Книга: Серебристые облака и их наблюдение

§ 1. Открытие и первые исследования

§ 1. Открытие и первые исследования

Ранним утром 12 июня 1885 г. приват-доцент Московского университета В. К. Цераский (будущий директор Московской обсерватории), возвращаясь с прогулки, заметил на предрассветном небе необычно яркие облака, заполнявшие сумеречный сегмент. Эти облака произвели на Цераского большое впечатление. Особенно удивило ученого то обстоятельство, что эти «светящиеся» облака, ярко выделяясь на фоне сумеречного сегмента, совершенно пропадали, выходя за его пределы.

В то время Цераский занимался фотометрией блеска звезд, значительно усовершенствовал для этого визуальный фотометр Цёлльнера (получивший впоследствии название фотометра Цёлльнера — Цераского), и его крайне беспокоило такое «поведение» светящихся облаков. Ведь они, не будучи видимы, но поглощая свет звезд, могут искажать результаты фотометрических измерений. «Вот уже два лета невозможно проводить астрофотометрические наблюдения», — писал Цераский год спустя.

Впрочем, первые же измерения поглощательной способности ночных светящихся облаков (так назвал их Цераский), как и последующие наблюдения, показали, что эти облака весьма прозрачны и не ослабляют заметным образом свет звезд, так что Цераский волновался напрасно. (Соответствующие числовые оценки будут приведены в § 5)

В. К. Цераский не был первым наблюдателем, заметившим серебристые облака. За 4 дня до него, 8 июня, их наблюдал Т.Бакгауз в Киссингене (Германия), а 10 июня их заметил в Праге Вацлав Ласка — будущий основатель астрономической обсерватории во Львове. Но Ласка сообщил о своих наблюдениях много позже, через несколько лет, а Бакгауз ограничился публикацией небольшой заметки в одном метеорологическом журнале. Цераский же не удовлетворился общими наблюдениями, а спустя две недели совместно с А. А. Белопольским определил высоту серебристых облаков по наблюдениям из двух пунктов, получив в среднем из четырех наблюдений 79 км, что очень близко к современным данным.

Вот как описывал ночные светящиеся облака В. К. Цераский: «…Это настолько блестящее явление, что совершенно невозможно составить себе о нем представление без рисунков и подробного описания. Некоторые длинные, ослепительно серебристые полосы, перекрещивающиеся или параллельные горизонту, изменяются довольно медленно и столь резки, что их можно удерживать в поле зрения телескопа. Облака можно без труда сфотографировать, причем получается эффектное изображение».

Из этих слов ясно, что В. К. Цераский не только наблюдал визуально серебристые облака, но и фотографировал их. К сожалению, эти фотографии до нас не дошли. Поскольку приведенная выше запись сделана в июле 1886 г., ясно, что Цераскому удалось сфотографировать серебристые облака в 1885 или в 1886 г., за 1–2 года до О. Иессе, которому принадлежат первые опубликованные снимки серебристых облаков.

Очень яркие серебристые облака, появившиеся над Европой 23 июня 1885 г., были замечены многими наблюдателями, в том числе эстонским астрономом Э. Гартвигом в Тарту и немецким метеорологом О. Иессе в Штеглице. Отто Иессе постарался привлечь к новому явлению внимание как можно большего количества наблюдателей: метеорологов и астрономов, путем публикации наблюдений и «призывов к наблюдениям». Именно Иессе ввел в науку термин «серебристые облака». В 1889 г. он получил удачные снимки серебристых облаков с двух станций (рис. 1), по которым измерил их высоту — 75 км, что было близко к значению, полученному нашими учеными. Их измерения, увы, были опубликованы Цераским только в 1887 г. в его работе «Астрономический фотометр и его приложения». На Западе они стали известны, однако, не из этой работы, а из краткого сообщения в журнале «Ciel et Тегге» бельгийского астронома Ж. Нистена, побывавшего в августе 1887 г. в России (с целью наблюдения полного солнечного затмения) и узнавшего об измерениях русских астрономов от А. А. Белопольского.

Рис. 1. Первые фотографии серебристых облаков 20 июля 1889 г.

