Работа представлена на секции астрономии и геофизики Московской открытой конференции «Космический патруль» в 1999 году и секции физика и астрономия Международной конференции «Юниор-99»
В данной работе представлены результаты наблюдений серебристых облаков, выполненные в период с 1977 по 1997 годы в Подмосковье и на месте Тунгусской катастрофы по программам "МЕЗО" и "Космический патруль". Проведен их предварительный анализ с точки зрения солнечно-земных связей. Рассматривается взаимосвязь появления серебристых облаков с циклами солнечной активности. На основе полученного материала сделан вывод о взаимосвязи интенсивности появления серебристых облаков с пятнообразовательной деятельностью Солнца, которая имеет обратную зависимость. В работе обсуждается один из наиболее вероятных (конденсационных) механизмов образования облаков в охлажденной летней мезопаузе на средних широтах.
Введение
На протяжении более 35 лет в Москве, в городском Дворце творчества детей и юношества, совместно с астрономо-геодезическим обществом ведутся регулярные патрульные наблюдения серебристых облаков. Руководителями работ по этой тематике в разные годы были - Гришин Н.И. (с 1962 по 1968 г.г.) и Ромейко В.А. (1969-1998 г.г.). Основная часть наблюдений выполнена вблизи эпохи летнего солнцестояния, то есть в период с июня по август включительно.
В силу исторических причин основным местом работ стало Подмосковье (широта 56°), где наблюдения проводились с 1962 по 1998 гг. Второе место находилось в районе Тунгусской катастрофы 1908 года (широта 60°), где наблюдения велись с 1977 по 1998 г.г. Юг Архангельской области (д. Шириханово) был выбран в качестве сопряженной точки с местом Тунгусской катастрофы для продолжения наблюдений на европейской территории. По широте они разнесены на 3900 км. Наблюдения в этом районе охватили период с 1983 по 1993 гг. Полученный в этих регионах материал позволил сделать предварительную статистическую выборку для представленного анализа. В 1996 году А.С. Яценко была разработана компьютерная база данных для хранения и предварительной обработки наблюдений, что существенно расширило возможности в понимании природы серебристых облаков и их взаимосвязи с некоторыми геофизическими и астрономическими явлениями. В данной работе используются наблюдения серебристых облаков, полученные экспедициями отдела серебристых облаков Всесоюзного астрономо-геодезического общества (ВАГО) и отдела астрономии МГДД(Ю)Т [1,2]. Материалы по солнечной активности взяты из каталогов наблюдений солнечных обсерваторий.
Серебристые облака (noctilucent clouds) являются самыми высокими облачными образованиями, наблюдаемыми в пограничном слое земной атмосферы на высоте 75-95 километров. Средняя высота их появления определена достаточно достоверно по фотограмметрическим наблюдениям - равна 82 км. В отличие от тропосферных облаков, они располагаются в зоне активного взаимодействия атмосферы Земли с космическим пространством. Межпланетная пыль, метеорное вещество, заряженные частицы солнечного и космического происхождения; магнитные поля постоянно участвуют в физико-химических процессах, происходящих в верхней атмосфере. Результаты этих взаимодействий мы наблюдаем в виде полярных сияний, эмиссионных свечений атмосферы, метеорных явлений, изменений цвета и продолжительности сумерек, появления серебристых облаков. В настоящее время они представляют один из немногих источников информации о волновых движениях в мезопаузе.
Анализ материалов визуальных наблюдений показывает, что максимум частоты появления для средней широты (56° - 60°) лежит около третьей декады июня и второй декады июля. Этот период характеризуется устойчивыми и продолжительными появлениями обширных облачных полей серебристых облаков, площади которых иногда достигают нескольких миллионов квадратных километров. Следует отметить что в летнее время полярная мезопауза является областью, где наблюдается самая низкая температура в атмосфере Земли, равная 100 - 200° К.
Вопрос о взаимосвязи серебристых облаков с некоторыми геофизическими и астрономическими явлениями (сейсмической и вулканической активностью, циклональной атмосферной деятельностью, влиянием лунных приливов, солнечной активностью) обсуждался достаточно часто [4], но из-за отсутствия систематических продолжительных рядов наблюдений, насколько нам известно, носил сугубо предположительный характер.
Методика наблюдений
Основной задачей наблюдений серебристых облаков является регистрация моментов их появлений и фиксация наиболее характерных признаков по существующим стандартным методикам [3]. Используемая нами программа наблюдений включала следующие пункты:
1. Патрулирование сумеречного сегмента через 15-ти минутные интервалы.
