Науково-популярні статті з різних галузей астрономії

Сріблясті хмари

Б. М. Скоритченко

Астрономічна обсерваторія Київського національного університету імені Тараса Шевченка

Сріблясті хмари на висоті понад 10 км над південною частиною острова Нунівак (Аляска). Автор світлини Джон Бордман (John Boardman). Фото з сайту NASA.

Вперше звернув увагу на ці об’єкти 8 червня 1885 р. німецький дослідник Т. Бакгауз (м. Кісінген), про що він повідав у метеорологічному часописі. 10 червня того ж року сріблясті хмари помітив В. Ласка з Праги, але повідомлення про цей факт з’явилося лише через кілька років. 12 червня цим явищем зацікавився В.К. Цераський (приват-доцент Московського університету) під час вимірювання блиску зір. Його занепокоїло те, що сріблясті хмари видно лише у присмерках, на нічному ж небі вони не помітні і тому можуть спотворювати результати фотометричних вимірювань (пізніше з’ясувалося, що ці хмари дуже прозорі і практично не поглинають випромінювання зір). Через два тижні В.К. Цераський разом з А.А. Бєлопольським визначив висоту сріблястих хмар (79 км). 23 червня дуже яскраві сріблясті хмари були помічені багатьма спостерігачами в Європі, зокрема астрономом Е. Гартвігом (м. Дерпт, зараз — м. Тарту, Естонія), метеорологом О. Ієссе (м. Штегліц, Німеччина). Останній організував масові спостереження цього явища, і особисто виконав велику роботу по вимірюванню висот та швидкостей руху сріблястих хмар (до речі, цей термін запропонував саме О. Ієссе). Виявилось, що середня висота їх дорівнює 82±5 км, швидкість руху — від 40 до 180 м/с в напрямку на південний захід. 1889 р. в наукових часописах з’явились фотографії сріблястих хмар з двох пунктів, отримані О. Ієссе. 20 грудня1885 р. сріблясті хмари були помічені у Південній півкулі Землі на широті -52° Штубенраухом (м. Пунта-Аренас, Чилі). У Північній Америці перші спостереження сріблястих хмар датуються 1933 р. (можливо, вони просто лишалися поза увагою спостерігачів).

Перша гіпотеза, з допомогою якої намагались пояснити природу сріблястих хмар, з’явилась в 1887 р. Німецький фізик Ф. Кольрауш та згадуваний вище О. Ієссе пов’язали появу сріблястих хмар з виверженням у 1883 р. вулкана Кракатау і занесенням водяної пари у верхні шари атмосфери. Ця гіпотеза проіснувала кілька десятиріч і була відкинута після того, як потужні виверження вулканів 1902 та 1912 рр. не викликали появи сріблястих хмар. В 1926 р. Л.О. Кулик запропонував нову гіпотезу, згідно до якої поява сріблястих хмар пов’язувалась з розсіюванням метеорної речовини у верхніх шарах атмосфери. Тоді ж У. Хамфрісом, А. Вегенером та В. Ярдецьким була запропонована ще одна гіпотеза, за якою поява сріблястих хмар пояснювалась конденсацією водяної пари та утворенням кришталиків льоду у високих шарах атмосфери. За гіпотезою для подібного процесу на висоті приблизно 80 км потрібна температура не вища за 160 К, а на той час вважалось, що температура на таких висотах сягає 300 К. Лише після безпосередніх вимірювань температури атмосфери за допомогою ракет і виявлення другого температурного мінімуму на висотах 75—80 км, «конденсаційна» гіпотеза була теоретично обгрунтована (1952 р.) І.А. Хвостиковим і набула визнання. В 1954 р. В.О. Бронштен, розвиваючи цю гіпотезу, пояснив появу сріблястих хмар тільки влітку і тільки в середніх широтах. Трохи пізніше (1955 р.) Н.І. Гришин розробив морфологічну класифікацію (див. таблицю) форм сріблястих хмар (яка згодом стала основою міжнародної класифікації), отримав їхні спектри, знайшов зв’язок між появою їх і метеорологічними умовами в тропосфері, вивчив динаміку хвильових процесів у хмарах за допомогою сповільненої кінозйомки.

