Серебро в облаках

Поздней весной и в начале лета на закате и в ранних сумерках вы можете увидеть фантастическое зрелище — серебристые облака. Они возникают высоко в атмосфере и могут сиять почти всю ночь. В этом году астрономы говорят о необычайно ярких серебристых облаках, которые появляются чаще и видны дольше, чем в прежние годы. Астроном, сотрудник Института космических исследований РАН Олег Угольников рассказывает для читателей N + 1 об истории открытия и изучения серебристых облаков, а также о том, причастно ли человечество к их появлению.

Примерно в 10 вечера 6 июля 1885 года живописец-маринист и любитель прогулок под парусом Роберт Чарлз Лесли, бродивший по окрестностям Саутгемптона с приятелем, стал свидетелем необыкновенного небесного явления — прямо у них на глазах высоко в небе появились необычные светящиеся облака. Вероятно, их видели еще сотни, если не тысячи пар глаз, но Лесли, в отличие от всех прочих, отправил сообщение о своих наблюдениях в научный журнал.

«С 1883 года и в прошлом году временами наблюдалось необычное свечение до и после захода Солнца. Но я никогда не видел во время сумерек картины настолько странной, как в понедельник вечером, 6 (июля), когда целое море светящихся серебристо-белых облаков появилось над полосой светлого сумеречного неба… Эти облака были похожи на волны по форме и, видимо, находились на большой высоте… Мой друг, который был со мной, сравнил свечение этих облаков с сиянием белой фосфорной краски», — говорилось в письме Лесли, опубликованном в журнале Nature.

Благодаря этой публикации мы сегодня можем назвать (пусть и довольно символически) имя первооткрывателя и даже дату открытия серебристых облаков. Это явление многие считают одним из самых красивых зрелищ летнего неба.

Короткими светлыми ночами над незатухающей даже в полночь зарей появляются кружева, чем-то похожие на перистые облака. Но дело происходит в темные сумерки, когда «обычные» перистые облака не освещены Солнцем и выглядят как темно-серые пятна на звездном небе. Однако серебристые, или «ночные светящиеся» (noctilucent), облака, как их называют на многих языках мира, остаются светлыми и даже ярче выделяются по мере потемнения неба. В это время Солнце хорошо освещает только высокие слои атмосферы (на уровне 80 километров и более), где плотность воздуха в сотни тысяч раз меньше, чем у поверхности Земли.

Может показаться странным, но до наблюдений Лесли и нескольких других ученых человечество не знало о существовании серебристых облаков. Более того, возможно, что тогда, 6 июля 1885 года, они вообще впервые появились на небе — и Лесли увидел самые «молодые» серебристые облака в нашей атмосфере.

Вскоре после извержения вулкана Кракатау в 1883 году жители Европы стали свидетелями множества странных небесных явлений — необычайно светлых ночей, свечения на закате (именно об этих явлениях упоминает Лесли в своей статье), гало вокруг Солнца. Множество сообщений об этих явлениях появляется в научных журналах, в том числе на страницах Nature.

Примерно тогда же, летом 1885 года, после первых сообщений серебристые облака стали объектом всеобщего внимания во многих странах Европы, в том числе и в России, где облака наблюдал приват-доцент Московского университета Витольд Цераский. (Кстати, у нас в стране открытие серебристых облаков приписывали именно ему.)

Трудно представить, чтобы серебристые облака прежде просто не замечали, слишком это масштабное и красивое явление. Похоже, раньше они вообще не появлялись, по крайней мере на широтах Центральной и Северной Европы. Достаточно быстро измерив высоту этих облаков, ученые поначалу не могли понять природу их появления при очень низком атмосферном давлении.

В первой половине XX века было высказано предположение, что серебристые облака образуются из обычного водяного льда (хотя окончательно подтверждено это было значительно позже). Но для этого требовались очень низкие температуры (130 градусов ниже нуля), что поначалу казалось невероятным для летнего сезона, когда высокие слои атмосферы круглосуточно освещены Солнцем.

Лишь во второй половине XX столетия стало ясно, что верхняя мезосфера (высоты 80-90 километров) — действительно самый холодный слой атмосферы и вообще всей нашей планеты, причем летом там на 50-100 градусов Цельсия холоднее, чем зимой! Причиной аномального хода температуры являются быстрые восходящие потоки воздуха с высот стратопаузы (50 километров) летом, при которых газ стремительно расширяется и почти адиабатически охлаждается.

В изменении температуры, по-видимому, кроется и загадка внезапного появления облаков только в последние полтора века. Как ни странно, и этот феномен мог возникнуть под влиянием деятельности человека.

Парниковые газы (прежде всего, диоксид углерода), увеличивающие температуру у поверхности Земли, действуют противоположным образом в высоких слоях атмосферы, переводя тепловую энергию в инфракрасное излучение, покидающее Землю (механизм радиативного выхолаживания). До конца XIX века в мезосфере средних широт, по-видимому, просто не было настолько холодно.