2. Регистрация моментов их появления и исчезновения.
3. Отождествление морфологических форм.
4. Определение яркости.
5. Определение интенсивности облакообразования.
6. Оценка метеорологических условий наблюдения.
Из всех перечисленных характеристик для данного анализа было отдано предпочтение яркости и продолжительности видимости серебристых облаков, как наиболее объективно отражающих фактор их появления. Определение яркости представляет собой одну из самых важных и достаточно сложных задач. В каждой измеряемой точке яркость складывается из собственной яркости облака (Всо) и яркости сумеречного сегмента (Вс). В действительности мы имеем многофакторную систему, в которой видимая яркость одновременно определяется оптической массой рассеивающего слоя серебристых облаков и величиной их контрастности на фоне сумеречного неба. Очевидно, что оценка яркости в этом случае несет элемент субъективности, но, как показал опыт, ошибка наблюдателей колеблется в пределах 5%-10%.
Оценка яркости производилась по пятибальной шкале, значения которой соответствуют:
- очень слабые облака обнаруживаются при внимательном осмотре неба;
- облака замечаются легко, но имеют малую яркость;
- облака хорошо заметны резко выделяются на фоне сумерек;
- яркие хорошо заметные облака;
- очень яркие облака резко выделяются на фоне неба.
В качестве основной характеристики, определяющей интенсивность облакообразования за сезон, использовалась удельная яркость (S/со), т.е. суммарная оценка всех яркостей за весь период наблюдений, деленная на число появлений (Nсо). Такая оценка является весьма удобной т.к. учитывает не только яркость, но и продолжительность видимости и число появлений. Очевидно, что эта величина не является абсолютной для всех мест наблюдения, т.к. общая продолжительность видимости серебристых облаков во многом определяется длительностью летних ночей на разных широтах и в разные месяцы. Наблюдения серебристых облаков, как указывалось выше, проводились в период их максимальной видимости, что дало возможность получить наибольшую информацию о них при сравнительно небольших временных затратах.
Обсуждение результатов и выводы
С 1977 по 1997 г.г. наблюдениями были охвачены два цикла солнечной активности. Для обработки использовались данные, относящиеся к летним месяцам с максимальными условиями видимости серебристых облаков. Всего использовалось 236 случаев появлений серебристых облаков в Подмосковье, и 110 на Тунгуске. При этом общая продолжительность наблюдательных ночей составила 726 в Подмосковье, и 438 на месте Тунгусской катастрофы. Из этого следует, что в среднем один случай появления серебристых облаков приходился на 3,1 наблюдательных ночей.
Как показывает анализ полученных материалов по Подмосковью (табл.1), в появлении серебристых облаков прослеживается определенная периодичность. На графике хорошо просматривается тенденция к росту интенсивности в 1976 году, затем наблюдается значительный спад, достигающий минимального значения в 1980 году, а затем снова возрастание, достигшее своего максимального значения к 1989 году. Несмотря на хорошие метеорологические условия наблюдения в 1980 г., интенсивность была минимальной. В этот же период в 1980 г. наблюдался максимум солнечной активности, это совпадение отчасти стало решающим в поисках зависимости между появлением серебристых облаков и солнечной активностью. Аналогичную тенденцию можно проследить в последующие годы.
Таблица № 1
|
Год |
S/nс |
Год |
S/nс |
Год |
S/nс |
|
1976 |
17,5 |
1984 |
11,1 |
1992 |
21,1 |
|
1977 |
17,2 |
1985 |
7,5 |
1993 |
20,4 |
|
1978 |
13,1 |
1986 |
18,8 |
1994 |
21,8 |
|
1979 |
13,4 |
1987 |
15,1 |
1995 |
20,0 |
|
1980 |
4,8 |
1988 |
11,8 |
1996 |
24,5 |
|
1981 |
12,9 |
1989 |
19,8 |
1997 |
15,1 |
|
1982 |
12,8 |
1990 |
3,3 |
1998 |
11,7 |
|
1983 |
7,1 |
1991 |
11,9 |
В качестве фактора, характеризующего солнечную активность, нами использовался индекс, выраженный в числах Вольфа (W). Данные солнечной активности брались из каталогов наблюдений солнечных обсерваторий только за период наблюдений серебристых облаков, т.е. июнь-июль месяц. На графике, характеризующем ее ход с 1976 по 1997 годы, имеются три четко выраженных минимума в 1976 г. W = 7,5 и в 1986г. W = 9,6 1997-1996. Сопоставление двух графиков, при некоторых допущениях, показывает наличие обратной зависимости между ходом солнечной активности и интенсивностью облакообразования. Кроме фактора солнечной активности, заметно влияние на облакообразование некого второго фактора, проявляющегося в виде отдельных всплесков интенсивности серебристых облаков. Есть основания предполагать, что этот фактор в значительной степени формируется под действием лунных приливов. Анализируя полученные данные, мы имеем возможность выявить эти отклонения, проявившиеся в 1981-82, и 89 г.г. Дальнейшая работа сводится к расчету коэффициента корреляции (k) между двумя исследуемыми зависимостями. С учетом указанных трех лет, коэффициент получил значение k = 0,83, что характеризует глубокую взаимосвязь между двумя процессами. При внимательном изучении колебаний интенсивности серебристых облаков, помимо 10-11 -летнего периода, просматривается пятилетний.
