Книга: Серебристые облака и их наблюдение

§ 3. Условия наблюдений, высоты и скорости серебристых облаков

§ 3. Условия наблюдений, высоты и скорости серебристых облаков

Как мы уже говорили, серебристые облака наблюдаются только на фоне сумеречного сегмента. Происходит это потому, что они светятся в основном отраженным светом Солнца, хотя, как подробнее будет сказано ниже, часть посылаемых ими лучей, возможно, рождается в процессе флуоресценции — переизлучения энергии, получаемой от Солнца, на других длинах волн. Для осуществления отражения, рассеяния и флуоресценции необходимо, чтобы солнечные лучи освещали серебристые облака. Зная их высоту над земной поверхностью (в среднем 83 км), нетрудно рассчитать, что для этого погружение Солнца под горизонт не должно превышать 19,5 градуса. С другой стороны, если Солнце погрузилось под горизонт менее чем на 6 градусов, еще слишком светло (гражданские сумерки) и серебристые облака, если они не очень яркие, неразличимы. Таким образом, наиболее благоприятные условия для наблюдения серебристых облаков соответствуют времени так называемых навигационных и астрономических сумерек, и вероятность обнаружить их тем больше, чем длительнее эти сумерки. Такие условия создаются летом на средних широтах. Именно на средних широтах с конца мая до середины августа чаще всего и наблюдаются серебристые облака.

Такое совпадение двух периодов — наиболее благоприятных условий для наблюдений и наиболее частых появлений серебристых облаков — долгое время сбивало с толку исследователей. Многие ошибочно полагали, что серебристые облака наблюдаются летом в средних широтах только потому, что в это время и как раз на этих широтах создаются благоприятные условия для их видимости (в высоких широтах летом — полярный день, а ближе к экватору очень короткие сумерки). Только во второй половине 50-х годов удалось доказать, что это совпадение — чисто случайное (хотя и очень выгодное для наблюдателей), а на самом деле серебристые облака образуются именно в летний период и именно в средних широтах, потому что в это время на этих широтах происходит значительное похолодание в области мезопаузы и создаются необходимые условия для образования на этом уровне кристалликов льда, из которых и состоят серебристые облака. Подробнее об этом будет рассказано ниже.

Можно считать, что серебристые облака в основном наблюдаются в интервале широт 50–65°. Известны редкие случаи их наблюдения на более низких широтах — до 45°. А вот на широте Ашхабада (38°) за 700 ночей наблюдений И. С. Астапович не замечал их ни разу.

Анализ данных каталога появлений серебристых облаков, составленного Н. П. Фаст на основании 2000 наблюдений за 1885–1064 гг., дает такое распределение пунктов наблюдения по широтам:

Крайние широты мест наблюдений в северном полушарии: от 45° (пос. Сам Казахской ССР, март — май) до 77° (Дерманкшан, Гренландия, сентябрь — октябрь), а в южном полушарии от 52° (Фолклендские — Мальвинские острова), до 80° (Станция Берд, Антарктида, март). Нужно, однако, иметь в виду, что наблюдения серебристых облаков в южном полушарии пока немногочисленны.

Если говорить о распределении появлений серебристых облаков по сезонам, то самые различные материалы за разные годы показывают практически одну и ту же картину. В северном полушарии серебристые облака наблюдаются с марта по октябрь, но количество их появлений в марте, апреле, первой половине мая, второй половине августа, сентябре и октябре весьма мало. Период, наиболее удобный для наблюдений, — с конца мая до середины августа. Максимум видимости серебристых облаков довольно уверенно приходится на 5 июля (рис. 4).

Рис. 4. Распределение случаев видимости серебристых облаков по месяцам по данным станций Гидрометслужбы СССР:

_{1 — 1957 г., 2 — 1958 г., 3 — 1959 г., 4 — суммарно за три года.}

Рассмотрим теперь распределение серебристых облаков по высоте. Советскими и зарубежными учеными было разработано несколько методов определения высот серебристых облаков по фотографиям, снятым из двух пунктов. Основная заслуга в разработке этих методов принадлежит К. Штермеру (Норвегия), М. И. Бурову, М. А. Дирикису, Ю. Л. Францману (СССР), Г. Витту (Швеция). Все эти методы достаточно сложны, чтобы излагать их в научно-популярной книге[2]). Мы ограничимся лишь изложением идеи этих методов.

