Работа представлялась на секции астрономии и геофизики Московской открытой конференции «Космический патруль» в 2003 году
В данной работе представлены результаты наблюдений серебристых облаков, выполненные в период с 1977 по 2002 годы в районе Тунгусской катастрофы по программам "МЕЗО" и "Космический патруль". Проведен их предварительный статистический анализ. На основе уникальной базы данных впервые проведен статистический анализ частоты появления, яркости и морфологических форм серебристых облаков.
Серебристые облака (noctilucent clouds - NCL) представляют собой одну из наиболее интересных проблем физики верхней атмосферы.
Прежде всего, важно понять, что NCL являются индикатором глобальных процессов, происходящих в верхних слоях атмосферы Земли. В настоящее время они представляют собой один из источников данных о волновых движениях в мезопаузе. NCL существенно дополняют исследование ее динамики также и другими методами, такими как: радиолокация метеорных следов, ракетное и лазерное зондирование. Обширные площади и значительное время существования облачных полей дают уникальную возможность прямого определения волновых характеристик и их волновую эволюцию.
Несмотря на обилие данных, полученных к настоящему времени о верхней атмосфере, по-прежнему остается проблема в объяснении природы серебристых облаков: какие глобальные явления в земной атмосфере предопределяют их возникновение, какова природа морфологических структур серебристых облаков? Все эти вопросы требуют в настоящий момент высокого качества наблюдательного материала и его тщательного анализа.
В данной работе мы остановимся на анализе визуальных наблюдений СО, т.к. этот материал представляет наибольшую ценность с точки зрения изучения природы образования облачных структур в пограничном слое атмосферы Земли.
Цель работы.
По многолетним рядам визуальных наблюдений изучить особенности распределения морфологических форм серебристых облаков и частоту их появления в различных регионах России.
1. Изучение морфологических форм серебристых облаков на разных широтах в периоды их максимальной видимости летом с1977 по 2002 г.
2. Сравнительный анализ наблюдений в трех регионах России (Московский, Архангельский, место Тунгусской катастрофы).
ИЗУЧЕНИЕ СЕРЕБРИСТЫХ ОБЛАКОВ ВО ДВОРЦЕ ТВОРЧЕСТВА
На протяжении 40 лет в Москве, в городском Дворце творчества детей и юношества совместно с астрономо-геодезическим обществом ведутся регулярные патрульные наблюдения серебристых облаков. Участниками этих наблюдений являются кружковцы лаборатории астрофизики отдела астрономии и космонавтики. Руководителями работ по этой тематике в разные годы были - Гришин Н.И. (с 1962 по 1968 гг.) и Ромейко В.А. (с 1968 по настоящее время). Основная часть наблюдений выполнена вблизи эпохи летнего солнцестояния, то есть в период с июня по август включительно.
Основными местами проведения наблюдений являются три пункта: в Подмосковье (д. Скоротово), район падения Тунгусского метеорита и в д. Шириханово в Архангельской области. В таблице 1 приведены координаты мест наблюдений.
|
Место
|
Подмосковье |
Тунгуска |
Шириханово |
|
Широта |
55° 39' |
60° 52' |
61° 31' |
|
Долгота |
36° 54' |
101° 53' |
40° 35' |
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 информации, что существенно расширило наши возможности в понимании природы серебристых облаков и их взаимосвязи с некоторыми геофизическими и астрономическими явлениями. В данной работе используются наблюдения, полученные экспедициями отдела серебристых облаков Всесоюзного астрономо-геодезического общества (ВАГО) и отдела астрономии МГДД(Ю)Т.
Предмет исследования
Серебристые облака (noctilucent clouds) являются самыми высокими облачными образованьями, наблюдаемыми в пограничном слое земной атмосферы на высоте 75-95 километров. Средняя высота их появления определена достаточно достоверно по фотографическим наблюдениям. Она 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, а также и в виде появления серебристых облаков.
Анализ материалов 395 визуальных наблюдений, выполненных в Подмосковье в период с 1962 по 1999 год, показывает, что максимум частоты появления для широты j = 56° лежит около третей 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. Cледует отметить, что в летнее время полярная мезопауза является областью, где наблюдается самая низкая температура в атмосфере Земли равная 100 - 120 К.
Методика наблюдений
Основной задачей наблюдений серебристых облаков является регистрация моментов их появлений и фиксация наиболее характерных признаков по существующим стандартным методикам. Используемая нами программа наблюдений включает следующие пункты:
1. Патрулирование сумеречного сегмента через 15-ти минутные интервалы времени.
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, продолжительности видимости и морфологическим формам серебристых облаков.
