Книга: Серебристые облака и их наблюдение

§ 6. Наблюдения серебристых облаков из космоса

§ 6. Наблюдения серебристых облаков из космоса

Наблюдения и исследования серебристых облаков из ближнего космоса, т. е. с орбит космических кораблей, представляют определенные преимущества перед наземными наблюдениями: почти отсутствует общее поглощение их света в нижних слоях атмосферы, полностью отсутствует поглощение слоем озона и водяным паром, что позволяет регистрировать их ультрафиолетовый и инфракрасный спектр, возможен глобальный охват явления за сравнительно короткое время и т. д.

Впервые оптическое явление, позже идентифицированное как серебристые облака, наблюдал с борта космического корабля «Восход-2» 18–19 марта 1965 г. советский космонавт А. А. Леонов. После этого их наблюдал с борта «Союза-9» 9 июня 1970 г. В. И. Севастьянов. Наблюдавшиеся облака представлялись вытянутыми вдоль горизонта полосами и системами гребешков.

Дальнейшие наблюдения серебристых облаков из космоса были выполнены членом второго экипажа станции «Скайлэб» П. Вейтцем в мае и в первой неделе июля 1973 г. около 50° северной широты, в интервале восточных долгот 10–40° (примерно от Парижа до Харькова). Облака наблюдалась за это время четыре раза, они всегда наблюдались внизу в направлении восходящего Солнца, однако никогда Солнце и серебристые облака не наблюдались одновременно. Облака были яркие и образовывали тонкую яркую полосу над земным горизонтом. По мере приближения космического аппарата эта полоса как бы разделилась на две, а затем на четыре тонких слоистых облака, которые, по мере приближения к ним «Скайлэба», поднимались над горизонтом, пока не исчезли в усиливавшемся свечении утреннего неба.

Более систематические наблюдения серебристых облаков были организованы силами экипажей советских орбитальных станций «Салют-4» (в северном полушарии) и «Салют-6» (в южном полушарии).

На «Салюте-4» космонавты П. И. Климук и В. И. Севастьянов наблюдали серебристые облака визуально на многих витках с 1 по 17 июля 1975 г. Весьма показательна в отношении глобального расположения серебристых облаков по космическим и наземным наблюдениям ночь 3–4 июля 1975 г., когда наши космонавты наблюдали серебристые облака на протяжении девяти витков, на тех их участках, которые пролегали над средними широтами Атлантики, Западной Европы, территории СССР от его западных до восточных границ и части Тихого океана до берегов Америки (рис. 22). На рис. 22 черными кружками показаны также места расположения серебристых облаков по наземным наблюдениям в ту же ночь. Рисунок наглядно иллюстрирует возможности наблюдений из космоса для регистрации глобального расположения серебристых облаков. Согласно наземным наблюдениям, эти облака были довольно яркими, их оптическая толщина заключалась в пределах 10^-5?10^-4.

Рис. 22. Области, над которыми наблюдались серебристые облака с «Салюта-4» 3–4 июля 1975 г. Черные кружки обозначают места их наземных наблюдений.

Учитывая успех визуальных наблюдений с «Салюта-4», в задачу первого же экипажа «Салюта-6» (Ю. В. Романенко, Г. М. Гречко), работавшего с декабря 1977 г. по март 1978 г., было поставлено фотографирование серебристых облаков из космоса. Поскольку период работы экипажа приходился на зиму в северном полушарии и лето в южном, фотографирование серебристых облаков производилось над южным полушарием Земли. Всего было получено 40 черно-белых и 5 цветных фотографий серебристых облаков. Одна из черно-белых фотографий, полученная 15 января 1978 г., представлена на рис. 23. Солнце недавно зашло. Мы видим еще яркий сегмент зари, а над ним — тонкую полоску серебристых облаков, которая при внимательном рассматривании разделяется на две. Впрочем, некоторые признаки структуры серебристых облаков видны и ниже полосы, в верхней части сегмента зари.