Пусть два наблюдателя А и В (рис. 5) в один и тот же момент фотографируют серебристое облако С (точнее, какую-то заметную деталь облака), высоту которого H надо определить. Расстояние между наблюдателями (базис) равно d. Путем измерений положения облака на фотопластинках (или пленках) определяют угол параллактического смешения деталей облака ?. Теперь рассмотрим два частных случая:

Рис. 5. Определение высоты серебристых облаков по методу В. К. Цераского.

Первый случай. Базис находится в плоскости АОС (именно так расположили свой базис В. К. Цераский и А. А. Белопольский в 1885 г.). Тогда задача — плоская, что сильно упрощает ее решение. В треугольнике АВС нам известна сторона AB = d и все три угла. Это дает возможность найти расстояния АС = r₁ и BC = r₂ по формулам

где h₁, h₂ — угловые высоты детали облака над горизонтом из точек А и В соответственно. Поскольку базис d обычно измеряется десятками километров, на таком расстоянии Землю можно считать плоской. Но расстояние до проекции серебристого облака D измеряется уже сотнями километров, и тут надо учитывать кривизну земной поверхности. Чтобы определить высоту точки С над поверхностью Земли, рассмотрим треугольник ОАС (О — центр Земли). В нем нам известны стороны OA = R (радиус Земли) и АС = r₁, а также угол OAC = 90° + h₁. Этого достаточно, чтобы найти неизвестную сторону OC = R + H, а значит и Н:

Здесь используется вспомогательный угол ?₁ = АОС при центре Земли.

Второй случай. Базис расположен перпендикулярно направлению на облако. Тогда плоский треугольник ABC (обозначения прежние) — равнобедренный, причем каждый из углов при точках А и В равен 90°— (?/2). По теореме синусов будем иметь

после чего высота H находится по формулам (5).

Разумеется, в действительности все обстоит гораздо сложнее. Для определения h₁, h₂ и ? нужно «привязать» изображения деталей серебристых облаков к звездам с известными координатами (в экваториальной системе) либо к земным ориентирам, координаты которых (в горизонтальной системе) определяются из специальных измерений. Для обработки измерений надо знать точный масштаб снимка, а для этого, в свою очередь, — фокусное расстояние объектива камеры. Задача в общем виде не плоская, как в наших двух примерах, а пространственная. Наконец, необходимо учитывать рефракцию (преломление лучей в земной атмосфере).

Большие ряды измерений высот серебристых облаков были выполнены О. Иессе в 1889–1891 гг. (395 измерений), К. Штермером в 1932–1934 гг. (78 измерений), Г. Виттом в 1958 г. (588 измерений), М. А. Дипикисом, Ю. Л. Францманом и их сотрудниками в 1959–1964 гг. (137 измерений), М. И. Буровым в 1964 г. (366 измерений), Г. Вигтом в 1965–1967 гг. (2588 измерений), Н. Ауфм-Ордтом, И. Нейсером и Г. Буллом в 1967–1972 гг. (420 измерений). Средняя высота по 4586 измерениям составляет 82,97 км.

Что касается крайних значении, то по данным большинства авторов высоты серебристых облаков заключены между 73,5 км и 94,5 км. Такой диапазон высот получен в работе Н. Ауфм-Ордта и его сотрудников, остальные высоты лежат внутри этого диапазона. Исключение составляют измерения М. И. Бурова в 1965 г. (281 измерение), которые лежат в несколько более широком диапазоне: 73,0—96,8 км. Причиной такого разброса высот могут быть как реальные их различия, так и ошибки измерений (или вычислений). Но ошибки измерений, но данным М. И. Бурова, не превосходят ±1 км, следовательно, разброс высот реален.