Серебристые облака могли существовать и ранее, но на более высоких широтах, оставаясь незаметными из-за белых ночей. В настоящее время они наблюдаются там с искусственных спутников Земли (прежде всего, со спутника AIM), данные которых показывают, что вблизи Северного полюса серебристые облака существуют практически круглый год.

Таким образом, главными факторами, определяющими возникновение серебристых облаков, являются температура вблизи мезопаузы и содержание водяного пара в ней. Влияет и метеорная активность, создающая в разреженном воздухе ядра конденсации — частицы «метеорного дыма» нанометровых размеров.

Все три фактора важны, но видимая яркость серебристых облаков определяется, в первую очередь, температурой среды. Сама она сильно зависит от распространения акустико-гравитационных волн из нижних слоев атмосферы. Волны имеют вертикальный масштаб порядка нескольких километров, и температура на нем может меняться на многие десятки градусов.

Попадая в слой низкой температуры (менее 145-150 кельвин), частица обрастает льдом, одновременно опускаясь вниз. После выхода из холодного слоя лед быстро испаряется. Именно поэтому слой серебристых облаков всегда очень тонкий, не более 3–5 километров толщиной. А вид серебристых облаков в небе часто имеет красивую волнообразную структуру.

Льдинки редко достигают размеров более 100 нанометров. Для таких частиц характерна очень резкая зависимость коэффициента рассеяния света от радиуса (~r⁶). Поэтому даже незначительное уменьшение температуры, расширение слоя холода или увеличение содержания водяного пара могут резко сказаться на визуальных характеристиках серебристых облаков.

При этом мы видим самые крупные частицы, расположенные у нижней границы холодного слоя. Поэтому высота облаков (80-82 километра) несколько ниже средней высоты летней мезопаузы (около 90 километров). На высотах около 80 километров увеличивается содержание водяного пара, что также важно для образования более крупных частиц.

В отдельных редких случаях температура может уменьшаться до 125–130 кельвин, а слой замерзания частиц — достигать в ширину 3–4 километров. Такая ситуация сложилась в атмосфере над Москвой в 20-х числах июня 2018 года, когда наблюдались одни из самых ярких серебристых облаков последних десятилетий.

Тогда даже высказывались предположения, что аномальные серебристые облака над столицей были вызваны падением метеорита «Озерки» в Липецкой области утром 21 июня. Но анализ показал, что дело было не в увеличении числа частиц, а в их размере, что как раз определялось температурой.

Серебристые облака в июне 2018 года в Москве привлекли внимание большого числа людей и стали объектами красивых фотографий.

Период видимости серебристых облаков на широте Москвы обычно охватывает июнь и июль. Надо отметить, что широты средней полосы России — самые благоприятные для наблюдений, так как Солнце подсвечивает верхнюю мезосферу всю короткую летнюю ночь. Севернее летом слишком светло, а южнее облака могут быть видны только поздним вечером и ранним утром, причем там они появляются существенно реже.

Впрочем, в 2019 году серебристые облака регулярно наблюдаются с первых чисел июня, а в зону их видимости попадали такие совсем не северные города, как Ташкент и Лос-Анджелес. Яркие облака наблюдались утром 14 июня в Москве и Центральной России.

Тенденция на все более частое наблюдение серебристых облаков, в том числе ярких, в последнее время очевидна. Наиболее вероятная причина этого связана с продолжающимся похолоданием верхней мезосферы, обнаруженном во второй половине XX века и в северных широтах особенно сильным в летний период.

Таким образом, красивое явление на небе в летние ночи может быть видимым результатом негативных процессов антропогенного происхождения, протекающих в атмосфере, и быть «ближайшим родственником» парникового эффекта и глобального потепления.

Конечно, на появление облаков в тот или иной период могут влиять и другие факторы — вулканические извержения (как это случилось в конце XIX века), метеорные потоки и кометное вещество (здесь можно вспомнить аномально светлые ночи 1908 года после Тунгусского события), солнечная активность, существенно влияющая на содержание водяных паров в верхних слоях атмосферы (их становится больше в минимуме активности, именно такая ситуация имеет место в настоящее время).

Важность того или иного фактора можно будет оценить на основе систематических наблюдений облаков — не только и даже не столько самого факта их появления, а по данным измерений среднего размера частиц. Такие измерения сейчас проводятся как с борта искусственных спутников Земли, так и с поверхности нашей планеты.

Для этого используются лидары (лазерное зондирование) и измерение яркости, цвета и поляризации облаков на небе. Фактически, эту важную работу можно производить средствами обычных современных цифровых фотокамер, и здесь вклад любителей астрономии и наблюдателей, имеющих подобную аппаратуру, может быть весьма существенным.

Олег Угольников