Книга: Серебристые облака и их наблюдение

§ 8. Ядра конденсации. Теория и эксперименты

§ 8. Ядра конденсации. Теория и эксперименты

Как хорошо известно, конденсация водяного пара в капельки тропосферных облаков обычно не происходит сама собой — необходимы так называемые ядра конденсации. Причина этого состоит в том, что давление пара, требуемое для конденсации в очень маленькую капельку, может в несколько раз превышать давление насыщенного пара над плоской поверхностью. Только при перенасыщении в пять и более раз может начаться спонтанная конденсация и в совершенно чистом воздухе (без ядер). Ядра конденсации, каковыми обычно являются мельчайшие пылинки или кристаллики морской соли, имеют уже достаточные размеры, чтобы конденсация на них происходила.

Ядра конденсации принято делить на ядра Айткена (0,005?0,1 мкм), тяжелые (0,1?1 мкм) и сверхтяжелые (1?20 мкм). Ядра Айткена, хотя и самые многочисленные (в приземном слое воздуха их тысячи на кубический сантиметр), из-за своих малых размеров не играют существенной роли как ядра конденсации в обычных тропосферных облаках. Основную роль играют тяжелые ядра, имеющие как природное, так и промышленное происхождение. Сверхтяжелые ядра, состоящие в основном из кристалликов морской соли, играют роль при образовании капель облаков в морских районах.

Какие же частицы служат ядрами конденсации при образовании серебристых облаков? В разное время по этому вопросу высказывались самые различные предположения: частицы вулканической пыли, кристаллики морской соли, наконец, метеорные частицы. Гипотеза о том, что именно метеорные частицы служат ядрами конденсации при образовании серебристых облаков, была впервые высказана в 1926 г. Л. А. Куликом, но осталась незамеченной на фоне его же гипотезы о чисто метеорном происхождении этих облаков, В 1950 г. ее вновь независимо выдвинул автор этой книги (работа Л. А. Кулика нам тогда не была известна), и с тех пор эта точка зрения нашла поддержку почти у всех исследователей серебристых облаков.

В самом деле, разрушение метеорных тел, проникающих в земную атмосферу и наблюдаемых в виде метеоров, происходит в основном как раз над мезопаузой, на высотах 120?80 км. Те тела, которые создают на небе привычное нам явление метеора, имеют массу от нескольких граммов до 10^-6 г; более слабым метеорам, наблюдаемым в бинокль или телескоп, соответствуют массы от 10^-6 до 10^-9 г; еще более слабым, регистрируемым с помощью радиолокации, — до 10^-12 г. Еще меньшие тела тормозятся в атмосфере, до того как разогреются настолько, чтобы качалось их испарение[4]). Такие тела называются микрометеоритами. По размерам они соответствуют тяжелым и сверхтяжелым ядрам конденсации.

Но кроме микрометеоритов, поставщиками ядер конденсации могут быть и более крупные метеорные тела, поскольку они дробятся в атмосфере. Одной из форм их дробления является так называемое шелушение, когда с поверхности летящего тела откалываются мельчайшие осколки («щепки»). Кроме того, происходит плавление самого метеороида (метеорного тела), причем расплавленная пленка сдувается с него набегающим потоком воздуха в виде капель. Застывая, они превращаются в шарики, которые затем выпадают на Землю и попадают в руки ученых[5]).

Много таких шариков выпадает вслед за падением крупных метеоритов (рис. 31). Мельчайшие из них тоже могут служить ядрами конденсации для серебристых облаков.

Рис. 31. Метеоритные шарики (Сихотэ-Алинский железный метеорит, по Е. Л. Крипову)

Исследования притока метеорного вещества на Землю показывают, что общий суточный приход его на весь земной шар составляет около 100 т/сутки, причем поток частиц с массой 10^-13 г (r ~= 0,2 мкм), пригодных в качестве ядер конденсации составляет около 10^-2 частиц/см²?с, или 10³ частиц/см²?сутки. Этого количества вполне достаточно, чтобы обеспечить образование серебристых облаков.