Таблиця

Класифікація форм сріблястих хмар

Проведення в 1957—1959 рр. так званого Міжнародного геофізичного року сприяло інтенсифікації досліджень сріблястих хмар. В багатьох країнах світу почали їх систематичні спостереження. Зокрема, в США та Канаді під керівництвом Б. Фогля була організована спеціальна мережа спостережницьких станцій.

Так що ж це за утворення — сріблясті хмари, коли вони спостерігаються, чому та як утворюються?

Їх можна бачити звечора (по закінченні вечірніх громадянських присмерків і до настання ночі) або вранці (після закінчення ночі і до початку вранішніх громадянських присмерків), тобто коли зенітна відстань центра Сонця дорівнює 96—108°. У Північній півкулі Землі сріблясті хмари найчастіше спостерігають в інтервалі широт 50—65°, однак зареєстровані випадки спостережень на широтах від 45 до 77°; у Південній півкулі — від -52 до -80°.

З’являються сріблясті хмари між березнем та жовтнем, але найчастіше — між кінцем травня та серединою серпня. Максимум видимості практично завжди припадає на 5 липня.

Висота, на якій спостерігаються сріблясті хмари, становить 73—97 км (за спостереженнями О. Ієссе, К. Штермера, М. І. Бурова, М. А. Дірікіса, С. В. та Ю. Л. Францманів у 1887—1964 рр.) А за вимірюваннями Н. Аумф-Ордта, І. Нейсера, Г. Булла у 1967—1972 рр. — від 73,5 до 93,5 км, з трьома максимумами: 77, 83 та 88 км. Середня висота хмар за спостереженнями багатьох вчених з різних країн дорівнює 82,97 км.

Швидкість переміщення сріблястих хмар — від 40 до 177 м/с, проте М.І. Буров за спостереженнями 1964—1965 рр. отримав значення — від 17 до 262 м/с. Рух цих об’єктів відбувається з північного сходу на південний захід (середнє значення геодезичного азимута — 240°). У 1938 р. Г.О. Затейщиков та В.О. Бронштен помітили циклоноподібний рух з радіусом 20—70 км. Інколи спостерігається і вертикальний рух (вгору або донизу) зі швидкістю до 10 м/с.

1958 р. В.О. Бронштен пояснив сезонний та широтний ефект появи сріблястих хмар тим, що саме на середніх широтах у літній час в мезопаузі температура знижується до 150—165 К, внаслідок чого можуть з’являтися кришталики льоду, з яких і складаються сріблясті хмари. Працями І.С. Шкловського, В.І. Красовського, А. Мейнела, Н.Н. Шефова, В.В. Фединського, С.П. Перова, Д. Зоннтага та ін. в 1950—1960 рр. було доведено, що на висотах 70—90 км концентрація водяної пари достатня для появи необхідної кількості кришталиків льоду.

Було запропоновано два пояснення механізму появи водяної пари та сріблястих хмар на великих висотах. За першим (більш простим) поясненням в стратосфері влітку з’являється висхідний потік повітря, який виносить в мезопаузу водяну пару, там вона вимерзає, утворюючи сріблясті хмари. На інших широтах висхідні потоки або не з’являються, або у мезопаузі на той час не існує відповідний температурний режим. В працях І.А. Хвостикова та І.М. Кравченка (1967 р.) показана ймовірність такого механізму. За другим поясненням (більш екзотичним) водяна пара з’являється на великих висотах внаслідок взаємодії атомів водню, що «прибули» у складі частинок сонячного вітру, з атомами кисню верхніх шарів атмосфери. Такий процес отримав, за пропозицією Б. Хаурвіца, назву «сонячний дощ». Ця гіпотеза була запропонована 1933 р. норвезьким геофізиком Л. Вегардом, підтримана 1952 р. І.А. Хвостиковим, теоретично обгрунтована 1961 р. французьким дослідником К. де Турвілем.

Проте за розрахунками І.А. Хвостикова (1966 р.), тієї кількості молекул води, що з’являються внаслідок такого процесу, недостатньо для виникнення сріблястих хмар. Тому головним чинником, який забезпечує необхідну для появи хмар вологість повітря, слід вважати, мабуть, систему висхідних потоків у стратосфері.

