебристые облака имеют в большинстве случаев еще и малую плотность, такую малую, что сквозь них звезды просматриваются свободно и почти не ослабляют своего блеска. Очевидно, что обнаружение такой тонкой пелены серебристых облаков с помощью телевизионных ("видимых") фотографий, получаемых со спутников, - задача не из легких, несмотря на то что они порой покрывают территорию в десятки и сотни тысяч квадратных километров. На этих фотографиях серебристые облака должны фиксироваться лишь в исключительных случаях, когда их плотность почему-либо существенно увеличилась. Вероятно, изображение их на фото (стр. 25) относится к одному из таких случаев.

Если ставить задачу планомерного и целенаправленного изучения серебристых облаков с помощью спутниковых фотографий, то ясно, что для этого должны быть использованы специальные ультракоротковолновые датчики, изготовленные с учетом упомянутых выше спектральных характеристик этих облаков. А изучение их - не праздное любопытство ученых. Выяснив природу серебристых облаков, уточнив направление и скорость их движения, установив характер наблюдающихся на тех же высотах волновых движений и, наконец, получив достоверные сведения о составе и пространственном распределении этих облаков, мы, возможно, получим важные и нужные сведения для понимания аналогичных явлений на других планетах, таких, как зональные полосы на Юпитере и Сатурне, так называемые внешние облака на Марсе и другие.

В этом смысле интересна, например, некоторая аналогия между серебристыми облаками на Земле и облачным покровом планеты Венера. Измерения, произведенные по трассе спуска автоматических аппаратов при их посадке на поверхность Венеры, показали, что условия, благоприятные для образования облаков, существуют там на слишком большой высоте. Похоже, что в атмосфере Венеры вообще нет температурных условий для возникновения облаков по типу земных, тропосферных. Вся имевшаяся на этой планете влага когда-то, по-видимому, испарилась и перенеслась на очень большие высоты, где она теперь витает в виде облакообразной массы, никогда не сгущающейся настолько (как и земные серебристые облака), чтобы дать какие-либо осадки. А раз так, то на Венере не должно быть и воды, как таковой.

Изучение серебристых облаков важно и с точки зрения чисто земных проблем. Перемещаясь вместе с воздушными потоками, эти облака позволяют определить, куда и с какой скоростью дует на их уровне ветер. А так как процессы, происходящие в высоких и низких слоях атмосферы, тесно связаны, то "поведение" серебристых облаков очень важно знать для более точного прогнозирования погоды. Не исключено, что результаты исследования серебристых облаков могут найти применение, как это нередко случается в науке, в самых неожиданных областях человеческой деятельности.