Еще в 30-е годы делались попытки найти связь между появлением серебристых облаков и интенсивностью метеорных потоков. Но, во-первых, многие метеорные потоки действуют в периоды, неблагоприятные для образования серебристых облаков. А, во-вторых, вклад метеорных потоков в общий приток метеорного вещества на Землю весьма скромен и не превосходит 1 % от фона спорадических метеоров. Значительно больше дают метеорные дожди, но это — явление весьма редкое, и за последние два столетия они наблюдались в даты, когда серебристые облака образоваться не могли из-за неблагоприятных условий в мезопаузе.

Все же некоторые авторы (например, чехословацкий астроном 3. Квиз) высказывали мнение, что метеоры потоков, будучи продуктами распада комет и имея довольно рыхлую структуру, уже содержащую льды кометного происхождения, являются более подходящими ядрами конденсации, чем прочие метеоры. Автор этой книги высказал предположение, что метеоры потоков, обладая большей скоростью, чем спорадические метеоры, сильнее дробятся, порождая «щепки», могущие служить ядрами конденсации. Однако эти предположения пока не получили подтверждения.

Имеются и другие гипотезы о природе ядер конденсации. Так, Г. М. Мартынкевич высказал мнение, что эту роль могли бы играть кластеры (объединения) ионов. Такая возможность не исключена.

Конечно, многое о природе частиц серебристых облаков и их ядер конденсации можно было бы узнать, захватив эти частицы непосредственно в атмосфере с помощью приборов, установленных на ракетах, и изучив их в лаборатории. Такие попытки делались неоднократно, начиная с 1962 г., и небезуспешно. Так, в 1962 г. в Швеции был осуществлен совместный американо-шведский эксперимент. По сигналу со станции наблюдений, расположенной в 200 км южнее ракетного полигона, в момент прохождения над полигоном ярких серебристых облаков в них была запущена ракета, снабженная специальными ловушками нескольких систем. Это было 11 августа, а 7 августа был произведен контрольный пуск при отсутствии серебристых облаков.

Результаты оказались весьма интересными. Для исключения загрязнения посторонними частицами до и после пуска приемная поверхность ловушки опылялась пологой струей порошка окиси алюминия. Таким образом, частицы, осевшие на поверхности ловушки до пуска, имеют два «хвоста» оттенения (опыление производилось с Двух разных сторон), частицы, захваченные во время самого эксперимента, — один «хвост» (рис. 32), а осевшие позже — ни одного.

Рис 32. Частицы, обнаруженные на поверхностях коллекторов в ходе американо-шведского эксперимента 1962 г.:

_{а — частицы, окруженные гало, собранные в поле серебристых облаков, б — частица без гало, в — частица загрязнения, попавшая на поверхность до эксперимента.}

Во время пуска 11 августа 1962 г. было захвачено множество частиц, окруженных своеобразным «гало» — остатками растаявшей массы, по-видимому, льда (рис. 33).

Рис. 33. Одна из наиболее крупных частиц, обнаруженных в американо-шведском эксперименте 1962 г. Заметно окружающее ее гало.

Сами частицы имели размеры от 0,02 до 1 мкм. Во время контрольного пуска 7 августа частиц было-существенно меньше и «гало» вокруг них не наблюдались. В последующие годы шведские исследователи во главе с Г. Виттом и американские ученые, возглавляемые К. Хеменуэем, провели еще несколько подобных экспериментов. В захваченных частицах были обнаружены железо и никель (типичные для метеорных частиц). Галоподобные структуры были обнаружены не раз, но уточнить состав летучих компонент в них не удалось из-за трудностей работы со столь малыми частицами.

Таким образом, гипотеза автора о роли метеорных частик как ядер конденсации для образования серебристых облаков, высказанная еще в 1950 г., получила убедительное подтверждение. Фотометрические замеры, выполненные Г. Виттом с помощью приборов, установленных на ракетах, ясно показали рост рассеяния излучения при попадании ракеты в серебристые облака. Позднее американский геофизик Т. Донахью и его сотрудники обнаружили преобладание аэрозольного слоя на высотах около 80 км в высоких широтах северного полушария Земли.

Все эти исследования дают довольно четкую картину формирования и природы серебристых облаков. Конечно, не все еще изучено, но будущие исследования, несомненно, прольют свет на вопросы, оставшиеся неясными или сомнительными. Среди таких вопросов — возможность формирования серебристых облаков не путем конденсации на ядре, а за счет коагуляции (объединения) мельчайших частичек размером порядка 0,01 мкм, вопрос о роли ионных кластеров и некоторые другие.