Noctilucent Clouds In The Winter Skies Of Russia
Серебристые облака обычно наблюдают летом, но в декабре 2024 г. их увидели в Сибири. Это чрезвычайно редкое явление исследовал старший научный сотрудник ИКИ РАН Олег Угольников. Он пришел к выводу, что запечатленные на фотографиях облака действительно образовались в мезосфере, а произошло это в результате внезапного стратосферного потепления и изменений в режиме атмосферной циркуляции в северном полушарии Земли. Подобные процессы происходят почти каждую зиму, но появления серебристых облаков при этом ранее не фиксировали. Фактически, речь идет о первом документированном наблюдении такого феномена. Результаты работы опубликованы в архиве электронных препринтов arxiv.org.
Серебристые облака обычно образуются летом в полярных и средних широтах на очень большой высоте — 80–85 км, т.е. в мезосфере (отсюда их другое название — полярные мезосферные). Это самое холодное место на планете Земля, и самое интересное состоит в том, что температура здесь, как и в нижних слоях, тоже зависит от сезона, но наоборот. Зимой в мезосфере теплее, чем летом, когда температура может понижаться до 130–140 градусов Кельвина (около -140 градусов по Цельсию) и меньше.
При очень низких температурах в разреженной мезосфере водяной пар может замерзнуть, и тогда наблюдаются серебристые облака. Их «сезон» в Северном полушарии обычно начинается в июне и заканчивается в начале августа.
Однако 17–19 декабря 2024 г. явления, очень похожие на серебристые облака, увидели и сфотографировали наблюдатели-любители около Красноярска и Магадана. Этим явлением заинтересовался Олег Угольников, старший научный сотрудник сектора субмиллиметровой и инфракрасной астрономии отдела наблюдательной и теоретической астрономии и радиоинтерферометрии ИКИ РАН.
Используя присланные фотографии и разработанный им метод вычисления высоты по изменению цвета облаков, входящих в тень Земли на закате или рассвете, он определил приблизительную высоту облаков, — около 70 км, с погрешностью около километра. Этот уровень на 10 км ниже, чем в обычных летних условиях, но также входит в мезосферу, поэтому можно с полным правом говорить о том, что в декабре 2024 г. в России удалось наблюдать очень редкое явление — зимние серебристые облака.
Но почему они появились в это время года? Чтобы объяснить это, ученый проанализировал изменения температуры и влажности воздуха в полярных широтах. Он предположил, что причина появления облаков в мезосфере на самом деле находится в более низких слоях — в стратосфере, где началось так называемое внезапное стратосферное потепление (SSW). Из-за взаимодействия с планетарными гравитационными волнами резко меняется режим циркуляции воздуха. Холодный полярный стратосферный вихрь, который зимой образуется над полюсом, смещается в сторону, стратосфера в определенных районах начинает теплеть, а вот мезосфера, напротив, начинает охлаждаться, подобно тому, как это происходит летом.
Действительно, как показали данные прибора MLS на спутнике EOS Aura (NASA), в той области, где потом наблюдали серебристые облака, 11 декабря началось внезапное стратосферное потепление. Температура стратосферы на высотах 30–50 км стала расти (в отдельных местах в итоге потеплело сразу на 50 градусов). Примерно в это же время мезосфера начала охлаждаться, и около 18 декабря по данным того же прибора был достигнут минимум — 165 K (-108° C) на высоте около 68 км.
«Полярный стратосферный вихрь во время потепления сместился в Западное полушарие, а холодный участок мезосферы спустился в средние широты на центральной Сибирью. Серебристые облака наблюдали в центре и к востоку этого региона. Не исключено, что их можно было бы наблюдать и между этими двумя точками, но либо они не образовались из-за погодных условий, либо в этих местах просто не было наблюдателей», — говорит Олег Угольников.
Исследователь также обращает внимание на то, что температура 165 K кажется недостаточной для того, чтобы водяной пар мог сконденсироваться на такой высоте. При обычных условиях требуется температура около 155 K (-118° C).
Однако возможно, что при внезапной стратосферном потеплении восходящие воздушные массы подняли в мезосферу дополнительный водяной пар. И действительно, по данным того же прибора MLS в районе температурного минимума 15–18 декабря содержание водяного пара иногда достигало 10 частиц на миллион (ppm), что почти вдвое больше, чем характерно для этих высот в среднем (около 5 ppm). Чем выше влажность, тем проще образоваться облакам.
Кроме того, за счет распространения в мезосферу акустико-гравитационных волн температура может быть подвержена колебаниям с амплитудой в десятки градусов. По данным более высокого пространственного разрешения, которые получает прибор SABER на спутнике TIMED (NASA), можно заключить, что 17–18 декабря на ночной стороне Земли температура на высоте 68-70 км в отдельных местах падала ниже 155 K, что достаточно для замерзания водяного пара при той влажности, что наблюдалась 18 декабря.
Итак, в конце 2024 года нам очень повезло — благодаря стечению многих факторов удалось увидеть буквально «штучное» небесное явление. Фактически, впервые в истории документированных наблюдений серебристые облака наблюдались зимой.
Но могут ли зимние серебристые облака стать такими же частыми, как и летние?
Олег Угольников полагает, что нет: слишком велика разница между температурой в мезосфере и температурой конденсации водяного пара на этой высоте. Внезапное стратосферное потепление, с которого начался этот процесс, имеет причиной взаимодействие сезонной атмосферной циркуляции и планетных волн, которое происходит не часто. Тем интереснее изучать столь красивые и необычные эффекты.
Статья, описывающая результаты работы, опубликована в архиве электронных препринтов arXiv.org.
Благодарим всех наблюдателей, предоставивших фотографии для анализа! Авторы приведенных в новости снимков: Е.В. Стукалова и Л.П. Яковлева.
Дополнительная информация
- Oleg S. Ugolnikov. Winter Noctilucent Clouds Following Sudden Stratospheric Warming: First Observations https://doi.org/10.48550/arXiv.2501.05432