Самые высокие облака

01 февраля 1984 года, 00:00

Возвращаясь на рассвете 12 июня 1885 года в Москву, молодой приват-доцент Московского университета, астроном Витольд Карлович Цераский заметил на небосводе совершенно необычные облака. Они казались светящимися даже на фоне алого сегмента зари, там, где все прочие облака выглядели темными силуэтами. Хотя метеорология и не входила в программу работ Московской обсерватории, Цераскому стало ясно — происходит нечто редкостное. И не заинтересоваться феноменом было бы кощунством.

В то время Витольд Карлович занимался проблемой точного измерения блеска звезд. Следя за ночными светящимися облаками, как он назвал их, молодой ученый заметил, что, выходя за пределы сумеречного сегмента, те переставали быть видимыми. Словно куда-то исчезали.

— Но если облака, выходя за пределы сегмента зари, только перестают быть видны, а не исчезают, значит, могут поглощать свет звезд? — вслух принялся размышлять Цераский.— Надо проверить, насколько они ослабляют блеск светил...

Дождавшись, когда одно из облаков оказалось на пути луча яркой звезды Капеллы, астроном измерил ее блеск своим фотометром. Затем, после исчезновения облака, повторил опыт. Никакой разницы не обнаружилось. Проделал те же измерения на более слабой звезде. И опять никакого различия. Словно таинственные облака были абсолютно прозрачными.

Так состоялось открытие знаменитых серебристых облаков, самых высоких из всех, плавающих в земной атмосфере.

Справедливости ради заметим, что В. К. Цераский не был первым из ученых, кто их увидел. За четыре дня (надо же!) до него их заметил Т. Бакгауз в германском городе Киссингене, а еще два дня спустя — Вацлав Ласка, будущий основатель астрономической обсерватории во Львове. Однако Ласка ничего не сообщил о своих наблюдениях, а Бакгауз ограничился краткой заметкой в одном из метеорологических журналов. Цераский же первым решил выяснить природу «ночных светящихся облаков», как он их назвал.

Уже из того, что неведомые облака светились на фоне сегмента зари и становились невидимыми, выходя за его пределы, явствовало: они светят отраженным светом Солнца и расположены столь высоко, что Солнце еще может их освещать, тогда как обычные облака уже попадают в тень. Темными кажутся даже перистые облака, плавающие на высотах восемь-двенадцать километров. Значит, светящиеся расположены гораздо выше. Но насколько?

Цераский поделился своими размышлениями с молодым астрофизиком (впоследствии академиком) Аристархом Аполлоновичем Белопольским. И они решили действовать сообща.

В среднем из пяти измерений, произведенных ими 26 июня, была получена высота 73,5 километра. Фиксировалась и семидесятикилометровая высота. Итак, серебристые облака располагались значительно выше перистых.

Цераский не спешил с публикацией полученных результатов. Он сделал это только два года спустя, посвятив серебристым облакам один из параграфов своей докторской диссертации. Но сообщение о необычном явлении прошло незамеченным.

А между тем 23 июня 1885 года яркие серебристые облака заметили ученые в разных городах Европы. Среди них был эстонский астроном Эрнст Гартвиг, наблюдавший их в Тарту, и немецкий метеоролог Отто Иессе в Штеглице. Особенно заинтересовался удивительными облаками Иессе. Он и назвал их серебристыми. 30 июня Иессе тоже попробовал определить высоту серебристых облаков, применив, однако, весьма несовершенный метод, и получил 42 километра — величину, заниженную (как потом признал и сам Иессе) почти вдвое.

Одна из его многочисленных статей и заметок о серебристых облаках, опубликованная в журнале «Астрономише Нахрихтен» («Астрономические сообщения»), попала на глаза Цераскому...

И все же на Западе узнали о работах Цераского и Белопольского. 19 августа 1887 года в городке Юрьевце на Волге наблюдалось редкое астрономическое явление — полное солнечное затмение. Туда прибыла экспедиция Московской обсерватории во главе с А. А. Белопольским. Вместе с ним приехали молодой ассистент П. Штернберг и зарубежные ученые: немецкий астроном Г. Фогель и бельгиец Ж. Нистен.

Несмотря на облачность, наблюдения прошли успешно. А через месяц в бельгийском журнале «Сьель э терр» («Небо и земля») появилась заметка Нистена, в которой сообщалось об измерениях высот серебристых облаков, проведенных Цераским и Белопольским. Но Нистен не уточнил, в каком году были выполнены эти измерения, а Иессе решил, что речь идет об измерениях 1887 года. И в течение многих лет приоритет в измерении высоты серебристых облаков приписывался ему, хотя Цераский и Белопольский сделали это на два года раньше...

Но что собой представляли самые высокие облака земной атмосферы? Какова их природа? Почему их не видели раньше?