_{(О. Иессе. Германия).}

В последующие годы О. Иессе провел большую серию измерений высот и скоростей движения серебристых облаков. получив их среднюю высоту 82 км с весьма небольшим разбросом (±5 км) и скорости движения 40?180 метров в секунду с преимущественным направлением на юго-запад.

В. К. Цераский наблюдал серебристые облака до 1892 г., а в 1890 г. опубликовал заметку «О светящихся облаках», где подводил итоги своим наблюдениям.

20 декабря 1888 г. было получено первое сообщение о наблюдении серебристых облаков в южном полушарии — их наблюдал Штубенраух в Пунта-Аренас (Чили, широта —52°). Но в Северной Америке серебристые облака не наблюдались до 1933 г. (!). Возможно, что на них там просто не обращали внимания.

Начиная с 1892 г. интенсивность серебристых облаков пошла на убыль и, количество их наблюдений резко уменьшилось.

Первая гипотеза, объяснявшая образование серебристых облаков конденсацией паров, занесенных в верхнюю атмосферу в результате взрыва вулкана Кракатау 27 августа 1333 г., была высказана в 1887 г. немецким физиком Ф. Кольраушем и поддержана О. Иессе. Эта гипотеза «прожила» около 40 лет и была оставлена после того, как другие мощные извержении вулканов (Мон-Пеле, 1902 г.; Катмаи, 1912 г.) не вызвали появления серебристых облаков.

Новый прилив интереса к серебристым облакам связан с их появлением в период аномальных оптических явлений после падения Тунгусского метеорита 30 июня 1908 г. Впрочем, о самом Тунгусском явлении ученые узнали гораздо позже, уже в начале 20-х годов. Именно тогда начали формироваться новые идеи и гипотезы о природе и происхождении серебристых облаков.

В 1926 г. Л. А. Кулик, стремясь объяснить появление интенсивных серебристых облаков сразу же после падения Тунгусского метеорита, высказал мнение, что «серебристые облака обязаны своим происхождением метеоритам — наиболее мелкой легкой части продуктов возгонки их вещества при их вторжении в земную атмосферу». Тогда же Л. А. Кулик уточнил, что не только продукты распыления в атмосфере метеоритов, но и продукты испарения метеоров, постоянно влетающих в земную атмосферу, могут формировать частицы серебристых облаков. Так возникла метеорно-метеоритная гипотеза, просуществовавшая более 30 лет и весьма неохотно сдавшая свои позиции в конце 50-х годов конденсационной (ледяной) гипотезе.

Конденсационная гипотеза предполагает, что серебристые облака состоят из кристалликов льда, образующихся в верхних слоях атмосферы в результате конденсации водяного пара. Если не считать ее «вулканического варианта», предложенного еще в 1887–1888 гг. Ф. Кольраушем и О. Иессе, то можно считать временем возникновения конденсационной гипотезы 1925–1926 гг., когда она была предложена А. Вегенером и В. Ярдецким. При этом и А. Вегенер, и поддержавший эту гипотезу в 1933 г. У. Хамфрис справедливо указывали, что для образования ледяных кристалликов на высоте около 80 км должны царить очень низкие температуры (согласно Хамфрису, порядка 150 K). Но в те годы в науке господствовало представление о довольно высоких температурах на этой высоте — до 300 K. Эта точка зрения держалась до начала 50-х годов, т. е. до прямых измерений температур верхней атмосферы приборами, установленными на ракетах. Именно поэтому метеорная гипотеза в течение почти 30 лет пользовалась большей популярностью, чем конденсационная: ее поддерживали И. С. Астапович, К. Штермер (Норвегия), Е. Вестин (США).

Впрочем, еще в 1926 г. Л. А. Кулик предложил как бы компромиссный вариант, объединяющий обе гипотезы. Он писал: «…заряженные частицы одновременно оседающей метеорной пыли могли быть центрами конденсации паров воды и образующихся градин». К сожалению, эта плодотворная идея прошла незамеченной и была вновь высказана, в несколько иной форме, В. А. Бронштэном четверть века спустя.