Более того, есть вполне надежные данные, что диапазон высот серебристых облаков в разные периоды времени изменяется. Так, летом 1958 г. независимые измерения проводили М. И. Буров (в Эстонии) и Г. Витт (в южной Швеции). Первый получил диапазон высот 80,5?85,0 км, второй 81,1?85,5 км. Это значит, что условия для образования серебристых облаков в это время и в данном регионе реализовались именно в таком узком интервале высот. Напротив, в 1964–1965 гг., как показывают независимые измерения М. И. Бурова, с одной стороны, и М. А. Дирикиса с сотрудниками, с другой, диапазон высот серебристых облаков был весьма широк: от 73 до 97 км. Обе группы наблюдали в одном регионе: в Эстонии и в Латвии.

Как измерения высот, так и замедленная киносъемка серебристых облаков, осуществленная впервые Н. И. Гришиным, показали, что наблюдаются случаи появления двух слоев серебристых облаков, один над другим, порой имеющих различные направления и скорости движения.

На рис. 6 показано распределение серебристых облаков по высоте на основании 695 измерений, выполненных О. Иессе, К. Штермером, М. И. Буровым, М. А. Дирикисом, С. В. и Ю. Л. Францманами в 1887–1964 гг. На рис. 7 показано такое же распределение по 420 измерениям Н. Ауфм-Ордта и его коллег в 1967–1974 гг. Обе диаграммы показывают резкий максимум распределения на высоте 83 км, но наблюдения ученых из ГДР дают более пологий ход и вторичный максимум на высоте 88 км. Намечается также более слабый третий максимум на высоте около 77 км.

Рис. 6. Распределение серебристых облаков по высоте по данным 695 измерений за 1687–1961 гг.

Рис. 7. Распределение серебристых облаков по высоте по 420 измерениям Н. Ауфы-Ордта и др. за 1967–1974 гг.

Серебристые облака являются удобным средством изучения скоростей и характера атмосферных, течений на высотах 75–90 км. Еще О. Иессе в конце 80-х годов прошлого века обнаружил, что скорости движения серебристых облаков весьма велики: от 40 до 177 м/с. Последующие измерения подтвердили это заключение. М. И. Буров по измерениям 1964–1965 гг. нашел более широкий диапазон наблюдаемых скоростей: 17?262 м/с. По 178 определениям за 1885–1965 гг. мы в 1970 г. получили среднее значение скорости 65 м/с. Американский исследователь Б. Фогль по 97 определениям за те же годы определил средний азимут перемещения серебристых облаков 240°, считая отточки севера к востоку (такой азимут называется геодезическим, в отличие от астрономического азимута, считаемого от юга к западу; оба азимута отличаются на 180°). Таким образом, преимущественное направление воздушных течений на уровне мезопаузы — с северо-востока на юго-запад.

Распределение скоростей серебристых облаков показано на рис. 8. Отчетливо виден максимум значения скорости 60 м/с и несколько слабых вторичных максимумов на больших скоростях.

Рис. 8. Распределение скоростей серебристых облаков (по В. А. Бронштэну и Н. И. Гришину).

Ряд исследователей обратили внимание на то, что в течение одной и той же ночи направление движений серебристых облаков меняется. Каких-либо общих закономерностей этих изменений пока не обнаружено, в разные ночи наблюдается различная картина.

В 1938 г. Г. О. Затейщиков и В. А. Бронштэн обнаружили по измерениям фотографий циклонические движения в серебристых облаках с радиусом завихрения 20–70 км. Эти результаты были позднее подтверждены методом замедленной киносъемки серебристых облаков.

Помимо горизонтальных движений, в полях серебристых облаков наблюдаются и вертикальные движении. Согласно измерениям М. И. Бурова, а также М. А. Дирикиса с сотрудниками, средняя скорость вертикальных движений 10 м/с, причем восходящие и нисходящие движения встречаются одинаково часто.

Однако, помимо описанных здесь реальных движений серебристых облаков, в них наблюдаются еще кажущиеся волновые движения, связанные не с перемещением частиц, а с перемещением волн плотности в облачных полях. Для того чтобы познакомиться с этими явлениями, нам нужно рассмотрев морфологию серебристых облаков, изучить их структуру. Эти вопросы будут изложены в следующем параграфе.