Файл: Лушев, Ю. Г. Физика верхней атмосферы Земли учебник.pdf

продолжительность видимого существования обнаруженных се­

ления облаков при всех состояниях сумеречного неба, — сум­ марная (за месяц) длительность существования сплошной тро­ посферной облачности во время сумерек, исключающей наблю­

ребристых облаков колеблется от значений, близких к 4% в июле

1957 г. и июне 1958 г., до 0,4% в мае и 0,1 % в апреле 1958 г.

§ 2. РАЗМЕРЫ И СКОРОСТЬ ДВИЖЕНИЯ СЕРЕБРИСТЫХ ОБЛАКОВ

Серебристые облака нередко имеют волнистообразную струк­ туру. Согласно опытным данным, максимум повторяемости (мо­ да расстояний между соседними гребнями) приходится на длину волны X, равную 10 км. Средние значения X, по материалам раз­ ных исследователей, заключены между 5,8 и 11,8 км, диапазон изменения X — между 5 и 100 км.

Толщина серебристых облаков наиболее часто заключена между 1 и 3 км. Нередки случаи, когда эти облака состоят из нескольких слоев. Серебристые облака чаще всего наблюдаются над периферией приземного антициклона в тех областях, где про­ исходит рост давления. Протяженность их по горизонтали наи­ более часто заключена в диапазоне 100—300 км, сравнительно редко (2—4 раза в сезон) появляются облака очень большой про­ тяженности (500—800 км). Скорость движения серебристых об­ лаков охватывает широкий интервал — от 13 до 262 м/сек (по данным измерений в 178 случаях). Средняя скорость движения их составляет 65 м/сек (при колебаниях от 45 до 98 м/сек у раз­ ных авторов). Преобладающее направление движения серебри­ стых облаков — от восточной половины горизонта к западной. По данным 97 наблюдений средняя результирующая скорость дви­ жения облаков составила 40 м/сек при азимуте 60° (это — восточно-северо-восточный ветер), а среднее значение модулей скорости движения — 63 м/сек. Однако разброс направлений движения облаков довольно значительный. К тому же, как это впервые подметил Н. И. Гришин, наблюдаемые скорости пере­ мещения элементов серебристых облаков могут не совпадать со скоростью движения воздуха (скоростью ветра), поскольку на скорость переноса (дрейфа) накладываются фазовые скоро­ сти волновых движений. Помимо горизонтальных движений, в серебристых облаках наблюдаются и вертикальные перемещения. Так, среднее значение из абсолютных величин вертикальных ско­

141

ростей равно 8,3 м/сек (по данным 10 случаев) и 11,5 м/сек (32 случая). Средние значения этих скоростей (с учетом знака) равны 0,3 и —0,1 м/сек соответственно, что свидетельствует о том, что восходящие и нисходящие токи встречаются практически одинаково часто. Подчеркнем, что наблюдаемую вертикальную скорость движения границ облаков или их отдельных элементов ни в коем случае нельзя отождествлять со скоростью вертикаль­ ных движений воздуха. Эти скорости, как показано Л. Т. Матве­ евым в отношении тропосферных облаков, могут различаться даже по знаку.

§ 3. ТЕОРИЯ ОБРАЗОВАНИЯ СЕРЕБРИСТЫХ ОБЛАКОВ

Первые гипотезы связывали образование серебристых обла­ ков с извержением вулканов (вулканическая гипотеза высказана в 1887 г. и считалась общепризнанной в течение почти 40 лет) и проникновением микрометеорных частиц в земную атмосферу (метеорная гипотеза высказана в 1926 г. и лишь в последнее вре­ мя никем из исследователей не поддерживается).

Наиболее признанной в настоящее время считается конденса­ ционная, или ледяная, гипотеза образования серебристых обла­

получила в глубоких исследованиях И. А. Хвостикова. Последний обратил внимание на то, что в момент начала конденсации (суб­ лимации) упругость водяного пара (е) равна насыщающей упругости (Е) \е = Е. Но упругость водяного пара на любом уровне атмосферы всегда меньше общего атмосферного давле­ ния (р) на данном уровне: е < р (часть всегда меньше целого).

Поскольку Е — функция температуры, то, зная распределение последней с высотой, можно построить график зависимости Е от z (рис. 7.1). На этом же графике нанесена кривая распределения р с высотой по данным ракетных измерений. Этот график позво­ ляет сделать следующие важные выводы: 1) в нижнем слое до высоты около 33 км условие, необходимое для начала конденса­ ции (е = Е < р ) , может быть выполнено. Здесь, действительно, образуются все тропосферные (на высотах до 15 км) и перламут­ ровые (на высотах 20—30 км) облака; 2) в слое 35—70 км, со­ гласно графику, Е > р. Поскольку, с другой стороны, всегда е < р, то, очевидно, условие е = Е в этом слое ни при каких со­ стояниях атмосферы не может быть достигнуто. Это означает, что водяные облака в этом слое образоваться не могут (наблю­ дения подтверждают этот вывод); 3) в диапазоне высот 70—95 км вновь Е < р, т. е. необходимое для начала конденсации (е = Е)

142

состояние атмосферы в этом слое также может быть достигнуто; 4) выше 95 км опять £ > р и, значит, образование водяных об­ лаков в термосфере также исключено.