Сложнее с тунгусскими данными (Табл.2). Здесь возможна лишь попытка их интерпретации. Прежде всего, это связано с разрывами в наблюдениях. Например, в 1989-90 гг. наблюдения не проводились и точки 1988 и 1991 гг. соединены по среднему значению (рис.4), что по аналогии с московскими наблюдениями, не отражает реальную картину интенсивности в эти годы. Но в целом ход активности аналогичен московскому.
Таблица 2
|
Год |
S/nс |
Год |
S/nс |
|
1977 |
19,2 |
1992 |
11,9 |
|
1978 |
21,5 |
1993 |
8,6 |
|
1980 |
15,5 |
1994 |
14,2 |
|
1982 |
18,1 |
1995 |
21,4 |
|
1984 |
23,1 |
1996 |
24,3 |
|
1986 |
18,6 |
1997 |
46,0 |
|
1988 |
24,0 |
1998 |
16,1 |
|
1991 |
27,0 |
Рассматривая механизм образования серебристых облаков с точки зрения конденсационной гипотезы, разработанной И.А. Хвостиковым [5], можно предположить, что в годы максимальной солнечной активности верхние слои атмосферы Земли в средних широтах прогреваются гораздо интенсивнее, чем это происходит в годы минимумов. Радиационный прогрев мезопаузы в летний период вносит определенные ограничения на процесс конденсации водяного пара и как следствие образование кристалликов льда, из которых собственно и состоят серебристые облака.
Учитывая выше изложенное, результаты данной работы позволяют с определенной степенью вероятности прогнозировать интенсивность облакообразования и характер появления серебристых облаков в будущий период. По нашему мнению, как это, впрочем, отмечалось в работе Н.Н. Шефова [6], а до него предполагалось Ч.И. Виллманом [7], существует влияние положения лунного перигея на общий ход яркости и частоты появления СО.
В заключение авторы выражают глубокую благодарность всему коллективу наблюдателей - группам экспериментальной и практической астрофизики отдела астрономии МГДД(Ю)Т за помощь в получении фактического материала наблюдений. Особая благодарность наблюдателям: С. Миндичу и М. Данкину. Данная работа заметно проиграла бы без критических замечаний и помощи в математической обработке, оказанной В.Н. Кузнецовым.
Литература:
1. Архив отдела серебристых облаков МО ВАГО.
2. Ромейко В.А. Наблюдение серебристых облаков в СССР (каталог данных 1957-1987 гг.), Междуведомственный Геофизический Комитет при Президиуме АН СССР, 1989.
3. Ромейко В.А. Руководство по проведению квалифицированных визуальных наблюдений серебристых облаков. Изд-во МГДПиШ, М. 1990.
4. Бронштэн В.А., Гришин Н.И. Серебристые облака. М. "Наука" 1970.
5. Хвостиков И.А. Серебристые облака "Природа", N5, 1952.
6. Кропоткина Е.А., Шефов Н.Н. Влияние лунных приливов на вероятность появления серебристых облаков. "Физика атмосферы и океана", т.11, N 11, 1975.
7. Виллман Ч.И. Статические данные о появлении серебристых облаков за период МГСС, Астрономический вестник N3, 1968.
Ефанов Дмитрий – школа № 506,
Калмыков Петр – школа № 1523,
Власов Сергей – школа №7,
учащиеся групп дополнительного образования отдела астрономии Московского городского дворца детского (юношеского) творчества
Научный руководитель: Ромейко Виталий Александрович – Московский городской дворец детского (юношеского) творчества