Сумеречный метод

Быстрое изменение освещенности во время сумерек и возможность в любой момент сумерек и в любом направлении точно определить, на какой высоте проходит тень Земли (терминатор), т. е. какие слои в этот момент выключаются из освещения солнечным светом или, наоборот, начинают им освещаться, делают сумеречные наблюдения особенно ценными для исследования вертикальной структуры атмосферы.

Сумеречный метод впервые был предложен в 1923 г. В. Г. Фесенковым и получил дальнейшее развитие в исследованиях Н. М. Штауде. Большой вклад в теоретическое обоснование, совершенствование и применение метода был сделан Г. В. Розенбергом.

Для ознакомления с идеей метода вернемся к рис. 13.1. Сумеречный метод заключается в измерении яркости неба, т. е. яркости рассеянного света, поступающего из определенного выбранного направления на небосвод на протяжении сумерек. Рассеянный свет в точку Л, где находится наблюдатель, посылает вся атмосфера, лежащая выше терминатора, но практически оказывается, что хотя и освещена большая толща атмосферы, но львиную долю света посылает сравнительно небольшой по толщине слой - порядка 20 км. Центр тяжести этого слоя лежит выше терминатора над местом захода Солнца примерно на 20 км. Этот слой является эффективным рассеивающим слоем в любой момент сумерек. Он был назван поэтому сумеречным слоем. Пучок солнечных лучей, падающий на этот слой и вносящий главный вклад в яркость сумеречного неба в любом направлении, назвали сумеречным лучом.

Сумеречный слой ограничен сверху вследствие быстрого убывания плотности воздуха с высотой. Хотя вышележащие слои хорошо освещены солнечными лучами, этим лучам "не на чем рассеиваться", так как в указанных слоях мала плотность воздуха. Сумеречный слой ограничен снизу вследствие быстрого возрастания показателя ослабления лучей в направлении земной поверхности. Все нижележащие слои также не посылают рассеянного света - им "нечего рассеивать", так как лучи доходят до них слишком ослабленными. На рис. 13.1 сумеречный луч показан двойным пунктиром (SS'). Сумеречный луч всегда проходит над местом захода Солнца на высоте порядка 20 км. Высоту эффективного рассеивающего слоя в любой момент сумерек наиболее просто определить в направлении на зенит по формуле (13.1), прибавив к полученной высоте еще 20 км. Ошибка, которую мы делаем в вычислениях, невелика, поскольку при небольших углах погружения Солнца, для которых применим этот метод (до 10 - 12°), cosc = 1. При опускании Солнца под горизонт сумеречный луч поднимается все выше и выше, зондируя таким образом атмосферу.

Если сумеречный луч пересекает аэрозольный слой, то яркость рассеянного света скачком увеличивается. Поэтому по результатам сумеречного зондирования можно выявить аэрозольные слои, определить их высоту, вертикальную протяженность. Зондирование атмосферы сумеречным методом проводится начиная с высоты 20 - 30 км и до высоты 100 - 120 км.

Изложенное выше о сумеречном слое и сумеречном луче дает лишь первое, наглядное, но относительно грубое представление о процессах рассеяния, происходящих во время сумерек, и о простейшем сумеречном методе. Разработаны и применяются другие, более совершенные, но и более сложные методы сумеречного зондирования атмосферы, например метод эффективных высот земной тени Г. В. Розенберга.

Спектральные и поляризационные наблюдения сумеречным методом принесли много неожиданных и интересных данных о составе и свойствах атмосферы на разных высотах. Например, была обнаружена сумеречная "вспышка" двойной желтой линии натрия. Каждый школьник знает о таком явлении: если на горящий газ или свечку бросить щепотку поваренной соли, в пламени появляются желтые язычки. Это светится натрий. Желтая линия натрия имела максимальную яркость, когда земная тень (терминатор) достигала высот 50 - 60 км. Значит, слой максимальной концентрации атомов натрия лежал на высоте 70 - 80 км. Позже были обнаружены более слабые сумеречные вспышки других атомов и молекул, входящих в состав воздуха на разных высотах: молекул ионизированного азота (N₂⁺), системы полос гидроксила (ОН), красной линии атомарного кислорода (О), полос молекулярного кислорода (О₂), лития (Li), гелия (Не) и других. Было обнаружено, таким образом, сумеречное излучение атмосферы. Невидимое с Земли, оно хорошо видно из космоса в виде светящегося ореола над сумеречным горизонтом Земли. Свечение сумеречной атмосферы иногда приобретает характерный вид, названный "эффектом усов" (рис. 13.2).

Рис. 13.2. Свечение атмосферы в сумерки и ночью по наблюдениям с космического корабля 'Союз-9' в июне 1970 г. 1 - Земля, 2 - яркий слой у ночного горизонта, 3 - слой ночного свечения атмосферы, 4 - яркая верхняя граница ночного свечения атмосферы, 5 - область вертикально-лучевой структуры, 6 - сумеречный орел