Первая гипотеза происхождения серебристых облаков — вулканическая. Ее высказал в 1887 году известный немецкий физик Фридрих Кольрауш (впоследствии — иностранный член Российской академии наук). Он напомнил, что 27 августа 1883 года произошло катастрофическое извержение вулкана Кракатау, при взрыве которого в воздух было выброшено около 35 миллионов тонн мелкораздробленной массы. В течение почти двух лет наблюдались оптические аномалии, связанные с этим извержением: светлые зори, кольцо Бишопа, уменьшение прозрачности атмосферы, поляризационные аномалии. Серебристые облака появились к концу этого срока. Кольрауш полагал, что они состоят не из пыли, а из капелек или кристаллов, которые сконденсировались из водяных паров, выброшенных при извержении и попавших в высокие слои атмосферы с низкой температурой.

Вулканическая гипотеза не выдержала испытания временем. Анализ световых аномалий после крупных извержений в различное время вулканов Мон-Пеле, Катмаи и других, проведенный группой советских ученых во главе с профессором Н. В. Васильевым, показал, что эти два явления не связаны друг с другом.

Над далекой Тунгусской тайгой взорвался, не долетев нескольких километров до земли, грандиозный метеорит. Внимание астрономов в первую же ночь — 30 июня 1908 года — привлекло необычное свечение неба, мешавшее их наблюдениям. Наблюдалось оно по всей Европе, вплоть до Англии. Но никто из астрономов не догадывался о причине свечения неба.

Тогда же, начиная с 30 июня и в течение нескольких ночей, Уильям Деннинг в Англии, Эрнест Эсклангон во Франции, Макс Вольф в Германии, Д. О. Святский в России наблюдали яркие серебристые облака. Но только через 18 лет появились первые попытки связать их появление с Тунгусским метеоритом. Сначала было высказано робкое предположение о возможности связи светлых ночей и серебристых облаков с падением Тунгусского метеорита. Затем эту идею развил известный исследователь метеоритов Леонид Алексеевич Кулик. «Являясь, с моей точки зрения,— писал он,— продуктами остывания возогнавшихся при полете метеоритов газов, эти облака в своем зарождении отвечали многочисленным пунктам обильных в этот период падений метеоритов и лишь затем, расплываясь, образовали мощные, может быть, даже слившиеся из отдельных участков экраны, которые и отражали с высоты 80 километров лучи зашедшего уже Солнца».

Но что означали «обильные в этот период падения метеоритов»? В конце июня 1908 года в Киевской губернии упал метеорит Кагарлык весом в два килограмма. Некоторое время Кулик считал его осколком Тунгусского метеорита. Потом от этой мысли пришлось отказаться. Но она подсказала ему другую: он предположил, что не только падения метеоритов, но и влет в нашу атмосферу обычных метеоритов может приводить к образованию серебристых облаков.

Метеорно-метеоритная гипотеза происхождения серебристых облаков стала популярной среди астрономов и вскоре вытеснила вулканическую. В самом деле, мощные извержения вулканов — события редкие, а метеоры падают постоянно.

...Но перенесемся уже в 1936 год. Для наблюдения редкого небесного явления — полного солнечного затмения 19 июня — в местечко Сагарчин, на юге Оренбургской области, прибыла экспедиция Московского отделения Всесоюзного астрономо-геодезического общества. Состав ее был исключительно молодежным. Даже начальнику, уже известному в то время исследователю метеоров Игорю Станиславовичу Астаповичу, исполнилось тогда всего 28 лет. А самый молодой участник едва достиг 16-летнего возраста. Готовили приборы, тренировались быстро перезаряжать кассеты с пластинками — ведь нужно было уложиться за те 117 секунд, что должна длиться полная фаза затмения. Вечерами наблюдали небо. И вдруг за два дня до затмения Астапович заметил у горизонта яркие серебристые облака. Он показал их другим участникам экспедиции, объяснил, что это такое. Двум из молодых астрономов — Геннадию Затейщикову и автору этих строк (нам было тогда по 18 лет) — серебристые облака, что называется, запали в душу. После возвращения в Москву мы стали усердно их наблюдать, фотографировать... А дальше под руководством Астаповича приступили к основательной обработке своих наблюдений, вычислили скорости движения серебристых облаков. И обнаружили новое явление: в течение одной ночи направление движения облаков менялось, они двигались как бы по дугам. Циклонические движения в зоне серебристых облаков!

Но и это было далеко не все. По наблюдениям на обширной территории Советского Союза — в Сибири такие наблюдения организовал другой энтузиаст, метеоролог Орест Васильевич Деминев,— были определены площади облачных полей — десятки и сотни тысяч квадратных километров; выявлено преимущественное движение облаков на запад и никогда — на восток; определены интервалы между «гребешками» — тонкими полосками, как бы грядами, напоминавшими гребни волн... Пройдет четверть века, и другой энтузиаст, Н. И. Гришин, докажет, что это действительно волны в атмосфере.

В ночь с 20 на 21 июня 1950 года в Москве, выйдя на шоссе в районе Лосиноостровской, я увидел на горизонте яркие серебристые облака. И обрадовался им как старым друзьям. Вынул записную книжку, немедля принялся зарисовывать, вести записи. Какая тонкая структура! Совсем как у перистых облаков. Может, метеорные частицы служат только ядрами конденсации для намерзания на них кристалликов льда?

