В книге рассказывается о самых высоких облаках земной атмосферы — серебристых, или мезосферных облаках. В первой главе рассказано об условиях видимости, структуре, оптических свойствах, природе и происхождении серебристых облаков, об исследованиях их из космоса. Во второй главе даны указания к наблюдениям серебристых облаков средствами любителя астрономии.
Предисловие
Наблюдение серебристых облаков — одна из наиболее благодарных задач для любителя астрономии. Серьезные научные результаты могут быть получены с помощью обычных любительских фотоаппаратов с несложными дополнительными приспособлениями, изготовление которых посильно каждому. Некоторые виды наблюдений (например, синоптические) вообще не требуют никаких приборов, кроме часов.
Но можно ли считать серебристые облака астрономическим объектом? Ведь они находятся в нашей земной атмосфере, хотя и очень высоко — на высотах 75–90 км.
Однако серебристые облака — не только один из видов облаков земной атмосферы и даже не только своеобразный индикатор движений в ее верхних слоях. На страницах этой книги читатель встретится с такими астрономическими факторами, как солнечный ветер, метеорное вещество, познакомится с облаками в атмосферах Венеры и Марса — аналогами серебристых облаков. Многие описываемые в книге методы наблюдений (фотометрия, поляриметрия) могут применяться для исследования других небесных тел. Попробовав свои силы в наблюдениях, описанных в книге, читатель познакомится с методами, широко применяемыми в астрономии, научится правильно проводить и фиксировать научные наблюдения, тщательно осуществлять лабораторную обработку фотоснимков.
Один из основных законов для астронома-любителя: ни одного наблюдения не оставлять без обработки. Автор постарался подробно описывать не только методы наблюдений, но и приемы обработки. Любитель астрономии должен овладеть искусством умело вычислять, помня, что в астрономии нельзя шагу ступить без математики.
Зато какие возможности откроются перед теми, кто не пожалеет времени и труда для обработки наблюдений. Не выходя за пределы элементарной математики, любитель (или группа, кружок любителей астрономии) сможет определить из своих наблюдений расположение серебристых облаков над Землей, скорость и направление их движения, их высоты, яркость и видимое альбедо, поляризацию, показатель цвета. Результаты таких наблюдений будут вполне достойны опубликования в «настоящем» научном журнале.
Глава I
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О СЕРЕБРИСТЫХ ОБЛАКАХ
§ 1. Открытие и первые исследования
Ранним утром 12 июня 1885 г. приват-доцент Московского университета В. К. Цераский (будущий директор Московской обсерватории), возвращаясь с прогулки, заметил на предрассветном небе необычно яркие облака, заполнявшие сумеречный сегмент. Эти облака произвели на Цераского большое впечатление. Особенно удивило ученого то обстоятельство, что эти «светящиеся» облака, ярко выделяясь на фоне сумеречного сегмента, совершенно пропадали, выходя за его пределы.
В то время Цераский занимался фотометрией блеска звезд, значительно усовершенствовал для этого визуальный фотометр Цёлльнера (получивший впоследствии название фотометра Цёлльнера — Цераского), и его крайне беспокоило такое «поведение» светящихся облаков. Ведь они, не будучи видимы, но поглощая свет звезд, могут искажать результаты фотометрических измерений. «Вот уже два лета невозможно проводить астрофотометрические наблюдения», — писал Цераский год спустя.
Впрочем, первые же измерения поглощательной способности ночных светящихся облаков (так назвал их Цераский), как и последующие наблюдения, показали, что эти облака весьма прозрачны и не ослабляют заметным образом свет звезд, так что Цераский волновался напрасно. (Соответствующие числовые оценки будут приведены в § 5)
В. К. Цераский не был первым наблюдателем, заметившим серебристые облака. За 4 дня до него, 8 июня, их наблюдал Т.Бакгауз в Киссингене (Германия), а 10 июня их заметил в Праге Вацлав Ласка — будущий основатель астрономической обсерватории во Львове. Но Ласка сообщил о своих наблюдениях много позже, через несколько лет, а Бакгауз ограничился публикацией небольшой заметки в одном метеорологическом журнале. Цераский же не удовлетворился общими наблюдениями, а спустя две недели совместно с А. А. Белопольским определил высоту серебристых облаков по наблюдениям из двух пунктов, получив в среднем из четырех наблюдений 79 км, что очень близко к современным данным.
Вот как описывал ночные светящиеся облака В. К. Цераский: «…Это настолько блестящее явление, что совершенно невозможно составить себе о нем представление без рисунков и подробного описания. Некоторые длинные, ослепительно серебристые полосы, перекрещивающиеся или параллельные горизонту, изменяются довольно медленно и столь резки, что их можно удерживать в поле зрения телескопа. Облака можно без труда сфотографировать, причем получается эффектное изображение».
§ 2. Строение верхних слоев атмосферы
Для понимания того, что мы будем рассказывать дальше о серебристых облаках, необходимо иметь хотя бы общие представления о строении земной атмосферы, а особенно ее верхних слоев.
