Природа
Почему СО появляются в узком интервале высот со средним значением 82-83 километра?
Почему они наблюдаются только летом и только в средних широтах?
Почему они имеют характерную тонкую структуру, очень похожую на структуру перистых облаков?
Ответ на все эти вопросы дала конденсационная (или ледяная) гипотеза. Эта гипотеза серьезное обоснование получила в 1952 году в работе И.А. Хвостикова, который обратил внимание на внешнее сходство серебристых и перистых облаков. Перистые облака состоят из кристалликов льда. И.А.Хвостиков предположил, что и серебристые облака имеют такое же строение. Но для образования облаков из водянного пара нужны определенные условия.
Первым необходимым фактором для образования облаков является наличие водяного пара, а точнее некого физического состояния пара. Упругость насыщения находится в строгой зависимости от температуры: при понижении температуры окружающей среды, она падает. Теперь становится ясным, что вторым фактором, участвующим в формировании высотных облаков, является наличие достаточно низкой температуры для осуществления процесса конденсации. Процесс конденсации ускоряется при наличии ядер конденсации, то есть твердых, чаще всего, пылевых частиц плавающих в атмосфере, или как их называют специалисты - аэрозолей. Для более полного понимания явлений происходящих в атмосфере Земли, обратимся к ее строению.
Принято делить атмосферу по целому ряду признаков: по температуре, по составу, по физическим процессам участвующим на тех или иных высотах. Мы отдадим предпочтение температурному признаку, как наиболее доминирующему по всей толщине атмосферы.
Нижний, погодный слой принято называть - тропосферой. Здесь сосредоточено почти 90% всей массы земного воздуха, здесь же происходит активное перемещение воздушных масс, формируются все основные виды облачности. Характерной особенностью тропосферы является падение температуры с высотой в среднем на 6°, на каждые 1000 метров (отрицательный градиент температуры). Область минимальной температуры, находящейся над тропосферой на высоте 20 км называют - тропопаузой. В среднем ее температура равна -60° С. В этом слое на высоте около 22 км редко можно наблюдать так называемые перламутровые облака. Далее простирается стратосфера. До высоты 50 км наблюдается незначительное повышение температуры до -40°С (положительный градиент температуры) а затем ее постепенный спад. Этот процесс в основном обусловлен распадом молекулярного кислорода и образованием молекул озона. Озон, с одной стороны выполняет роль накопителя солнечной энергии, а с другой надежно предохраняет живые клетки от пагубного действия ультрафиолетового излучения Солнца. На высоте около 80 км (особенно в средних широтах) температура достигает наиболее низких значений в земной атмосфере -96°-130° С. Такой холод объясняется тем, что земное излучение сюда почти не доходит, а для излучений Солнца на этих высотах нет поглотителей (ниже таким поглотителем служит озон, а выше - атомарный кислород). Здесь располагается мезосфера - область, где и образуются серебристые облака. Выше мезосферы, температура вновь начинает расти и переходит в область термосферы. Важно отметить, что до высоты 90 - 110 км. состав атмосферы практически остается неизменным (азот - 78,09%, кислород - 20,95%, аргон - 0,93%, углекислый газ - 0,03%). В этой части атмосферы, под действием солнечного излучения происходит разрыв молекул химических элементов, поэтому выше они находятся в виде атомов. Далее в атмосфере происходит диффузное разделение газов по их удельным весам, легкие водород и гелий, концентрируются на границе атмосферы, а азот и кислород остаются внизу. Часть атомов и молекул ионизирована, т.е. превращена в ионы. Из них образуются слои заряженных частиц называемые, ионосферой. Здесь же наблюдаются полярные сияния.
Область смены температурного градиента в мезосфере, называют мезопаузой. В 1958 году В.А. Бронштэн дал объяснение сезонного и широтного эффектов появления серебристых облаков тем, что именно на средних широтах в летнее время года в мезопаузе происходит понижение температуры до крайне низких значений, таковы особенности циркуляции и теплообмена в верхней атмосфере. Таким образом, гипотеза И.А.Хвостикова о возможности формирования в этой области атмосферы серебристых облаков получила подтверждение.