Рис. 23. Фотография серебристых облаков из космоса с орбитальной станции «Салют-6» 15 января 1978 г.

Всего серебристые облака наблюдались первым экипажем «Салюта-6» на 146 витках с 23 декабря 1977 г. по 2 февраля 1978 г., в течение 31 ночи. Замечательно, что с 24 декабря по 5 января, серебристые облака наблюдались непрерывно, на всех витках, разумеется, на соответствующей широтах. 6 января они внезапно исчезли, но 8 января появились вновь, в форме слабой вуали (флера). Активные периоды видимости серебристых облаков были отмечены также с 14 по 16 января и с 27 января по 2 февраля 1978 г.

Серебристые облака наблюдались обычно не выше 2° над горизонтом, как при положении Солнца под горизонтом, так и над ним, на небольшой высоте (в космосе нет нашего светлого фона неба, освещен бывает лишь небольшой сегмент вблизи горизонта, см. рис. 23). По мере приближения орбитальной станции к серебристым облакам последние заметно поднимаются над горизонтом и приобретают хорошо выраженную волновую структуру. Но дальше, хотя их яркость возрастает, структура начинает пропадать, и облака превращаются в тонкую яркую полосу. Это происходит потому, что с орбитальной станции они видны как бы в разрезе.

Рассмотрим геометрию наблюдения серебристых облаков с орбитальной станции (рис. 24).

Рис. 24. Геометрия видимости серебристых облаков с орбитальной станции.

Пусть орбитальная станция движется на высоте Н₁ > Н, где Н — высота серебристого облака С, и приближается к нему со стороны ночной полусферы Земли. Облако взойдет над горизонтом станции, когда она находится в точке S₁; положение ее определяется центральным углом который можно найти по формуле (7), подставив в нее Н₁, вместо Н. Положим для дальнейших расчетов Н₁ = 350 км. Рефракцией для простоты пренебрегаем. Тогда найдем ?₁ = 18°. Угол BOC = ? = 9°09?, а расстояние S₁C = R?(tg ? + tg ?₁) = 3200 км Именно с тaкого расстояния космонавты, находящиеся на орбитальной станции, могут заметить у горизонта серебристые облака. Расстояние от космического наблюдателя до видимого горизонта станции «Салют» SB = R?tg ?₁ ~= 2000 км.

Рассмотрим теперь другое положение станции S₂,когда серебристое облако видно «в разрезе». Для этого восстановим в точке С перпендикуляр к радиусу-вектору облака ОС до его пересечения с орбитой станции S₁S₂. Центральный угол ?₂ найдем теперь из формулы (10), заменив в ней H₀ на H и H на H₁. Получим ?₂ = 16°. А теперь найдем угол DS₂С, равный угловой высоте h_C серебристых облаков над линией горизонта станции S₂D в этот момент. Нетрудно сообразить, что

h_C = ?₁ — ?₂

поскольку LDOS₂ = LBOS₁ = ?₁, а LDS₂C = LCS₂O — LDS₂O = (90°— ?₂) — (90° — ?₁) = ?₁ - ?₂ .Следовательно, h_C = 2°. как и получилось у наших космонавтов. Величина этого угла подтверждает, что облака находились именно на высоте около 80 км (для другой высоты и угол получился бы другой).

Нетрудно также подсчитать» что в положении S₂ расстояние «станция — облако» S₂C = 1880 км. Дальнейшее приближение станции к облаку приведет к тому, что облако окажется на фоне освещенной Солнцем полусферы Земли (а еще раньше — нижних слоев атмосферы) и пропадет, что и наблюдалось в действительности.

На станции «Салют-6» не раз отмечались случаи, когда поле серебристых облаков простиралось на весь южный горизонт (не забудем, что наблюдения велись в южном полушарии Земли) и наблюдалось в течение 7–8 последовательных витков. Это показывает, что серебристые облака порой полностью покрывали «разрешенную» для них широтную зону, что ранее было отмечено со станции «Салют-4» для северного полушария (см. рис. 22). По предварительным данным, в южном полушарии серебристые облака появляются на широтах выше 53° S.