Основным признаком, определяющим подразделение атмосферы на отдельные слои, является изменение ее температуры с высотой. Характер этого изменения во многом зависит от состава атмосферы.
Нижний слой атмосферы Земли (
тропосфера
) имеет следующий химический состав (по объему, в процентах): азот — 78,09, кислород — 20,95, аргон — 0,93, углекислый газ — 0,03. На долю остальных газов приходятся уже тысячные и десятитысячные доли процента. Такой состав атмосфера имеет почти до высоты 90 км.
Но установить это удалось не сразу. Длительное время в науке господствовала теория диффузионного разделения газов, согласно которой самые легкие газы (водород и гелий) сосредоточены в верхних слоях атмосферы, а более тяжелые (азот, кислород и особенно аргон и углекислый газ) — в нижних слоях. Уже в 30-е годы XX в. удалось доказать, что благодаря интенсивному перемешиванию состав атмосферы до довольно больших высот остается постоянным и только потом начинается диффузионное разделение.
Кроме постоянных компонентов, перечисленных выше, атмосфера содержит переменные компоненты: озон и водяной пар. Эти компоненты оказывают большое влияние на тепловой режим Земли и ее атмосферы.
§ 3. Условия наблюдений, высоты и скорости серебристых облаков
Как мы уже говорили, серебристые облака наблюдаются только на фоне сумеречного сегмента. Происходит это потому, что они светятся в основном отраженным светом Солнца, хотя, как подробнее будет сказано ниже, часть посылаемых ими лучей, возможно, рождается в процессе флуоресценции — переизлучения энергии, получаемой от Солнца, на других длинах волн. Для осуществления отражения, рассеяния и флуоресценции необходимо, чтобы солнечные лучи освещали серебристые облака. Зная их высоту над земной поверхностью (в среднем 83 км), нетрудно рассчитать, что для этого погружение Солнца под горизонт не должно превышать 19,5 градуса. С другой стороны, если Солнце погрузилось под горизонт менее чем на 6 градусов, еще слишком светло (гражданские сумерки) и серебристые облака, если они не очень яркие, неразличимы. Таким образом, наиболее благоприятные условия для наблюдения серебристых облаков соответствуют времени так называемых навигационных и астрономических сумерек, и вероятность обнаружить их тем больше, чем длительнее эти сумерки. Такие условия создаются летом на средних широтах. Именно на средних широтах с конца мая до середины августа чаще всего и наблюдаются серебристые облака.
Такое совпадение двух периодов — наиболее благоприятных условий для наблюдений и наиболее частых появлений серебристых облаков — долгое время сбивало с толку исследователей. Многие ошибочно полагали, что серебристые облака наблюдаются летом в средних широтах только потому, что в это время и как раз на этих широтах создаются благоприятные условия для их видимости (в высоких широтах летом — полярный день, а ближе к экватору очень короткие сумерки). Только во второй половине 50-х годов удалось доказать, что это совпадение — чисто случайное (хотя и очень выгодное для наблюдателей), а на самом деле серебристые облака образуются именно в летний период и именно в средних широтах, потому что в это время на этих широтах происходит значительное похолодание в области мезопаузы и создаются необходимые условия для образования на этом уровне кристалликов льда, из которых и состоят серебристые облака. Подробнее об этом будет рассказано ниже.
Можно считать, что серебристые облака в основном наблюдаются в интервале широт 50–65°. Известны редкие случаи их наблюдения на более низких широтах — до 45°. А вот на широте Ашхабада (38°) за 700 ночей наблюдений И. С. Астапович не замечал их ни разу.
Анализ данных каталога появлений серебристых облаков, составленного Н. П. Фаст на основании 2000 наблюдений за 1885–1064 гг., дает такое распределение пунктов наблюдения по широтам:
§ 4. Морфология и структура серебристых облаков
Существует много различных структурных форм серебристых облаков. В 1955 г. Н. И. Гришин предложил морфологическую классификацию этих форм, которая в дальнейшем была положена в основу международной классификации. Ниже мы приводим ее по книге В. А. Бронштэна и Н. И. Гришина «Серебристые облака» (М.: Наука, 1970).
Тип I. Флер.
Флер
— однородная или неоднородная пелена — наиболее простая форма серебристых облаков. Отдельно, без наличия других форм, флер может заметить только опытный наблюдатель по тонким признакам свечения отдельных участков фона сумеречного неба. Заполняя пространство между деталями других типов, флер отличается своим туманообразным строением и снежно-белым с голубоватым оттенком мерцающим сиянием. Флер нередко предшествует (за полчаса-час) появлению других форм серебристых облаков с более развитой структурой. Порою можно наблюдать, как гребешки и другие детали появляются как бы в разрывах флера и просвечивают сквозь него (рис. 9).
§ 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
L AOB
—
. 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 Δ
ОВС
найдем вспомогательный угол
ВОС
=
ψ
:
