Всего несколько сотен лет назад Земля была полна неизведанного, и, чтобы закрасить белые пятна, на географических картах рисовали гипотетических аборигенов с песьими головами и человеческими лицами на животах. С тех пор загадок на нашей планете поубавилось. Тем интереснее те, которые современная наука все еще не может разгадать…

В июне 1885 года с интервалом в несколько дней несколькими европейскими астрономами было замечено необычное явление: странные облака не виданной ранее структуры, светящиеся в вечерних либо предутренних сумерках, когда Солнце находилось ниже горизонта. В Германии это явление наблюдали астрономы Отто Йессе и Томас Уильям Бэкхаус, в Австро-Венгрии — Вацлав Ласка, в России — Витольд Карлович Цераский. Поскольку все первые наблюдения были сделаны независимо друг от друга, считать первооткрывателем кого-то одного было бы несправедливо. Наиболее серьезное внимание новому явлению уделили Йессе и Цераский. Последнему удалось с приемлемой точностью установить высоту новых облаков над поверхностью Земли — порядка 75 верст. Он же впервые установил ничтожную оптическую плотность облаков — блеск «закрытых» ими звезд почти не терял силы! Йессе также провел соответствующие измерения, но с несколько меньшей точностью. Зато именно он придумал распространенное с тех пор название — «серебристые облака». В англоязычной литературе этот феномен обычно называется noctilucent clouds или (особенно в материалах NASA) polar mesospheric сlouds — PMC.

Условия существования

К концу XIX века в Европе было множество астрономов, регулярно наблюдавших небосвод. Ни один из них до лета 1885 года ничего похожего на серебристые облака не описал. Может быть, наблюдения облаков не зафиксировались в научной истории в силу тривиальности? Но тот же Витольд Цераский к 1885 году уже около десяти лет занимался фотометрией сумеречного небосвода. Это кропотливое занятие требовало пристального внимания к любому облачку, способному исказить данные. Цераский писал: «Мне было бы довольно трудно не заметить явления, которое порою охватывает не более не менее как весь небесный свод». Того же мнения придерживался и Отто Йессе. Поэтому будем исходить из того, что серебристые облака до лета 1885 года действительно не наблюдались и, вероятно, не существовали. Разумеется, попытки объяснить новинку природы были предприняты очень скоро. Наиболее логичным объяснением в тот момент показалось катастрофическое извержение вулкана Кракатау на территории современной Индонезии, приведшее к мощнейшему взрыву, буквально поднявшему на воздух целый остров. Были и другие теории — мы рассмотрим их ниже. Но прежде чем говорить что-то о самих серебристых облаках, стоит обратить внимание на условия, в которых они существуют.

Земная атмосфера — сложный объект, характеризующийся различными условиями. По высоте ее принято подразделять на тропосферу (до 10 км), стратосферу (10−50 км), мезосферу (50−85 км), термосферу и экзосферу. Серебристые облака образуются в области, пограничной между мезо- и термосферой — так называемой мезопаузе.

Физические условия выше и ниже мезопаузы различны. Мезосфера холодна — температура в ней опускается до -150°С. Термосфера, напротив, характеризуется очень высокими температурами — воздух под действием солнечного излучения разогревается порой до 1500К. Концентрация молекул газов в термосфере настолько мала, что привычные нам механизмы переноса тепловой энергии не работают, и единственный способ остыть — излучать энергию.

Теперь представьте себе, какие облака могут появиться в таких «жестких» условиях? Обычные перисто-кучевые облака «обитают» в тропосфере, на высоте 5−6 км, и представляют собой нечто вроде водяного тумана. Облако же, способное образоваться на высоте 70 км, можно сравнить с человеком, приноровившимся к существованию без защитных средств, например, на Юпитере…

Откуда же они появились?

Выше мы упоминали вулканическую гипотезу формирования серебристых облаков, предложенную немецким физиком Фридрихом Кольраушем в конце XIX века. Увы, последующие исследования показали, что свойства облаков и свойства взвешенных в атмосфере вулканических аэрозолей сильно различаются.

В 1920-х годах исследователем метеоритов Леонидом Куликом была предложена гипотеза метеоритного происхождения серебристых облаков — по ней они состоят из мельчайших частиц метеоритного вещества, распыленного в верхних слоях атмосферы. Действительно, исследования мезосферы метеорологическими ракетами еще в 1960-х показали, что в серебристых облаках присутствует определенное количество вещества явно метеоритного происхождения. Но научным мейнстримом к тому времени была уже другая теория — конденсационная, начало которой положил советский физик Иван Андреевич Хвостиков.

Важная особенность серебристых облаков состоит в том, что они наблюдаются из года в год на одних и тех же высотах (порядка 80 км), одних и тех же широтах (50−70 градусов) и только летом, причем все эти правила выполняются и в Северном, и в Южном полушариях. Ни вулканическая, ни метеорная гипотезы объяснить эти факты не могли. Конденсационная версия предполагает, что серебристые облака состоят из мельчайших кристалликов льда, намерзших на аэрозольные частицы. Зона возникновения этих нанольдинок находится на высоте порядка 90 км, оттуда они под действием гравитации постепенно дрейфуют вниз, увеличиваясь в размерах. На высоте около 85 км их скопления становятся видимыми в сумерках при солнечной подсветке снизу — появляются облака. Для формирования таких льдинок нужны как минимум три условия: низкая температура, достаточная влажность и наличие центров кристаллизации.

