Облака в объективе
Ольга Закутняя, Институт космических исследований РАН
Перламутровые и серебристые облака очень красивы. Эти два явления имеют разную природу, но и те и другие служат индикатором изменений, которые происходят с земной атмосферой.
Перламутровые облака образуются на высоте около 20 км над поверхностью Земли — в стратосфере, поэтому их ещё называют полярными стратосферными облаками. Серебристые облака располагаются гораздо выше, в мезосфере, на высоте около 80 км над землёй. Соответственно, их иногда называют полярными мезосферными, а также «ночными светящимися» облаками, поскольку из-за большой высоты их освещает Солнце даже после захода за горизонт.
В последние годы и серебристые, и перламутровые облака стали наблюдать чаще, а их высота снизилась. Вероятное объяснение — похолодание верхней атмосферы из-за парникового эффекта, как бы странно это ни звучало. Парниковые газы не дают теплу покидать нижнюю атмосферу и тем самым не дают нагреваться верхней. Поэтому изучение серебристых и перламутровых облаков важно для понимания парникового эффекта.
Перламутровые облака состоят из частиц насыщенных растворов серной и азотной кислоты, которые конденсируются из паров при температуре около -80°C. В их состав могут также входить фтор- и хлорсодержащие вещества, попадающие в стратосферу из более низких слоёв. Размеры частиц — обычно сотни нанометров, иногда больше микрометра. При температуре ниже -88°C образуются более крупные (несколько микрон) частицы. Вообще говоря, такие холода в стратосфере бывают нечасто. В том числе потому, что здесь находится озон, который хорошо поглощает ультрафиолетовое излучение Солнца и тем самым нагревает стратосферу. Но иногда температура всё-таки опускается достаточно низко, и образуются облака с «вмороженными» в них соединениями галогенов, особенно хлора. Потом, при освещении Солнцем, они начинают активно разрушать озон. Чем меньше озона, тем меньше нагревается стратосфера и, соответственно, тем благоприятнее условия для появления перламутровых облаков, — возникает положительная обратная связь.
Серебристые облака состоят из частиц водяного пара, размеры которых в несколько раз меньше частиц перламутровых облаков — это десятки нанометров. Мезосфера, где они образуются, — самое холодное место на планете. В среднем, температура здесь около -120°C, но может сильно колебаться. Когда она опускается до определённого предела (около -130°C), водяной пар начинает замерзать, превращаясь в лёд.
Высоту образования серебристых и перламутровых облаков, размеры и состав частиц измеряют с помощью лидаров, аэростатных зондов и спутников, но всё это требует специального оборудования. Кандидат физико-математических наук Олег Угольников, старший научный сотрудник сектора субмиллиметровой и инфракрасной астрономии ИКИ РАН, предложил изучать высотные облака с помощью цветных оптических снимков, которые можно получать, вооружившись вполне доступными широкоугольными RGB-фотоаппаратами*, а также, в случае перламутровых облаков, — поляризационными камерами.
Параметры рассеяния света на частицах, в том числе интенсивность на разных длинах волн, зависят от размеров частиц. Значит, можно решить и обратную задачу — восстановить размеры частиц по параметрам рассеяния. В этом и состоит основа нового метода обработки снимков. Если частицы достаточно крупные (как в перламутровых облаках), то зависимость цветовых характеристик от размера может быть не однозначной, и тогда необходима дополнительная информация о поляризации рассеянного света.
Метод включает также выделение полезного сигнала от облаков из фонового изображения неба, координатную привязку поля зрения по звёздам и определение, при необходимости, высоты облаков. Высоту облаков можно вычислить по изменению спектрального состава их излучения (фактически, цвета), когда Солнце начинает скрываться за Землёй и освещает облака сначала сквозь озоновый слой, а потом через плотные приземные слои воздуха.
С помощью нового метода Олег Угольников совместно с коллегами из Полярного геофизического института РАН исследовал перламутровые облака, которые наблюдались зимой 2019—2020 годов на станции Ловозеро в Мурманской области. Тогда сложилась нечастая для Арктики ситуация: температура воздуха у поверхности Земли была аномально высокой, а на высоте 20 км — аномально низкой. На основе снимков, сделанных оптическими и поляризационными камерами всего неба, средний радиус частиц в перламутровых облаках определили примерно в 230 нм.
В летние сезоны 2020—2022 годов с помощью данной методики исследовали наблюдавшиеся в те периоды серебристые облака. При этом использовали только цветные снимки облаков, полученные широкоугольной камерой. Средний радиус частиц оказался в диапазоне 50—100 нм, что хорошо согласуется с результатами, полученными с помощью лидаров.
Олег Угольников подчёркивает, что метод достаточно прост, чтобы стать основой для регулярных и сетевых наблюдений за облаками, и его точность сравнима с точностью лидарных и спутниковых измерений. Систематические же исследования серебристых и перламутровых облаков помогут понять, как на наших глазах меняется климат Земли.
Результаты работы опубликованы в серии статей в журналах «Planetary and Space Science», «Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer», «Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics».
Комментарии к статье
* RGB-камера используется для получения цветных изображений людей и объектов путём улавливания света в красном, зелёном и синем диапазонах длин волн. Такая камера использует видимый свет с длиной волны от 400 до 700 нм.
Читайте в любое время
