I1 и I2, го степень поляризации, по определению, будет равна
p = (I1 — I2)/(I1 + I2), (15)
Величина р часто выражается в процентах.
Измерения советских исследователей Т. М. Тарасовой, О. Б. Васильева, Ч. И. Виллманна, шведского наблюдателя Г. Витта и других показывают, что степень поляризации серебристых облаков обычно заключена в пределах от 2 до 50 %, но, как правило, растет с углом рассеяния θ (угол ВСА на рис. 18). По кривой изменения р(θ) можно определить важный параметр
α = 2π∙r/λ, (16)
где λ— длина волны излучения, а по параметру α— средний радиус частиц г. Расчеты Ч. И. Виллманна и Г. Витта привели к значениям r = 0,12÷0,15 мкм, тогда как наблюдения О. Б. Васильева, хотя и в узком интервале угловθ, ближе соответствовали оценке r = 0,75 мкм, впрочем, в хорошем согласии с его же оценкой по индикатрисе рассеяния (см. выше). Т. М. Тарасова получила r = 0,54÷0,6 мкм.
Спектрофотометрия серебристых облаков. Ценную информацию об оптических свойствах серебристых облаков может дать их спектр. С одной стороны, распределение интенсивности отраженных лучей по спектру характеризует их цветовые свойства, что позволит судить о природе слагающих их частиц. С другой стороны, еще в 1923 г. советский астроном И. И. Путилин высказал гипотезу, что серебристые облака не только рассеивают солнечные лучи, но и люминесцируют, т. е. переизлучают солнечную радиацию в других длинах волн, возможно, в виде узких полос излучения.
Визуальные наблюдения спектра серебристых облаков, Проводившиеся в отдельные годы до войны, не дали надежных результатов. Первые спектрограммы, подвергшиеся тщательной обработке, были получены детом 1951 г. Н. И. Гришиным в Химках (под Москвой). Их обработка показала (рис. 20) отсутствие резких спектральных линий (как в спектрах полярных сияний), глубокий минимум в оранжево-зеленой частях спектра и отдельные максимумы: широкий красный около λ= 6500 А° и три узких синих (λ = 4230, 4480 и 4630 А°).
Рис. 20.Спектральное распределение яркости серебристых облаков (по Н. И. Гришину). По оси ординат отложены отношения яркостей облаков и фона неба.
Совсем иную картину получил в 1966 г. Б. Фогль (рис. 21). Его спектры дали резкий рост интенсивности в синей части с максимумом около 4100 А° и плавный спад к красному концу. Примерно такую же картину получили Б. Фогль и М. Риз в 1972 г.
Рис. 21.Спектральное распределение яркости серебристых облаков (по Б. Фоглю).
Гораздо более широкий спектральный интервал удалось охватить в 1976 г. Д. П. Веселову и его сотрудникам: от 0,4 до 1,6 мкм. Кривая показывает плавный спад интенсивности в сторону красных и далее инфракрасных лучей, без каких-либо максимумов и минимумов.
Но еще в 1967 г. О. Б. Васильев, используя теорию рассеяния света крупными частицами, развитую в начале века немецким физиком Густавом Ми, показал, что распределение интенсивности в спектре рассеянного излучения сложным образом зависит от отношении длины волны к радиусу частиц λ/r. Когда это отношение меньше единицы, т. е. r >λ, спектральная кривая может иметь 2–3 максимума вследствие появления в рассеянном свете не только дипольного, но и мультипольного излучения, и взаимодействия их между собой. Если-же r <λ, то кривая плавно спадает к красному концу, приближаясь к закону Рэлея: I(λ) ~λ-4
Таким образом О. Б. Васильев объяснил кажущееся противоречие между результатами Н. И. Гришина и Б. Фогля. Спектры Н. И. Гришина, полученные за четыре ночи лета 1951 г., были образованы сравнительно крупными частицами, примерно с r>= 0,5 мкм, поэтому на них заметны волны (r >λ). Спектры же Б. Фогля 1966 г., Б. Фогля и М. Риза 1972 г., а также Д. П. Веселова и его сотрудников 1976 г. были образованы сравнительно малыми частицами. Оба спектра, Фогля (1966 и 1972 гг,) захватывают еще первый, самый широкий максимум около λ = 0,4 мкм; значит, размер частиц при этом был около r = 0,3 мкм. Спектр Д. П. Веселова к др. максимума не содержит, а ход кривой близок к закону Рэлея; значит, размер частиц был тогда еще меньше (r< 0,2 мкм). Поэтому в дальнейшем целесообразно параллельно со спектральными наблюдениями проводить поляриметрические, чтобы иметь возможность определять радиус частиц и строить кривую в функции не λ, а отношения λ/r.
Признаков люминесценции во всех этих работах обнаружено не было, хотя Н. И. Гришин и принимал сперва полученные им максимумы за полосы люминесценции. Позже, в 1967 г., он пытался связать некоторые детали своих спектров с полосами поглощения жидкого кислорода, предположив, что частицы серебристых облаков содержат конгломераты молекул О2, О3 и высших полимеров кислорода, но эта гипотеза поддержки не получила.
