Серебристые облака и их наблюдение

И. А. Хвостиков построил по известным тогда данным о строении верхних слоев атмосферы кривые изменения давления Р и упругости насыщенного пара E с высотой. Получилась такая картина (рис. 27).

Рис. 27.Диаграмма И. А. Хвостикова (1952 г.).

Вся атмосфера делится по высоте на четыре области:

— область I (от поверхности до высоты 30 км), где Р > Е и наблюдаются обычные тропосферные, а также перламутровые облака, появляющиеся иногда на высотах 22÷30 км;

— область II между высотами 30÷75 км, где Р < Е и никакие облака никогда не наблюдались;

— узкая область III в интервале высот 75÷85 км, где и наблюдаются серебристые облака и где снова выполняется условие Р > Е;

— область IV выше 85 км, где опять становится Р < Е и облака не наблюдаются.

Работа И. А. Хвостикова произвела большое впечатление, но и вызвала сильную критику со стороны приверженцев метеорной гипотезы происхождения серебристых облаков. Они указывали, в частности, что в области III условие Р > Е хотя и выполняется, но держится буквально «на волоске»: стоит температуре в мезопаузе немного повыситься, и условие Р > Е выполняться не будет. Кроме того, условие Р > Е — необходимое, но недостаточное для конденсации водяного пара; достаточным является условие (18), а величина q — малое число. Иначе говоря, если даже общее давление воздуха будет больше упругости насыщенного пара, парциальное давление водяного пара может оказаться недостаточным, чтобы процесс конденсации имел место.

В то время данных о температуре мезопаузы было очень мало. В 30-е годы господствовало представление о довольно высоких температурах в этой области атмосферы — около 300 К и более. Температуру определяли косвенными методами: по скорости распространения звука от сильных взрывов, по торможению метеоров и т. д. Запуски ракет с приборами в верхние слои атмосферы в конце 40-х — начале 50-х годов значительно изменили наши сведения о температуре мезопаузы в сторону ее существенного понижения.

Так, в «экспериментальной схеме атмосферы» Национального совещательного комитета по аэронавтике США (NACA), опубликованной в начале 1947 г., минимальная температура мезопаузы была определена в 240 К. Но уже полет исследовательской ракеты 7 марта 1947 г. Дал минимальную температуру 200 К, а обработка наблюдений распространения звуковых волн от сильного взрыва на о. Гельголанд 18 апреля 1947 г, дала Т_min = 173 К. В 1953–1954 гг- были опубликованы средние кривые распределения температуры, дававшие Т_min= 190÷195 К.

Но вскоре стало ясно, что в мезопаузе могут наблюдаться и гораздо более низкие температуры. В 1957 г. были опубликованы результаты большой серии советских ракетных экспериментов, проводившихся под руководством В. В. Михневич в европейской части СССР с июня по сентябрь, т. е. в тот сезон и на тех широтах, когда и где наблюдаются серебристые облака. Был зарегистрирован четкий минимум температуры на высоте 80–85 км с Т_min = 150 К. Годом позже бельгийский аэролог М. Николе на основании анализа поглощения рентгеновских лучей на больших высотах получил Т_min = 160 К. Наконец, запуски ракет, проведенные в летний период 1958 г. Морской исследовательской лабораторией США в форте Черчилль (широта около 59°), показали Т_min = 165 К.

Сопоставление всех этих результатов с более высокими значениями температуры мезопаузы, полученными ранее американскими учеными по запускам ракет с полигона Уайт Сэндс (широта 33°), позволило автору этой книги в августе 1958 г. предложить объяснение сезонного и широтного эффектов появлений серебристых облаков тем, что именно на средних широтах в летнее время года в мезопаузе происходит понижение температуры до крайне низких значений 150÷165 К.

Новая диаграмма (рис. 28) типа построенной в 1952 г. И. А. Хвостиковым показывала теперь уже гораздо более широкий и длинный «язык» в области III в мезопаузе, обеспечивающий выполнение условия (18) даже при очень малых значениях q, а значит, и возможность формирования в этой области серебристых облаков.

Рис. 28.Распределение давления Р (в миллиметрах) и упругости насыщенного пара E по данным Института прикладной геофизики АН СССР (ИПГ) и Морской исследовательской лаборатории США (NRL).

Но нужно было еще дать ответ на прямой вопрос: существует ли на столь большой высоте водяной пар в количестве, достаточном для образования серебристых облаков? Иначе говоря, не слишком ли мало значение q?

Серия измерений концентраций водяного пара в стратосфере, на высотах от 16 до 40 км, проведенными разными авторами в 1949–1962 гг., давала максимальные значения q = 3∙10^-4, хотя некоторые измерения показывали значения, в 10–15 раз меньшие. Но если водяной пар проникает в верхние слои атмосферы из нижних слоев, то казалось, что на высоте 80 км q должно быть еще меньше.