Тепер розглянемо питання про ядра конденсації водяної пари. Відомо, що для самостійної, без ядра, конденсації пари у крапельку необхідно, щоб тиск пари був значно більшим за тиск насиченої пари над плоскою поверхнею рідини. Тобто при відсутності ядер конденсації поява сріблястих хмар неможлива.

У процесах конденсації ядра розрізняються за розмірами таким чином: ядра Айткена (0,005—0,1 мкм), важкі (0,1 — 1 мкм) та надважкі (1—20 мкм). Головну роль в утворенні тропосферних хмар відіграють два останні види ядер. Л.О. Кулик (1926 р.) та В.О. Бронштен (1950 р.) запропонували гіпотезу, згідно з якою ядра конденсації мають метеорну природу. Як відомо, до метеорів відносять тіла з такими масами: від декількох грамів до 10-6 г (ці метеори можна спостерігати візуально); від 10-6 до 10-9 (ці тіла спостерігаються в бінокль або телескоп); від 10-9 до 10-12 г (реєструються за допомогою радіолокаторів). Метеорні тіла меншої маси, так звані мікрометеорити, гальмуються в атмосфері перше ніж розігріються до температури випаровування, а їхні розміри збігаються з розмірами важких та надважких ядер конденсації. Протягом доби на поверхню Землі випадає приблизно 100 т метеорної речовини, цього достатньо для виникнення необхідної кількості ядер конденсації.

Не  можна також  відкидати запропоновану Г.М. Мартинкевичем думку, що ядрами конденсації можуть бути об’єднання іонів (кластери).

Спостереження сріблястих хмар неважкі, і астрономи-аматори можуть отримати дуже цікаві і важливі для науки результати. Аматорські спостереження можна розподілити на такі види:

1. Синоптичні спостереження, тобто спостереження в присмерковий час з метою виявлення сріблястих хмар. При наявності їх треба реєструвати азимут, висоту, яскравість, морфологічні форми та інші особливості сріблястих хмар. Такі спостереження необхідно проводити на майданчику з відкритою північною частиною обрію, маючи годинник і, по можливості, ще й бінокль.
2. Дослідження структури сріблястих хмар. Спостереження провадять або візуально (з біноклем), або фотографуючи кількома фотоапаратами, або використовуючи сповільнену кінозйомку.
3. Вивчення руху сріблястих хмар. Для цього застосовують послідовне фотографування або сповільнену кінозйомку з інтервалом 15 хв. Координати орієнтирів визначають за допомогою теодоліта.
4. Визначення висоти сріблястих хмар. З цією метою фотографують хмари за допомогою однотипних фотоапаратів в один і той же момент в двох пунктах, які знаходяться на відстані 20—30 км один від одного. При цьому необхідно мити точні годинники і спеціальну палетку для обробки спостережень.
5. Фотометричні та поляриметричні спостереження сріблястих хмар. Необхідно мати такі прилади: трубчастий фотометр, спеціальний ліхтар для калібрування  фотознімків; для поляриметрії потрібні три однакові фотоапарати, три поляроїдні світлофільтри, мікрофотометр для обробки спостережень. Деякі прилади може виготовити сам аматор.

При плануванні спостережень необхідно спочатку визначити мету їх. Під час спостережень бажано ретельно фіксувати і записувати в журнал спостерігача всі відомості і характеристики явища. В журналі необхідно вказувати дату і час спостереження, наявність і яскравість сріблястих хмар, морфологічні форми, метеорологічні дані, відомості про закриття присмеркового сектора звичайними хмарами та про наявність хмар на небі взагалі.

Обробка спостережень складається з вимірювання фотознімків, проведення обчислень з метою визначення висот, швидкостей, яскравостей, значень поляризації та ін. Після закінчення сезону синоптичних спостережень бажано дослідити розподіл сріблястих хмар за місяцями, годинами, за формою та яскравістю. Якщо виконувати систематично і ретельно ці прості на перший погляд спостереження, то вони дають змогу отримати цікаві та важливі наукові результати.

Джерело: Короткий астрономічний календар 1996, С. 193—198