В 20-е годы наблюдения серебристых облаков вели в СССР отдельные наблюдатели-энтузиасты: С. Р. Лаптев-Зенковский, Е. Л. Кринов, О. В. Деминев, И. С. Астапович. В Норвегии К. Штермер в начале 30-х годов привел большую серию измерений высот и скоростей серебристых облаков. Он получил то же среднее значение высоты, что и О. Иессе за полвека до него — 82 км.

В 1934 г. американский исследователь Е. Вестин опубликовал большой итоговый обзор, в котором были собраны результаты исследований серебристых облаков в Западной Европе за 48 лет. В этой работе была сделана первая серьезная попытка сопоставить появления серебристых облаков с извержениями вулканов, активностью метеорных потоков и другими явлениями.

В 1936 г. по инициативе И. С. Астаповича начались систематические наблюдения серебристых облаков в СССР, организованные Всесоюзным астрономо-геодезическим обществом (ВАГО). Их результаты были опубликованы в 1938–1939 гг. Г. О. Затейщиковым, В. А. Бронштэном и самим И. С. Астаповичем. С ними мы познакомим читателя ниже. Дальнейшие исследования были прерваны войной.

В послевоенные годы интерес к серебристым облакам продолжал усиливаться. В 1952 г. И. А. Хвостиков, опираясь на новые ракетные измерения температур верхних слоев атмосферы, показавших наличие на высотах 75–80 км второго температурного минимума, предложил новый вариант конденсационной гипотезы, в котором ей давалось количественное обоснование. Начиная с 1954 г., эту точку зрения развил в ряде работ В. А. Бронштэн, сумевший объяснить широтный и сезонный эффекты видимости серебристых облаков, т. е. их появление только летом и только в средних широтах.

Проведение в 1957–1959 гг. широкой программы исследований верхней атмосферы в рамках Международного геофизического года (МГГ) и Международного геофизического сотрудничества (МГС) позволило поставить разносторонние исследования серебристых облаков. Еще до начала МГГ Н. И. Гришин разработал морфологическую классификацию форм серебристых облаков, впервые получил их спектры, обнаружил связь их появлений с метеорологическими условиями в тропосфере. В дальнейшем он развил теорию волновых процессов в серебристых облаках, применил для изучения их динамики метод замедленной киносъемки.

В период МГГ были проведены инструментальные исследования оптических свойств серебристых облаков. Успешные фотометрические и поляриметрические наблюдения их провела экспедиция Ленинградского отделения ВАГО под руководством О. Б. Васильева. Определения поляризации света и индикатрисы рассеяния частиц облаков дали возможность оценить размеры этих частиц — доли микрометра. Начались систематические исследования серебристых облаков в Эстонском и Латвийском отделениях ВАГО с передачей их в дальнейшем специальным научным учреждениям — Институту астрофизики и физики атмосферы АН ЭССР и Латвийскому университету. Эстонские астрофизики во главе с Ч. И. Виллманном также получили индикатрису рассеяния и изучили оптические свойства облаков. В Латвии М. А. Дирикис, Э. Э. Мукинс, Ю. Л. Францман разработали простые методы определения высот облаков по фотографиям, снятым из двух пунктов. Более точные, хотя и более трудные методы предложил М. И. Буров из Московского института инженеров геодезии, аэрофотосъемки и картографии. Этими методами было сделано несколько сотен измерений высот серебристых облаков, показавших, что иногда они располагается в несколько «этажей» с интервалами в 3–5 км.

По всему Союзу начались регулярные синоптические наблюдения серебристых облаков. Их наблюдали в Эстонии, Латвии, Ленинграде, Бологом, Калинине, Ярославле, Москве, Рязани, Смоленске, Минске, Горьком, Куйбышеве, Свердловске, Новосибирске, Томске, Иркутске и других городах.

Систематические наблюдения серебристых облаков начались во многих странах мира. В США и Канаде была создана под руководством Б. Фогля специальная сеть станций. В Швеции исследования серебристых облаков (включая ракетные эксперименты) проводились под руководством Г. Витта, в ФРГ — под руководством В. Шредера и В. Фольца, в ГДР исследования серебристых облаков проводил Г. Дитце. Все эти исследования позволили узнать много нового о природе и свойствах серебристых облаков, а заодно — о динамике слоя мезопаузы, в котором они находятся. Об этих результатах будет рассказано в следующих параграфах.