Космические наблюдения позволили выявить средние (20?100 км) и длинные (100?280 км) волны в структуре серебристых облаков. Труднее оказалось обнаружить короткие волны (3?12 км), что связано с геометрическими условиями наблюдения, описанными выше. Зато надежно подтверждена многослойность полей серебристых облаков, ранее установленная по наземным наблюдениям.

Фотографии серебристых облаков, полученные экипажем «Салюта-6», подверглись на Земле фотометрической обработке, которую провели сотрудники Института астрофизики и физики атмосферы Академии наук ЭССР О. А. Авасте и Ч. И. Внллманн при участии космонавтов-исследователей Г. М. Гречко и Ю. В. Романенко. Были построены фотометрические профили облаков для различных азимутов, которые еще четче, чем просмотр негативов, показали волновую структуру облачного поля. Исследователи сравнили изменение яркости серебристых облаков вдоль азимута с теоретической моделью рассеяния света частицами облаков, построенной в 1975 г. Ч. И. Виллманном. Вблизи азимута Солнца яркость серебристых облаков оказалась примерно вдвое выше, чем предсказывала модель, что авторы работы объяснили присутствием в наблюдавшихся 15 января 1978 г. с «Салюта-6» серебристых облаках более крупных частиц, чем принятые в теоретической модели (т. е. больше 0,1 мкм).

Для орбитальной станции «Салют-4» группой советских ученых был сконструирован четырехканальный радиометр, работающий в ближнем инфракрасном диапазоне, на длинах волн 1,35; 1,9; 2,2 и 2,7 мкм. С его помощью с борта орбитальной станции в июне — июле 1975 г. производилась последовательная ретрансляция яркости неба (сканирование) в вертикале Солнца. На рис. 25 показаны результаты сканирования на волне 1,9 мкм в присутствии серебристых облаков (сплошная линия) и в их отсутствие (пунктир). Четко заметен резкий максимум на высоте 80 км, когда серебристые облака наблюдались. Всего было сделано около 20 сканов.

Рис. 25. Яркость неба В_? на волне 1,9 мкм по результатам сканирования с «Салюта 4» при наличии серебристых облаков (сплошная линия) и при их отсутствии (пунктир).

По результатам этих наблюдений удалось построить спектральное распределение свечения серебристых облаков в инфракрасной области (рис. 26). На график нанесены теоретические кривые для значений оптической толщины облаков 10^-5, 3?10^-5 и 10^-4(1–3), а также спектральная кривая 4 излучения гидроксила (ОН), максимум которого, согласно Н. Н. Шефову, также приходится на высоту 80 км (этот факт мы еще рассмотрим в дальнейшем). Сумма излучения гидроксила и серебристых облаков при ? = 3?10^-5 изображена кривой 5. Измерения на трех длинах волн показаны точками. Вертикальные отрезки обозначают вариации яркости от одного измерения к другому. Заметно хорошее согласие теоретических и экспериментальных результатов. К сожалению, измерения на волне 2,7 мкм использовать не удалось.

Рис. 26. Спектральное распределение яркости В_? серебристых облаков 1–3 — теоретические кривые при ? = 10^-5, 3?10^-5 и 10^-4 соответственно, 4 — эмиссия ОН (по Н.Н. Шефову), 5 — сумма яркости серебристых облаков при ? = 3?10^-5  и ОН, белыми кружками показаны данные наблюдений с «Салюта-4» (по О. А. Авасте и др.).

Разумеется, описанные выше результаты — только начало исследования серебристых облаков из космоса. Эти исследования продолжаются. Они проводились на орбитальной станции «Салют-7», в частности, экипажем посещения в составе Л. И. Попова, А. А. Сереброва и С. Е. Савицкой в августе 1982 г. результаты этих исследований, несомненно, вскоре принесут свои обильные плоды.