Серебристые облака и их наблюдение

Существуют две точки зрения на происхождение волновой структуры в серебристых облаках. Одна из них связывает возникновение этой структуры с распространением вверх так называемых волн Гельмгольца, вызываемых разрывом или скачком ветра на границе двух воздушных слоев разной температуры. Согласно другой гипотезе, причиной волновой структуры являются внутренние гравитационные волны, возникающие при обтекании горных хребтов, а также гребней антициклонов (областей повышенного давления атмосферы). При определенных условиях они могут достигать уровня мезопаузы и порождать наблюдаемую структуру серебристых облаков.

§ 5. Оптические свойства серебристых облаков

Геометрические условия освещения.

Рассмотрим подробнее, чем раньше, условия освещения поля серебристых облаков Солнцем. Пусть (рис. 18) в точке С на высоте H над земной поверхностью АВ находятся серебристое облако. Пусть погружение Солнца под горизонт (его отрицательная высота), т, е. угол NDS, равно . Из чертежа видно, что и LAOB — . Луч Солнца, касающийся земной поверхности, идет по направлению SBC. Очевидно, что точки облака, находящиеся левее С, т. е. выше над горизонтом наблюдателя A, окажутся в тени Земли и видны не будут (эта область заштрихована).

Найдем максимальную угловую высоту Н_max серебристого облака в меридиане Солнца (наш чертеж и весь расчет сделаны именно для этой плоскости). Из ΔОВС найдем вспомогательный угол ВОС = ψ:

Опустим из точки А перпендикуляр AК на прямую ОС. Тогда  Из ΔAOK будем иметь

По этой формуле для любого  можно найти h_max. Если положить H = 82 км, то ψ = 9°09′, H/R = 0,01288. При использовании формулы (8) нужно ввести в значение  поправку за рефракцию, которая для касательного луча равна удвоенной горизонтальной рефракции, т. е. Δ = -1°09′. Поэтому положим

 = ^' + Δ, (9)

где ^' — эфемерное (неискаженное рефракцией) погружение Солнца. Таким образом, данная величина h_max будет соответствовать меньшему погружению Солнца под горизонт, чем если бы рефракции не было.

Однако солнечные лучи, проходящие у самой поверхности Земли, испытывают весьма сильное поглощение в воздухе, и, как полагали некоторые ученые, вряд ли могут эффективно освещать серебристые облака. Если принять, что только лучи, проходящие выше некоторого уровня H₀, способны освещать их, то вместо формулы (7) мы будем иметь следующее выражение для

Если, например, H₀ = 30 км (уровень слоя озона), то ψ = 7°16′ и учитывать рефракцию уже не нужно. Из формулы (8) следует, что если  = ψ, то h_max = 90°, т. е. серебристые облака могут наблюдаться до самого зенита, а при  < ψ они могут переходить через зенит. Такие случаи бывают крайне редко, когда облака достаточно ярки, чтобы наблюдаться при столь малых погружениях Солнца, когда небо еще довольно светлое.

Напомним, что погружению Солнца на 6° соответствует конец гражданских сумерек, когда на небе появляются самые яркие звезды. Промежуток времени между погружением Солнца на 6 и 12° называется навигационными сумерками, а между 12 и 18° — астрономическими сумерками. При погружении Солнца сумеречный сегмент все уменьшается и при  = 18° исчезает — наступает ночь.

В самом деле, нетрудно показать на основании формул (7) и (8), что при условии  = 2ψ получим h_max = 0. Следовательно, серебристые облака могут наблюдаться при  =< 18°,3, а с учетом рефракции при  =< 19°,5. Если же принять H₀ = 30 км, то мы получим более строгое условие =< 14°,5.

Анализ наблюдений серебристых облаков в 1957–1959 гг. на 200 метеостанциях Гидрометслужбы СССР показал, что облака наблюдались в интервале  от 2° до 21° (в 1958–1959 гг. — только до 19°). Это означает, что H₀ < 30 км и весьма близко к нулю. Правда, здесь примешивается еще один фактор. До сих пор во всех расчетах мы принимали Н = 82 км, тогда как истинная высота серебристых облаков может быть и больше. Так, переход Н = 90 км увеличит допустимое  еще на один градус.

Возможность различить сребристое облако на фоне сумеречного неба зависит не только от яркости самого облака B_c, но и от яркости фона неба В_н, а точнее, от величины контраста между ними К:

K = (B_c — В_н)/B_c (11)

Как нетрудно заметить, величина К может изменяться в пределах от К = 0 (B_c — В_н) до К = 1 (В_н = 0). Но мы уже видели, что на совершенно темном небе серебристые облака наблюдаться не могут, так как тогда они не будут освещены солнечными лучами. Наибольшее отмеченное при наблюдениях значение контраста равно 0,70 (серебристые облака в 3,3 раза ярче фона неба).