Наибольшая проблема состоит во влажности воздуха. Верхние километры мезосферы суше Сахары — воды там ничтожно мало и поступает она туда в основном из двух источников. Это, во‑первых, водяной пар снизу, а во-вторых — разрушение молекул метана под действием солнечного ультрафиолета, после чего при участии атмосферного кислорода образуется вода. Трудность в том, что молекулы воды под действием солнечной радиации тоже распадаются — среднее время их жизни в мезопаузе исчисляется несколькими днями. Пока нет полной ясности относительно того, при каких условиях и в какие сроки в мезопаузе может собраться достаточное количество воды, поэтому при всей правдоподобности конденсационной версии вопрос далеко не закрыт.

Средства изучения

Изучение серебристых облаков — дело непростое. Воздух выше стратосферы столь разрежен, что ни самолет, ни аэростат держаться в нем не могут; единственный летательный аппарат, способный добраться до таких высот, — ракета. Это создает изрядные неудобства для исследователей: ракета, летящая с высокой скоростью, находится в изучаемой зоне считанные секунды и контактирует со средой весьма ограниченно. Ее запуск возможен далеко не отовсюду и стоит довольно дорого.

В первой половине XX века для изучения атмосферы было предложено применять оптическое зондирование. Поначалу для этого использовался мощный прожектор. Наблюдаемое рассеяние светового пучка давало информацию о составе и состоянии воздушных масс. В США прожекторное зондирование применялось в основном для определения плотности и температуры воздуха, в СССР важной задачей считалось также изучение атмосферных аэрозолей, для чего луч прожектора поляризовался и далее изучалось распределение поляризации с высотой. Разумеется, прожектор как источник света был не слишком удобен — потолок зондирования никогда не превышал 70 км.

С 1960-х годов для изучения атмосферы все шире и шире применяются так называемые лидарные установки, в которых источником светового луча служит лазер. Небольшая часть его излучения, рассеявшись в атмосфере, возвращается назад и улавливается приемником. Лазерное излучение когерентно, длину его волны и поляризацию можно определить с большой точностью. Испускать лазерный луч можно в течение промежутка времени, определяемого с высокой точностью. Таким образом задается длина светового пучка. Это позволяет по времени прихода отраженного сигнала вычислить расстояние от установки до рассеявшей сигнал области атмосферы с точностью до нескольких метров. Ну а характеристики отраженного (рассеянного) излучения несут в себе информацию о той среде, от которой он отразился.

Второй важный инструмент — исследование поляризации света. То, что видимый нами солнечный свет поляризован, обнаружил еще Франсуа Араго в далеком 1809 году, он же установил, что максимум поляризации находится на угловом расстоянии в 90 градусов от Солнца. На степень поляризации света влияют свойства той среды, на которой он рассеялся. На этом и основан метод. Особенно замечательно то, что в сумерках, когда находящееся под горизонтом Солнце подсвечивает земную атмосферу снизу, поляриметрия дает информацию о свойствах конкретного слоя воздуха, ярче всего освещенного именно в этот момент. Таким образом, измеряя поляризацию в течение сумерек, можно получить распределение свойств по высоте.

С началом космической эры на повестку дня встал вопрос о том, что наблюдать серебристые облака можно и из космоса. Первым аппаратом, созданным специально для исследований мезосферы и серебристых облаков, стал американский спутник AIM (The Aeronomy of Ice in the Mesosphere), запущенный в 2007 году и работающий на орбите до сих пор.

…и Тунгусский метеорит

Самый известный случай массового наблюдения серебристых облаков произошел летом 1908 года, непосредственно после падения Тунгусского метеорита и, логично полагать, в связи с ним. Почти по всей Европе из-за светящихся облаков наступили «белые ночи» — даже там, где отродясь никто о них не слыхивал. Очевидцы вспоминали, что посреди ночи было достаточно света, чтобы читать газету. К сожалению, надежных инструментальных замеров почти не проводилось, а современные оценки сильно расходятся — освещенность тех ночей оценивается как превышающая естественный фон в 10−8000 раз.

Современники, как правило, не связывали необычные облака с Тунгусским метеоритом, поскольку не знали о его существовании. Сам факт падения какого-то небесного тела где-то в Енисейской губернии был известен — его даже пытались искать, но истинный масштаб произошедшего ученые смогли оценить лишь два десятка лет спустя. Кроме того, как раз в тех местах атмосферных аномалий, во всяком случае явных, не наблюдалось. Ночную иллюминацию объяснили вулканизмом, что по тем временам звучало правдоподобно.

С точки зрения сегодняшних представлений, серебристые облака лета 1908 года связаны все-таки скорее с Тунгуской — но вот как? Хотя версий произошедшего в 1908 году наберется около сотни, наибольшим доверием ученых пользовались две: метеоритная и кометная. Метеоритная натыкается на фундаментальную проблему — куда делся камушек? Кометная кажется по всем статьям лучше, но появление серебристых облаков в ее рамках выглядит труднообъяснимым. Распыленное в атмосфере вещество должно было улететь от Ванавары на восток, а серебристые облака были бы видны во Владивостоке и Токио — но ничего подобного не произошло. Кроме того, размеры кометной «ауры» доходят до сотен тысяч, а иногда и миллионов километров. Подлетая к Земле приблизительно со стороны Солнца, хвостатая гостья должна была напылить в атмосфере еще за пару дней до падения, а вращение Земли совершенно естественным путем распределило бы все вещество равномерно по окружности.

Вот и получается, что загадочный тунгусский феномен изрядно увеличивает количество вопросов и к серебристым облакам. Спустя 125 лет после того, как приват-доцент Витольд Карлович Цераский под утро увидел в небе необычные облака, мы все еще не можем сказать с уверенностью, что понимаем, откуда и как они взялись.

Статья опубликована в журнале «Популярная механика» (№6, Июнь 2010).