Мы познакомились с оптическими свойствами серебристых облаков в основном по материалам наземных наблюдений. Однако за последние 10 лет их не раз наблюдали из космоса. Об этих наблюдениях будет рассказано в следующем параграфе.
§ 6. Наблюдения серебристых облаков из космоса
Наблюдения и исследования серебристых облаков из ближнего космоса, т. е. с орбит космических кораблей, представляют определенные преимущества перед наземными наблюдениями: почти отсутствует общее поглощение их света в нижних слоях атмосферы, полностью отсутствует поглощение слоем озона и водяным паром, что позволяет регистрировать их ультрафиолетовый и инфракрасный спектр, возможен глобальный охват явления за сравнительно короткое время и т. д.
Впервые оптическое явление, позже идентифицированное как серебристые облака, наблюдал с борта космического корабля «Восход-2» 18–19 марта 1965 г. советский космонавт А. А. Леонов. После этого их наблюдал с борта «Союза-9» 9 июня 1970 г. В. И. Севастьянов. Наблюдавшиеся облака представлялись вытянутыми вдоль горизонта полосами и системами гребешков.
Дальнейшие наблюдения серебристых облаков из космоса были выполнены членом второго экипажа станции «Скайлэб» П. Вейтцем в мае и в первой неделе июля 1973 г. около 50° северной широты, в интервале восточных долгот 10–40° (примерно от Парижа до Харькова). Облака наблюдалась за это время четыре раза, они всегда наблюдались внизу в направлении восходящего Солнца, однако никогда Солнце и серебристые облака не наблюдались одновременно. Облака были яркие и образовывали тонкую яркую полосу над земным горизонтом. По мере приближения космического аппарата эта полоса как бы разделилась на две, а затем на четыре тонких слоистых облака, которые, по мере приближения к ним «Скайлэба», поднимались над горизонтом, пока не исчезли в усиливавшемся свечении утреннего неба.
Более систематические наблюдения серебристых облаков были организованы силами экипажей советских орбитальных станций «Салют-4» (в северном полушарии) и «Салют-6» (в южном полушарии).
На «Салюте-4» космонавты П. И. Климук и В. И. Севастьянов наблюдали серебристые облака визуально на многих витках с 1 по 17 июля 1975 г. Весьма показательна в отношении глобального расположения серебристых облаков по космическим и наземным наблюдениям ночь 3–4 июля 1975 г., когда наши космонавты наблюдали серебристые облака на протяжении девяти витков, на тех их участках, которые пролегали над средними широтами Атлантики, Западной Европы, территории СССР от его западных до восточных границ и части Тихого океана до берегов Америки (рис. 22). На рис. 22 черными кружками показаны также места расположения серебристых облаков по наземным наблюдениям в ту же ночь. Рисунок наглядно иллюстрирует возможности наблюдений из космоса для регистрации глобального расположения серебристых облаков. Согласно наземным наблюдениям, эти облака были довольно яркими, их оптическая толщина заключалась в пределах 10-5÷10-4.
Рис. 22.Области, над которыми наблюдались серебристые облака с «Салюта-4» 3–4 июля 1975 г. Черные кружки обозначают места их наземных наблюдений.
Учитывая успех визуальных наблюдений с «Салюта-4», в задачу первого же экипажа «Салюта-6» (Ю. В. Романенко, Г. М. Гречко), работавшего с декабря 1977 г. по март 1978 г., было поставлено фотографирование серебристых облаков из космоса. Поскольку период работы экипажа приходился на зиму в северном полушарии и лето в южном, фотографирование серебристых облаков производилось над южным полушарием Земли. Всего было получено 40 черно-белых и 5 цветных фотографий серебристых облаков. Одна из черно-белых фотографий, полученная 15 января 1978 г., представлена на рис. 23. Солнце недавно зашло. Мы видим еще яркий сегмент зари, а над ним — тонкую полоску серебристых облаков, которая при внимательном рассматривании разделяется на две. Впрочем, некоторые признаки структуры серебристых облаков видны и ниже полосы, в верхней части сегмента зари.
Рис. 23. Фотография серебристых облаков из космоса с орбитальной станции «Салют-6» 15 января 1978 г.
Всего серебристые облака наблюдались первым экипажем «Салюта-6» на 146 витках с 23 декабря 1977 г. по 2 февраля 1978 г., в течение 31 ночи. Замечательно, что с 24 декабря по 5 января, серебристые облака наблюдались непрерывно, на всех витках, разумеется, на соответствующей широтах. 6 января они внезапно исчезли, но 8 января появились вновь, в форме слабой вуали (флера). Активные периоды видимости серебристых облаков были отмечены также с 14 по 16 января и с 27 января по 2 февраля 1978 г.
Серебристые облака наблюдались обычно не выше 2° над горизонтом, как при положении Солнца под горизонтом, так и над ним, на небольшой высоте (в космосе нет нашего светлого фона неба, освещен бывает лишь небольшой сегмент вблизи горизонта, см. рис. 23). По мере приближения орбитальной станции к серебристым облакам последние заметно поднимаются над горизонтом и приобретают хорошо выраженную волновую структуру. Но дальше, хотя их яркость возрастает, структура начинает пропадать, и облака превращаются в тонкую яркую полосу. Это происходит потому, что с орбит