За решение задачи взялся специалист по исследованию верхних слоев атмосферы Иван Андреевич Хвостиков.

Он рассуждал так. Серебристые облака образуются в тонком слое от 75 до 88 километров. Значит, там и только там есть условия для их образования? Метеорная гипотеза такой детали не объясняет — ведь испарение и распыление метеоров начинается много выше. А как быть с конденсацией водяного пара в кристаллики льда? Она может происходить лишь, когда давление, создаваемое паром, превысит упругость насыщенных паров при определенной температуре. Что упругость пара быстро падает с понижением температуры — знает всякий. Тому пример — образование инея в холодные ночи. А новые измерения температур в верхней атмосфере четко указывают на минимум температуры на высоте 82 километра.

Но это же и есть средняя высота серебристых облаков! Ученый сделал расчеты, построил графики. Получалось, что условия для конденсации облаков есть только в тропосфере (где образуются обычные облака) и в тонком слое мезопаузы, где и наблюдаются серебристые облака. Работа Хвостикова в начале 50-х годов наделала много шуму. Скептики возражали: «Откуда на такой высоте может взяться водяной пар? Да и температуры там не очень низкие: И. А. Хвостиков принимал температуру 220 градусов Кельвина, а американская модель атмосферы дает 240 градусов — при такой температуре вряд ли возможна конденсация пара в ледяные кристаллы».

В 1957 году начались международные исследования по программе Международного геофизического года (МГГ). Среди других задач ставились и ракетные исследования верхней атмосферы, и наблюдения серебристых облаков разными методами. Впервые были поставлены специальные фотометрические наблюдения облаков с нескольких станций, проведена замедленная киносъемка для изучения динамики облаков.

Вскоре были опубликованы результаты большой серии советских ракетных экспериментов, проведенных Институтом прикладной геофизики АН СССР под руководством Веры Викентьевны Михневич. Они показали, что с июня по сентябрь в средней полосе европейской части СССР, то есть там и тогда, когда наблюдаются серебристые облака, на высотах 80—85 километров наблюдается четкий минимум температуры — 154 градуса Кельвина! Получалось: именно летом и именно в средних широтах.

В августе 1958 года в Москве проходила V Ассамблея Специального комитета по МГГ. В рамках этой ассамблеи был организован симпозиум по серебристым облакам. С основным докладом о природе серебристых облаков выступил профессор И. А. Хвостиков. Известный немецкий астроном Куно Гофмейстер защищал метеорную гипотезу. Американские геофизики привели ряд возражений против существования ледяных кристалликов на такой высоте: по их расчетам под действием солнечных лучей они должны быстро испаряться. Автор этих строк привел данные, объясняющие с позиций ледяной (конденсационной) гипотезы сезонный и широтный эффекты появления серебристых облаков — только летом и только в средних широтах, а также гипотезу о роли метеорных частиц как ядер конденсации. До ее подтверждения тогда оставалось четыре года...

Материалы дискуссии были опубликованы в советской и зарубежной печати. Но, пока они готовились к печати, я успел произвести некоторые расчеты теплового режима ледяных кристаллов на уровне 80 километров. Удалось доказать, что лед может существовать на этой высоте. Маленькие ледяные кристаллики, размером всего в несколько микрон, а то и в долю микрона, практически прозрачны для лучей Солнца. Основное действие на них производит не Солнце, а тепловое излучение земной поверхности. И они не испаряются.

Тогда откуда же на таких высотах берется водяной пар? Измерения его концентрации с помощью приборов, установленных на ракетах, давали противоречивые результаты. Тогда сотрудники Центральной аэрологической обсерватории сконструировали новый, более чувствительный прибор. Несколько раз он запускался на высоты 70—90 километров и показал там достаточно высокую влажность для возможности конденсации пара.

Итак, пар на 80-километровой высоте есть. Но откуда он там берется? Поднимается из приземных слоев воздуха за счет его динамического перемешивания? Или... частично заносится с солнечным ветром?

Всем известно, что от Солнца во все стороны, в том числе и к Земле, непрерывно летит поток быстрых частиц — солнечный ветер. Конечно, молекул водяного пара в нем нет. Зато есть атомы водорода, самого распространенного газа на Солнце и в природе вообще. Так, может быть, эти атомы соединяются в верхних слоях атмосферы с атомами кислорода и образуют водяной пар и гидроксил?

После дебатов и симпозиумов многочисленные запуски ракет в СССР и за рубежом точно подтвердили: водяного пара на высоте 80 километров достаточно для образования там серебристых облаков.

...Интерес к природе серебристых облаков не пропадает. Пожалуй, стал даже пристальней. Исследуют их оптические свойства: характер рассеяния ими солнечных лучей, свойство поляризовать свет и многое другое. Так, научными сотрудниками Томского университета замечены серебристые облака в момент полной фазы затмения — первый случай наблюдения серебристых облаков во время затмения Солнца.

Конечно, далеко не все изучено в «приземных» серебристых облаках. А что говорить о нечто подобном на Марсе, Венере, Сатурне...

В. Бронштэн, кандидат физико-математических наук

Рубрика: Без рубрики
Просмотров: 6726