Правда, перед исследователями стоял еще один вопрос: существует ли на столь большой высоте водяной пар в количестве, достаточном для образования серебристых облаков? Работы ученых по этому направлению дали неожиданный результат. Был установлен отчетливый максимум содержания водяного пара в июле-августе и минимум в январе-феврале (в северном полушарии). То есть, установлен факт повышения влажности в те сезоны, над теми широтами и на том уровне, где образуются серебристые облака. Этот факт имеет простое объяснение: выше 25-30 километров на средних широтах в летнее время наблюдаются восходящие токи воздуха, которые переносят водяной пар в область мезопаузы. Там водяной пар вымерзает, образуя серебристые облака. Его недостаток компенсипуется новым притоком пара снизу. На других широтах и в другие сезоны восходящие потоки воздуха либо не возникают, либо подавляются отсутствием вымораживания. Есть и другое объяснение. Оно состоит в том, что водяной пар на больших высотах образуется при взаимодействии атомов водорода, летящих к Земле от Солнца, с атомами кислорода верхних слоев земной атмосферы. Эта идея была высказана норвежским ученым Л. Вегардом в 1933 году и получила количественное обоснование в 1961 году в работе французского ученого К. де Турвиля. Правда, эта гипотеза "солнечного дождя" имеет слабые места и не может полностью объяснить повышенную влажность в мезопаузе. В последние годы некоторыми исследователями выдвинут еще один источник снабжения мезопаузы водяным паром. Такой гипотезы придерживаются, например профессор Университета штата Айова Л. Франк, российский ученый В.Н. Лебединец и некоторые другие ученые. Они считают, что область мезопаузы снабжают водяным паром в достаточном для образования серебристых облаков количестве мини-кометы.
Какие же частицы служат ядрами конденсации при образовании серебристых облаков? Высказывались различные предположения: частицы вулканической пыли, кристаллики морской соли, метеорные частицы. Гипотеза о том, что именно метеорные частицы служат ядрами конденсации, была высказана Л.А. Куликом в 1926 году в его метеорно-метеоритной гипотезе происхождения серебристых облаков. В 1950 году эту гипотезу вновь независимо выдвинул В.А. Бронштэн.
Гипотезе космического происхождения ядер конденсации сейчас отдается предпочтение. 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. Крупные частицы выпадают вниз на поверхность Земли, а мелкие задерживаются, и некоторое время плавают в верхней атмосфере подобно пыли на поверхности воды играя роль ядер конденсации. Неоднократные американо-шведские эксперименты по взятию высотных проб из области образования серебристых облаков подтвердили это предположение.
Ракетные эксперименты, выполненных в 80-е годы в Швеции, в рамках программы исследований холодной арктической мезопаузы, дали интересную информацию о составе серебристых облаков. На высотах 80-94 км обнаружен слой "тяжелых" положительных ионов, присутствие которых указывает на возможность образования ледяных частиц при сравнительно слабых колебаниях температуры. Облака, состоящие из подобных ледяных частиц, могут быстро распадаться, если температура повысится на 10-15°. Подобные условия возникают при движении внутренних гравитационных волн: именно на "холодных" участках таких волн формируются поля серебристых облаков. Наблюдатели часто отмечают это явление как характерное перемещение облачных полей с северо-востока на юго-запад. Внутренние гравитационные волны могут возникать по целому ряду причин: термический нагрев атмосферы, барические возмущения в тропосфере, приливные движения и так далее. Теоретически возможно образование этого вида волн при мощных взрывах и землетрясениях и извержении вулканов. Возможно, именно этот механизм участвовал при образовании серебристых облаков в Западной Европе, при формировании оптических аномалий связанных с взрывом Тунгусского метеорита. Несмотря на обилие данных, полученных к настоящему времени о верхней атмосфере, по-прежнему остается проблема в объяснении природы серебристых облаков. Какие глобальные события в земной атмосфере предопределяют их возникновение? Существует ли взаимосвязь с физическими процессами в нижней атмосфере? Какова природа морфологических структур серебристых облаков? Каков механизм физико-химических процессов в моменты их образования и распада? Все эти вопросы требуют в настоящий момент высокого качества наблюдательного материала и его тщательного анализа.
