Серебристые облака

Что это? 

Важной особенностью летней полярной ионосферы является наличие очень тонких (по сравнению со шкалой высот атмосферы) пылевых слоев. Эти структуры, расположенные на высотах 80–85 км, известны как серебристые облака, или NLC (noctilucent clouds). На высотах 85–95 км располагаются так называемые полярные мезосферные радиоотражения, или PMSE (Polar Mesosphere Summer Echoes). Оба явления можно наблюдать в полярной атмосфере в летний период, а для Северного полушария — с конца мая по конец августа. 

Серебристые облака состоят из частиц субмикронных размеров, их вертикальная оптическая толщина значительно меньше единицы, но на закате их можно наблюдать невооруженным глазом. Полярные мезосферные радиоотражения, которые, по-видимому, состоят из заряженных наномасштабных частиц, оптическими методами не наблюдаются, а проявляются как сильные радиоотражения на радарах, работающих на частотах порядка 50–1000 МГц. Сильная корреляция в наблюдениях серебристых облаков и полярных мезосферных радиоотражений дает основания считать, что эти образования имеют одинаковое происхождение. В литературе NLC и PMSE часто объединяют, называя их полярными мезосферными облаками, или PMC (Polar Mesospheric Clouds).

Чем это интересно для науки?

Серебристые облака стали известны науке относительно недавно: первые сообщения о них появились в 1885 году после извержения вулкана Кракатау. 

Существует множество гипотез о формировании серебристых облаков, которые так или иначе отражают реальность. Так, например, гипотеза 1887 года, выдвинутая немецким физиком Ф. Кольраушом, связывает природу образования серебристых облаков с вулканической деятельностью. Согласно гипотезе 1926 года, предложенной Л. А. Куликом, серебристые облака состоят из водяного пара, ядрами конденсации которого являются частицы вещества метеороидов в атмосфере Земли. По гипотезе И. А. Хвостикова 1952 года, серебристые облака сформированы мелкими кристаллами льда. 

Сейчас предполагается, что и наночастицы, образованные из вещества метеороидов, и вулканические частицы могут служить центрами, на которых происходит конденсация водяного пара. Но пока не объяснено, как именно водяной пар появляется на такой высоте в количестве, достаточном для образования серебристых облаков.

В Северном полушарии Земли образование полярных мезосферных облаков NLC и PMSE происходит в полярной атмосфере на мезосферных высотах (80–100 км) в летний период. В это время полярная мезосфера — самое холодное место на Земле. Температура окружающего воздуха в ней опускается ниже 150 K, и пары воды становятся пересыщенными. Создаются условия для роста пылевых частиц, главным механизмом которого, по-видимому, является конденсация молекул воды на наномасштабных частицах, всегда присутствующих на мезосферных высотах. Указанные частицы имеют характерный размер, равный нескольким нанометрам, и типичные концентрации 10–1000 см^-3. Они являются либо продуктами извержений вулканов и лесных пожаров, которые попадают в мезосферу из нижней атмосферы в результате конвективного перемешивания атмосферного воздуха, либо — что более вероятно — продуктами сгорания микрометеоритов в плотных слоях атмосферы Земли.

Следует отметить, что данные наблюдений о наномасштабных частицах в верхней части средней атмосферы практически отсутствуют, поскольку оптические методы не дают возможности их детектировать. Информацию о составе и распределении по размерам таких частиц могут дать только пролетные ракетные эксперименты, поэтому указанные числа отражают лишь модельные представления о мезосферной пылевой компоненте.

Зачем это знать? 

Серебристые облака — красивое явление, природа которого сложная и не до конца проясненная. Такого же рода объекты могут существовать не только на Земле, но и у других планет: в настоящее время в литературе обсуждается возможность существования аналогичных структур и на других планетах Солнечной системы, например на Марсе.

По-видимому, появление серебристых облаков и изменение области широт, в которой они наблюдаются, сопровождают изменение климата. Иногда их связывают с проявлениями глобального потепления. 

Наконец, серебристые облака представляют собой плазменно-пылевые структуры. Исследования подобных объектов важны для таких активно развивающихся научных направлений, как экология, пылевая плазма, физика атмосферы и геофизика микро- и наноструктурных объектов. Благодаря лабораторным экспериментам, которые интенсивно проводятся с середины 1990-х годов, понимание процессов, происходящих в пылевой плазме, значительно улучшилось, и исследование природных плазменно-пылевых явлений стало доступнее.