График Хвостикова позволил в принципе объяснить важный факт — постоянство средней высоты серебристых облаков (82 км), представлявшийся совершенно загадочным с позиций вулканической и метеорной гипотез. Отметим, что влияние ме­ теоров и вулканических извержений на образование серебристых

Рис. 7.1. График Хвостикова, поясняющий возможность обра­ зования облаков. Распределение с высотой атмосферного давления (р ) над средними широтами СССР (кривая /), насы­ щающей упругости (£) водяного пара летом над теми же ши­ ротами СССР (кривая 2) и фортом Черчилль (кривая 3), а также фактической упругости (е) водяного пара в предпо-

ложении, что — = 2,5- 10 ~4 (кривая 4)

облаков конденсационной теорией полностью не исключается, поскольку метеорные частицы могут служить ядрами конденса­ ции, а в процессе извержения вулканов в верхние слои атмосфе­ ры дополнительно поступает значительное количество водяного пара и ядер конденсации (за 18 ч извержения Везувия в воздух было выброшено 109 т водяного пара).

Однако схема Хвостикова полностью не решает проблему про­ исхождения серебристых облаков. Она лишь положительно отве­ чает на вопрос, возможна ли конденсация водяного пара в обла­ сти мезопаузы. Произойдет ли конденсация в действительности, зависит от соотношения между содержанием водяного пара (тем­ пературой точки росы т) и температурой воздуха (Т) в области мезопаузы. Для образования облаков необходимо и достаточно, чтобы выполнялось условие Т < т. Где и когда это условие реа­ лизуется — на этот вопрос ни одна из теорий ответа не дает.

143

§ 4. ТЕМПЕРАТУРА И ВЛАЖНОСТЬ МЕЗОСФЕРЫ

Сведения об этих параметрах в верхней мезосфере крайне малочисленны, однако они указывают на то, что в летние меся­ цы в области мезоиаузы создаются условия, благоприятные для образования облаков.

На рис. 7.2 приведены результаты большой серии ракетных измерений температуры воздуха на высоте 80 км для различных широт и сезонов года. Из рисунка видно, что на широте 60—90° температура достигает минимума в июле—августе, при этом

Рис. 7.2. Температура воздуха на высоте 80 км для различных широт северного полушария по данным ракетных измерений

Тт1п = 165 °К на широте 60°, а на широте 50° минимальная тем­ пература уже на 10° выше (Tmiп = 175°К). Этот факт объясняет, почему серебристые облака удается наблюдать только севернее широты 45° (следует иметь в виду, что широта места наблюдения в среднем лежит на 5° южнее места появления серебристых об­ лаков).

Широко известен вертикальный разрез поля температуры, рассчитанный в 1957 г. Р. Мергатройдом по полю ветра (рис. 7.3). Согласно этим данным, температура воздуха на высоте 80—90 км летом для широт более 50° ниже 180°К. Летние температуры на этих высотах и широтах на 40—60° ниже зимних.

По данным большой серии ракетных экспериментов, прово­ дившихся в средней полосе европейской части СССР с июня по сентябрь, зарегистрирован четкий минимум температуры на вы­ соте 80—85 км, равный 154+30°К- В пункте Черчилль (<р =58°46') летом с помощью ракет получено T min — 165°К- Наконец, ана-

144

лиз поглощения рентгеновского излучения Солнца, выполненный М. Николе, позволил объяснить низкие значения плотности на

Анализ измерений влажности в стратосфере показал, что удельная влажность (s) в слое от 16 до 40 км изменяется по дан­ ным разных исследователей от 10"5 до 2- 10~4г/г, с некоторой тен­ денцией к увеличению s с ростом высоты. Результаты измерения удельной влажности с помощью спектрофотометрического мето­ да, выполненного в 1964 г. И. Я- Бадиновым, С. Д. Андреевым

Рис. 7.3. Вертикальный разрез поля зональной температуры (°К) летом и зимой (по Р. Маргетройду)

и В. Б. Липатовым1), приведены на рис. 7.4. Видно, что удель­ ная влажность в слое от 14 до 30 км изменяется от 5- 10"5 до

(1+5) • 10-6 г/г.

Анализ материалов наблюдений2) позволил установить, что для стратосферы характерны два типа распределения удельной

выше удельная влажность растет и на высоте около 30 км дости­ гает значений, на один-два порядка превышающих s выше тро­ попаузы. Среднее распределение удельной влажности в тропо­ сфере и стратосфере удовлетворительно описывается формулами

') Сб. «Метеорологические исследования», № 12. «Наука», 1966, с. 66—79. 2) Достаточно полный обзор литературы по этому вопросу приведен в статье М. С. Малкевича, Ю. Б. Самсонова и Л. И. Копровой (УФН, 80, вып. 1,

1963).

может принимать значения, при которых в атмосфере развит тур­ булентный обмен (здесь т и р — вертикальные градиенты темпе­ ратуры и скорости ветра соответственно, т„ = 9,8 град/км — сухоадиабатический градиент, g — ускорение силы тяжести).

146