Серебристые облака впервые зафиксированы в зимнем небе России
Серебристые облака обычно наблюдают летом, но в декабре 2024 года их увидели в Сибири. Это чрезвычайно редкое явление исследовал старший научный сотрудник ИКИ РАН Олег Угольников. Он пришёл к выводу, что запечатленные на фотографиях облака действительно образовались в мезосфере, а произошло это в результате внезапного стратосферного потепления и изменений в режиме атмосферной циркуляции в Северном полушарии Земли.
Подобные процессы происходят почти каждую зиму, но появления серебристых облаков при этом ранее не фиксировали. Фактически речь идёт о первом документированном наблюдении такого феномена. Результаты работы опубликованы в архиве электронных препринтов arxiv.org.
Серебристые облака обычно образуются летом в полярных и средних широтах на очень большой высоте — около 80—85 км, то есть в мезосфере (отсюда их другое название — полярные мезосферные облака). Это самое холодное место на планете Земля, и самое интересное состоит в том, что температура здесь, как и в нижних слоях, тоже зависит от сезона, но наоборот. Зимой в мезосфере теплее, чем летом, когда температура может понижаться до 130—140 кельвинов (около −140 градусов по Цельсию) и меньше.
При очень низких температурах в разрежённой мезосфере водяной пар может замерзнуть, и тогда наблюдаются серебристые облака. Их «сезон» в Северном полушарии обычно начинается в июне и заканчивается в начале августа.
Однако 17—19 декабря 2024 года явления, очень похожие на серебристые облака, увидели и сфотографировали наблюдатели-любители около Красноярска и Магадана. Этим явлением заинтересовался Олег Угольников, старший научный сотрудник сектора субмиллиметровой и инфракрасной астрономии отдела наблюдательной и теоретической астрономии и радиоинтерферометрии ИКИ РАН.
Зимние серебристые облака в Иркутской области: (a) 17.12.2024, вечер автор Е.В. Стукалова; (b) 18.12.2024, утро, автор Л. П. Яковлева
Используя присланные фотографии и разработанный им метод вычисления высоты по изменению цвета облаков, входящих в тень Земли на закате или рассвете, он определил приблизительную высоту облаков, — около 70 км, с погрешностью около километра. Этот уровень на 10 км ниже, чем в обычных летних условиях, но также входит в мезосферу, поэтому можно с полным правом говорить о том, что в декабре прошлого года в России удалось наблюдать очень редкое явление — зимние серебристые облака.
Но почему они появились в это время года? Чтобы объяснить это, учёный проанализировал изменения температуры и влажности воздуха в полярных широтах. Он предположил, что причина появления облаков в мезосфере на самом деле находится в более низких слоях — в стратосфере, где началось так называемое внезапное стратосферное потепление (SSW). Из-за взаимодействия с планетарными гравитационными волнами резко меняется режим циркуляции воздуха. Холодный полярный стратосферный вихрь, который зимой образуется над полюсом, смещается в сторону, стратосфера в определённых районах начинает теплеть, а вот мезосфера, напротив, начинает охлаждаться, подобно тому, как это происходит летом.
Действительно, как показали данные прибора MLS на спутнике EOS Aura (NASA), в той области, где потом наблюдали серебристые облака, 11 декабря началось внезапное стратосферное потепление. Температура стратосферы на высотах 30—50 км стала расти (в отдельных местах в итоге потеплело сразу на 50 градусов). Примерно в это же время мезосфера начала охлаждаться, и около 18 декабря, по данным того же прибора, был достигнут минимум — 165 K (−108 °C) на высоте около 68 км.
Температура воздуха в декабре по данным EOS Aura/MLS, усреднённая для 55 ° с. ш. (+/−2 °) 105 ° в. д. (+/−10 °). Время и высота зимних серебристых облаков показаны белой точкой с учётом погрешности
«Полярный стратосферный вихрь во время потепления сместился в Западное полушарие, а холодный участок мезосферы спустился в средние широты над центральной Сибирью. Серебристые облака наблюдали в центре и к востоку этого региона. Не исключено, что их можно было бы наблюдать и между этими двумя точками, но либо они не образовались из-за погодных условий, либо в этих местах просто не было наблюдателей», — говорит Олег Угольников.
Исследователь также обращает внимание на то, что температура 165 K кажется недостаточной для того, чтобы водяной пар мог сконденсироваться на такой высоте. При обычных условиях требуется температура около 155 K (−118 °C).
Однако возможно, что при внезапном стратосферном потеплении восходящие воздушные массы подняли в мезосферу дополнительный водяной пар. И действительно, по данным того же прибора MLS в районе температурного минимума 15—18 декабря содержание водяного пара иногда достигало 10 частиц на миллион (ppm), что почти вдвое больше, чем характерно для этих высот в среднем (около 5 ppm). Чем выше влажность, тем проще образоваться облакам.
Кроме того, за счёт распространения в мезосферу акустико-гравитационных волн температура может быть подвержена колебаниям с амплитудой в десятки градусов. По данным более высокого пространственного разрешения, которые получает прибор SABER на спутнике TIMED (NASA), можно заключить, что 17—18 декабря на ночной стороне Земли температура на высоте 68—70 км в отдельных местах падала ниже 155 K, что достаточно для замерзания водяного пара при той влажности, что наблюдалась 18 декабря.
Итак, в конце 2024 года нам очень повезло — благодаря стечению многих факторов удалось увидеть буквально «штучное» небесное явление. Фактически, впервые в истории документированных наблюдений серебристые облака наблюдались зимой.
Но могут ли зимние серебристые облака стать такими же частыми, как и летние?
Олег Угольников полагает, что нет: слишком велика разница между температурой в мезосфере и температурой конденсации водяного пара на этой высоте. Внезапное стратосферное потепление, с которого начался этот процесс, имеет причиной взаимодействие сезонной атмосферной циркуляции и планетных волн, которое происходит не часто. Тем интереснее изучать столь красивые и необычные эффекты.
Автор благодарит всех наблюдателей, предоставивших фотографии для анализа.
Источник: ИКИ РАН.
