С севера на юг: движение серебристых облаков исследовали в ИКИ

Лето в северном полушарии — сезон наблюдений серебристых облаков. Облачный слой тонкий и находится очень высоко, поэтому он хорошо виден только в сумерках, когда Солнце для наблюдателя на Земле уже скрылось, но его лучи подсвечивают облака из-за горизонта.

Это не только красивое зрелище, но и индикатор состояния атмосферы: частицы водяного льда конденсируются на микрометеоритах или ионах при определённых температуре и содержании водяного пара. Впервые серебристые облака наблюдали в конце XIX в., и их появление стало индикатором вероятных изменений, которые происходили с климатом Земли в результате индустриального развития. Их наблюдения помогают исследовать атмосферу нашей планеты и следить за изменениями её климата.

Серебристые облака образуются в мезосфере на высоте примерно 80—85 км над поверхностью Земли. Это самое холодное место на планете Земля: температура тут может опускаться до 130–140 градусов Кельвина (ниже -130º градусов Цельсия) и даже меньше. Именно благодаря очень низким температурам и могут образовываться кристаллики льда: водяной пар кристаллизуется на частичках метеорной пыли или, за счет дипольного момента молекулы воды, на ионах, присутствующих в этих слоях атмосферы.

Размеры отдельных облачных частиц зависят от температуры и содержания водяного пара. В результате моделирований было показано, что характерное время роста частицы до радиуса порядка 100 нанометров (один нм — одна миллиардная доля метра) составляет около 10 часов. Если частицам удаётся вырасти достаточно большими, то они опускаются в более низкие и более тёплые слои атмосферы. Там ледяные кристаллы сублимируются — снова превращаются в водяной пар. Скорости образования льдинок и их сублимации зависят от движения атмосферных потоков в первую очередь, от переноса по меридиану, чаще всего — с севера на юг. Таким образом, если знать высоту серебристых облаков и размеры составляющих их частиц, можно восстанавливать температуру атмосферы на различных высотах.

Олег Угольников, старший научный сотрудник ИКИ РАН, уже несколько лет ведёт наблюдения серебристых облаков. Одна из особенностей этой работы, в которой принимают активное участие его коллеги из других организаций и наблюдатели-любители, — используются довольно распространённые широкоугольные фотокамеры, в принципе, доступные любому человеку. Конечно, они предварительно калибруются. Как исследователь показал ранее, по фотометрическим данным, полученным с помощью этих (речь идёт, фактически, о яркости изображения) можно оценить размер частиц облаков.

Систематические наблюдения проводились в течение нескольких лет в разных областях России и продолжаются сейчас. Один из новых результатов — по наблюдениям в летние месяцы 2023—2025 гг. удалось проследить за перемещениями облаков с севера на юг и выяснить зависимость размеров частиц от высоты, скорости перемещения облаков и температуры.

Для таких наблюдений использовалась пара фотоаппаратов, один из которых был расположен примерно на 100 км к северу (в одном случае — к северо-востоку) от второго. Таким образом, были получены своего рода «стереопары», где один и тот же участок неба снимался под разными углами.

По относительному смещению изображения на двух фотографиях можно оценить высоту облаков, направление и скорость их перемещения, а с помощью фотометрических данных — размер составляющих облако частиц. Далее можно решать более сложную задачу — определить темп изменения размеров частиц, и связать его с соответствующими изменениями температуры.

Главная характерная особенность — во время все наблюдений, которые попали в выборку, облака перемещались с севера на юг. Скорость в южном направлении менялась в широком диапазоне, от 0 до 50–60 м/с. В зональном направлении преобладало движение облаков на запад, с той же максимальной величиной. Вертикальная скорость (снижение облаков), была гораздо меньше — очень редко превышала 2 м/с.

При этом, чем ниже находится облако, тем его частицы крупнее и быстрее уменьшаются: лёд в низких и более тёплых слоях атмосферы снова превращается в водяной пар. Но чем быстрее движется облако с севера на юг, тем больше шансов, что оно успеет опуститься и достичь более южных широт до того, как исчезнет.

Одним из интересных событий стало утро 4 июля 2023 г., когда серебристые облака были наиболее яркими за всё время наблюдений и одновременно одними из самых низких — их высота составила примерно 80 км. Радиус частиц достигал почти 100 нм, а скорость перемещения с севера на юг достигала 60 м/с.

По данным спутника EOS Aura (NASA), в это время в этой области Северного полушария наблюдалось резкое понижение температуры между 55° и 60° северной широты — примерно там, где и наблюдались серебристые облака. Также по спутниковым данным оказалось, что на широте 65° значительно падало содержание водяного пара в атмосфере, что вероятно связано с образованием ледяных частиц серебристых облаков. Образовавшись примерно на широте 60° при температуре около 130 градусов Кельвина, они затем очень быстро перемещались в более теплые нижние широты. Используя данные фотометрии, была вычислены скорость уменьшения частиц облаков — примерно 0.015 нм в секунду. Таким темпом облако может полностью исчезнуть примерно за 2 часа, что согласуется с теоретическими моделями. С помощью довольно простых наблюдений удалось подтвердить корреляции между размерами частиц серебристых облаков, скоростью передвижения облаков, их высотой и температурой атмосферы.

Статья с результатами работы опубликована в журнале Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics.