Тип IV. Вихри. Группа IV-a. Завихрения с малым радиусом (0°,1–0°,5). Завихрениям подвергаются полосы, гребешки (II, III) и иногда флер. Величина угла завихрения детали меняется от десятков градусов к первоначальному направлению до полного скручивания ее в кольцо с темным пространством в середине, иногда внешне напоминающеее лунный кратер.
Группа IV-b. Завихрения в виде простого изгиба одной или нескольких полюс в сторону от их первоначального направления с поворотом до 180°. Обнаруживаются в серебристых облаках с преимущественно полосатым и струйчатым строением (II-а, II-Ь), сохраняя поступательное движение образовавшей вихрь полосы. Завихрение встречается в районе расположения и других форм серебристых облаков, например, флера, гребней (рис. 9).
Группа IV-c. Мощные вихревые выбросы светящейся материи в сторону от основного облака. У основания такие вихри обычно соединяются с яркими полосами, откуда, по-видимому, и получают материю для своего формирования и развития. Это редкое образование в серебристых облаках характерно быстрой изменчивостью своего вида и формы. Крупные вихри, образуясь в районе расположения других форм, обычно резко нарушают общий режим движений в поле серебристых облаков (рис. 13).
Рис. 13.Развитие вихря в поле серебристых облаков 6–7 июля 1951 г.
(фото Н. И Гришина).
Рассмотрим теперь более подробно взаимосвязь отдельных структурных форм серебристых облаков, их действительное строение и вероятные пути образования. Флер, как уже отмечалось, является своего рода предвестником появления других, более сложных форм, хотя иногда он так остается единственной формой серебристых облаков, имея обычно довольно малую яркость. Такие наблюдения вызывают порой сомнения в их достоверности. Применение светосильного бинокля с большим полем зрения обычно позволяет разрешить сомнения: в бинокль флер виден лучше, увереннее отмечается его клочковатость и легкое, мерцающее сияние.
Полосы и струи генетически связаны с эволюцией флера. По-видимому, происходит увлечение воздушными течениями некоторой массы флера и образование из него широких туманообразных полос. С расстояния 600–700 км они кажутся достаточно резко очерченными, но ближе, со 100 км, выглядят туманными и размытыми. Возможно, что при наличии в мезосфере локальных струйных течений флер вытягивается в довольно резко очерченные полосы и струи (см. рис. 11).
Особого внимания заслуживают волновые образования в серебристых облаках. Облачный слой толщиной около 1 км располагается по волновой поверхности мезопаузы, воспроизводя волновые колебания пограничного, наиболее холодного слоя мезопаузы (см. рис. 12).
Волновые процессы в мезосфере играют важнейшую роль в понимании физической природы серебристых облаков. При их изучении рекомендуется использовать фотографии, перевернутые «вверх ногами». Тогда волновая поверхность серебристых облаков будет рассматриваться так же, как человек привык видеть волны на поверхности моря (в том и в другом случае наиболее близкие к нам участки волновой поверхности будут в нижней части снимка, что и усиливает аналогию). Примеры таких снимков представлены на рис. 12, 14, 15. На рис. 14 для усиления впечатления фотографии превращены в трехмерные изображения путем обрезания их по контуру вертикальными плоскостями. На рис. 15 то же впечатление достигается с помощью темной полосы, как бы лежащей на волновой поверхности. Здесь хорошо видны две волны типа III-Ь и множество волн типа III-а.
Рис. 14.«Трехмерное» изображение серебристых облаков, показывающее волновые образованна в них.
Рис. 15.Волновая поверхность серебристых облаков. Фотография повернута на 180°. Темная полоса показывает сечение волновой поверхности вертикальной плоскостью.
Рис. 16.Схема прохождения лучей Солнца сквозь серебристые облака при разных углах падения луча. Справа показаны соответствующие распределения яркости (В) в функции угловой высоты (h).
Волновое искривление облачного слоя ведет к изменению его видимой яркости. Фотометрический контур сечения волны в серебристых облаках будет меняться в зависимости от ориентировки волны относительно наблюдателя. Схематически это показано на рис. 16. Мы видим, что луч зрения может пройти сквозь один, два и даже три слоя облачной поверхности. Чем больший путь проходит луч в облачной массе, тем больше будет яркость данного участка поля облаков.
Рис. 17. Сечения облачного поля 10–11 августа 1958 г. вертикальной плоскостью через пятиминутные интервалы (по Г. Витту).
Расстояние между гребешками, как показали измерения, колеблется от 6 до 12 км, составляя в среднем 7,2 км (по 400 измерениям). По данным американского исследователя Б. Фогля наибольшее количество волновых образований в серебристых облаках приходится на длину волны 10 км, что мало отличается от среднего расстояния между гребешками. Иногда это расстояние меняется за несколько минут, волны как бы пульсируют.
В 1962 г. шведский ученый Г. Витт, используя стереопары фотографий, полученных с концов базиса, построил несколько сечений облачного поля вертикальной плоскостью. Они приведены на рис. 17. Эти сечения построены с 5-минутными интервалами. Видно, что на основные волны с длиной около 50 км и амплитудой до 4 км накладывались малые волны с длиной 5—10 км и амплитудой 0,5–1 км. Аналогичные случаи не раз регистрировались и советскими наблюдателями.
Волновые образования в серебристых облаках не остаются неподвижными, они все время перемещаются. При этом некоторые волны исчезают, другие образуются вновь, как это хорошо видно на рис. 17. Еще лучше и нагляднее это заметно при просмотре замедленной киносъемки поля серебристых облаков.
Характер волновых движений может быть таков, что перемещения тех или иных деталей, особенно узлов плотности и «гребней» волн, могут быть лишь кажущимися, не связанными с реальными перемещениями вещества облаков, а вызванными подъемом и опусканием волновой поверхности. Наблюдателям серебристых облаков необходимо об этом помнить.
Существуют две точки зрения на происхождение волновой структуры в серебристых облаках. Одна из них связывает возникновение этой структуры с распространением вверх так называемых волн Гельмгольца, вызываемых разрывом или скачком ветра на границе двух воздушных слоев разной температуры. Согласно другой гипотезе, причиной волновой структуры являются внутренние гравитационные волны, возникающие при обтекании горных хребтов, а также гребней антициклонов (областей повышенного давления атмосферы). При определенных условиях они могут достигать уровня мезопаузы и порождать наблюдаемую структуру серебристых облаков.
§ 5. Оптические свойства серебристых облаков
Геометрические условия освещения.
Рассмотрим подробнее, чем раньше, условия освещения поля серебристых облаков Солнцем. Пусть (рис. 18) в точке С на высоте H над земной поверхностью АВ находятся серебристое облако. Пусть погружение Солнца под горизонт (его отрицательная высота), т, е. угол NDS, равно . Из чертежа видно, что и LAOB — . Луч Солнца, касающийся земной поверхности, идет по направлению SBC. Очевидно, что точки облака, находящиеся левее С, т. е. выше над горизонтом наблюдателя A, окажутся в тени Земли и видны не будут (эта область заштрихована).
Найдем максимальную угловую высоту Нmax серебристого облака в меридиане Солнца (наш чертеж и весь расчет сделаны именно для этой плоскости). Из ΔОВС найдем вспомогательный угол ВОС = ψ:
Опустим из точки А перпендикуляр AК на прямую ОС. Тогда Из ΔAOK будем иметь
По этой формуле для любого можно найти hmax. Если положить H = 82 км, то ψ= 9°09′, H/R = 0,01288. При использовании формулы (8) нужно ввести в значение поправку за рефракцию, которая для касательного луча равна удвоенной горизонтальной рефракции, т. е. Δ = -1°09′. Поэтому положим
= ' + Δ, (9)
где ' — эфемерное (неискаженное рефракцией) погружение Солнца. Таким образом, данная величина hmax будет соответствовать меньшему погружению Солнца под горизонт, чем если бы рефракции не было.
Однако солнечные лучи, проходящие у самой поверхности Земли, испытывают весьма сильное поглощение в воздухе, и, как полагали некоторые ученые, вряд ли могут эффективно освещать серебристые облака. Если принять, что только лучи, проходящие выше некоторого уровня H0, способны освещать их, то вместо формулы (7) мы будем иметь следующее выражение для
Если, например, H0 = 30 км (уровень слоя озона), то ψ= 7°16′ и учитывать рефракцию уже не нужно. Из формулы (8) следует, что если = ψ, то hmax = 90°, т. е. серебристые облака могут наблюдаться до самого зенита, а при <ψ они могут переходить через зенит. Такие случаи бывают крайне редко, когда облака достаточно ярки, чтобы наблюдаться при столь малых погружениях Солнца, когда небо еще довольно светлое.
Напомним, что погружению Солнца на 6° соответствует конец гражданских сумерек, когда на небе появляются самые яркие звезды. Промежуток времени между погружением Солнца на 6 и 12° называется навигационными сумерками, а между 12 и 18° — астрономическими сумерками. При погружении Солнца сумеречный сегмент все уменьшается и при = 18° исчезает — наступает ночь.
В самом деле, нетрудно показать на основании формул (7) и (8), что при условии = 2ψ получим hmax = 0. Следовательно, серебристые облака могут наблюдаться при =< 18°,3, а с учетом рефракции при =< 19°,5. Если же принять H0