Облака в объективе

Новый метод определения размеров частиц перламутровых и серебристых облаков с помощью оптических снимков предложил Олег Угольников, старший научный сотрудник ИКИ РАН. Точность этого метода сравнима с тем, что получается в результате лидарных и спутниковых измерений, но для него требуется гораздо более простое оборудование. Систематические исследования этих феноменов помогут понять, как на наших глазах меняется климат Земли.

Названия «перламутровые» и «серебристые облака» звучат очень поэтично, а сами облака, действительно, выглядят очень красиво. Эти два явления имеют разную природу, но и те, и другие служат индикатором изменений, которые происходят с земной атмосферой.

Фотография полярных стратосферных облаков, станция Ловозеро ПГИ РАН (Мурманская область) 27 января 2020 г. На изображение нанесены обозначения координат и линии равных углов рассеяния. Изображение из статьи O.S. Ugolnikov, B.V. Kozelov, S.V. Pilgaev, A.V. Roldugin, Retrieval of particle size distribution of polar stratospheric clouds based on Wide-Angle Color and Polarization Analysis, https://doi.org/10.1016/j.pss.2021.105213

Перламутровые облака образуются на высоте около 20 километров над поверхностью — в стратосфере, поэтому их ещё называют полярные стратосферные облака. Серебристые облака появляются гораздо выше, в мезосфере, на высоте около 80 км над землей. Соответственно, их иногда называют полярными мезосферными, а также «ночными светящимися» (noctilucent), поскольку из-за большой высоты их долго освещает Солнце, даже зашедшее за горизонт.

Атмосферное давление на таких высотах очень маленькое: на высоте 20 км в 100-1000 раз меньше, чем у поверхности Земли, на высоте 80 км — в 200 тысяч раз меньше. Чтобы при таком давлении вода (и не только вода) превратилась в лед, нужны очень низкие температуры.

Перламутровые облака состоят из частиц растворов серной и азотной кислот, которые конденсируются при температуре около -80° Цельсия. В их состав могут также входить фтор- и хлорсодержащие вещества, попадающие в стратосферу из более низких слоев. Их размеры обычно сотни нанометров (нм), иногда больше микрометра (мкм). Если становится холоднее (от -88° Цельсия и ниже), то образуются более крупные (несколько мкм) частицы водяного льда.

Вообще говоря, такие холода в стратосфере бывают нечасто. В том числе потому, что именно здесь находится озон, который хорошо поглощает ультрафиолетовое излучение Солнца и тем самым нагревает стратосферу. Но иногда температура всё-таки опускается достаточно низко, и образуются облака с «вмороженными» в них соединениями галогенов, особенно хлора. Потом, при освещении Солнцем, они начинают активно разрушать озон. Чем меньше озона, тем меньше нагревается стратосфера, и соответственно тем благоприятнее условия для появления перламутровых облаков — возникает положительная обратная связь.

Серебристые облака ночью 15 июля 2022 г. с нанесенной системой координат и векторами скорости видимых структур облаков. Изображение из статьи Oleg S. Ugolnikov, Cross-wave profiles of altitude and particle size of noctilucent clouds in the case of one-dimensional small-scale gravity wave pattern, https://doi.org/10.1016/j.jastp.2023.106024

Серебристые облака ночью 15 июля 2022 г. с нанесенной на изображение системой координат и векторами скорости видимых структур облаков. Изображение из статьи Oleg S. Ugolnikov, Cross-wave profiles of altitude and particle size of noctilucent clouds in the case of one-dimensional small-scale gravity wave pattern, https://doi.org/10.1016/j.jastp.2023.106024

В отличие от перламутровых, серебристые облака состоят из частиц водяного пара с размерами в несколько раз меньше — несколько десятков нм. Они находятся в мезосфере, самом холодном месте на планете. В среднем, температура здесь около -120° Цельсия, но, по данным измерений лидарных и спутниковых измерений, может сильно колебаться. Когда она опускается до определенного предела (около -130° Цельсия), водяной пар начинает замерзать, превращаясь в лед.

Интересно, что в последние годы эти облака стали наблюдать чаще, а их высота снизилась. Вероятное объяснение — похолодание верхней атмосферы из-за, как это ни странно звучит, парникового эффекта. Парниковые газы не дают теплу покидать нижнюю атмосферу и тем самым не дают нагреваться верхней.

Поэтому изучение серебристых и перламутровых облаков очень важно для понимания парникового эффекта. Их высоту, размеры и состав частиц измеряют с помощью лидаров, аэростатных зондов и спутников, но все это требует специального оборудования.

Олег Угольников, старший научный сотрудник сектора субмиллиметровой и инфракрасной астрономии ИКИ РАН, разрабатывает методы изучения высотных облаков на основе анализа цветных снимков облаков, которые можно получить с помощью вполне доступных широкоугольных RGB-фотоаппаратов, а также, в случае перламутровых облаков, поляризационных камер.

Свойства рассеяния света на частицах, в том числе интенсивность на разных длинах волн, зависят от размеров частиц. Значит, можно решить и обратную задачу — восстановить размеры по параметрам рассеяния, если мы хорошо знаем его характеристики.

В этом и состоит основа новой методики обработки снимков. Она включает также метод отделения полезного сигнала от облаков от фонового изображения неба, координатную привязку поля зрения по звездам, а также определение, при необходимости, высоты облаков, которую можно вычислить на основе того, в какой момент они входят в тень озонового слоя, а потом и нижних слоев атмосферы Земли.

Если частицы достаточно крупные (как в перламутровых облаках), то эта зависимость цветовых характеристик от размера может быть не однозначной, и тогда необходима дополнительная информация о поляризации рассеянного света.

С помощью этой методики Олег Угольников, совместно с коллегами из Полярного геофизического института РАН, исследовал перламутровые облака, которые наблюдались зимой 2019-2020 гг. на станции Ловозеро в Мурманской области. Тогда сложилась нечастая для Арктики ситуация: температура воздуха в у поверхности Земли была аномально высокой, а на высоте 20 км — аномально низкой. С помощью снимков, сделанных оптическими и поляризационными камерами всего неба, был определен средний радиус частиц — около 230 нм.

Методика была применена и к исследованию серебристых облаков, которые наблюдались летом 2020-2022 гг. В данном случае использовались только цветные снимки облаков, полученные широкоугольной камерой. Средний радиус частиц был оказался в диапазоне 50-100 нм. Эти результаты хорошо согласуются с результатами, полученными с помощью лидаров.

Олег Угольников подчеркивает, что методика достаточно проста, чтобы стать основой для регулярных и сетевых наблюдений за облаками, которые может проводить и неспециалист. Так что, если вам посчастливится наблюдать серебристые облака и сделать серию фотографий — она может стать не только воспоминанием о красивом явлении, но и материалом для научной работы.