Портал создан при поддержке Федерального агентства по печати и массовым коммуникациям.

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 и серебристые облака очень красивы. Эти два явления имеют разную природу, но и те и другие служат индикатором изменений, которые происходят с земной атмосферой.

RGB-фотографии ночного неба и серебристых облаков, полученные 29 июня 2021 года. Цветом обозначены линии равного углового расстояния от Солнца (жёлтые) и равного угла рассеяния (белые). Фото из статьи: Ugolnikov O. S. Altitude and particle size measurements of noctilucent clouds by RGB photometry radiative transfer and correlation analysis. Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer, volume 296, 2023, 108433.

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

Портал журнала «Наука и жизнь» использует файлы cookie и рекомендательные технологии. Продолжая пользоваться порталом, вы соглашаетесь с хранением и использованием порталом и партнёрскими сайтами файлов cookie и рекомендательных технологий на вашем устройстве. Подробнее

Товар добавлен в корзину

Оформить заказ

или продолжить покупки