Определение морфологических форм
Морфологические исследования являются важным исходным материалом для изучения серебристых облаков. Используемая нами классификация описывает наиболее характерные формы, встречающиеся во время наблюдений:
I (1) - флер (однородная, слабосветящаяся масса, иногда имеющая клочковатую структуру, чаще всего заполняет пространство между отдельными формами);
II (2) - полосы (длинные, размытые структуры, часто расположенные группами, параллельными друг другу или под небольшим углом);
III (3) - гребешки (мелкомасштабные структуры узких, резко очерченных форм, наподобие легкой ряби на воде);
IV (4) - вихри (структуры с малым радиусом, величина угла меняется от десятков градусов до полного скручивания).
Наиболее характерными образованьями для данных высот (h = 82 км) являются различные виды волновых структур. По современным представлениям, волновые движения в мезосфере и нижней термосфере определяются распространением акустических и гравитационных волн. По линейным размерам L и времени существования Р они подразделяются на три группы:
гребешки L = 3 - 12 км, Р ~ 5 мин
гребни L = 50 км Р ~ 10 мин
планетарные волны L ~ 100 -300 км Р ~ 100 мин
Любые нарушения динамического равновесия в верхней атмосфере приводят к разрушению волновых структур, изменению морфологических форм и образованию иного вида структур - вихревых.
За период наблюдений, а это более 20 лет, был точно установлен порядок появления различных форм СО: сначала появляется флер, иногда он так и остается единственной формой, но очень малой яркости; затем появляются полосы и струи; позже гребешки, а иногда и вихри. Полосы и струи генетически связаны с эволюцией флера. По-видимому, происходит увеличение воздушными течениями некоторой массы флера и образование из него широких туманообразных полос. С расстояния 600 - 700 км эти полосы кажутся достаточно резко очерченными. С ближнего (~ 100 км) расстояния они мало отличаются от флера. Предполагается, что при наличии локальных струйных течений в мезосфере флер вытягивается в более резко очерченные полосы, которые называются струями.
Автором было проведено исследование корреляции между отдельными морфологическими формами СО.
Обработка наблюдательных данных.
Обработка наблюдательных данных состояла из 2 частей: первая - статистический анализ общих материалов за весь период наблюдений с 1977 по 2002 год; вторая часть – анализ наблюдений по двум регионам по годам.
Для обработки данных было использовано 778 ночей, когда наблюдались серебристые облака, что составило 1708 часов видимости. Учитывая однотипность наблюдений, мы можем сопоставить имеющийся материал, как по частоте появлений, так и по распределению морфологических форм. В качестве индекса интенсивности использовалась сумма всех оценок яркости серебристых облаков за каждый сезон наблюдений. На графике отчетливо видно, что яркость серебристых облаков в Москве и на Тунгуске не совпадает, что указывает на различие условий образования СО в один сезон в разных регионах.
В процессе статистической обработки (таблица 2) выявились следующие особенности: процентное соотношение 1,2 и 3 форм в регионах остается неизменным. А 4 форма (вихри) в два раза чаще появлялась в северном регионе, чем в московском. Вероятнее всего, это связано с большей динамической нестабильностью в северном регионе на высоте мезопаузы. В данной работе мы не касались статистического анализа подтипов морфологических форм. Но наблюдатели СО часто указывают на то, что в тунгусском регионе форма 2б (струи) встречается гораздо чаще, чем в Московском регионе. Данный анализ заслуживает проведения отдельной работы.
Таблица 1
|
Тип облаков |
Подмосковье |
Тунгуска |
∑ |
|
1 (флер) |
33,39% |
29,27% |
31,33% |
|
2 (полосы) |
35,56% |
32,86% |
34,21% |
|
3 (гребешки) |
23,34% |
22,13% |
22,73% |
|
4 (вихри) |
7,66% |
15,71% |
11,68 |
|
| |||
Из сопоставления графиков распределения морфологических форм по годам можно сделать вывод, что процессы облакообразования в мезосфере носят не глобальный, а локальный характер.
Таблица 2
|
|
форма 1 |
Форма 2 |
Форма 3 |
Форма 4 |
яркость |
|
Кофф. корелляции |
0.1 |
-0,02 |
0,23 |
0,03 |
-0,01 |
Обсуждение результатов и выводы
1. На основе уникальной базы данных впервые проведен статистический анализ частоты появления, яркости и морфологических форм серебристых облаков.
В процессе статистической обработки выявились следующие особенности: процентное соотношение 1,2 и 3 форм в регионах остается неизменным. А 4 форма (вихри) в два раза чаще появлялась в северном регионе, чем в Москве.
3. Яркость серебристых облаков в Москве и на Тунгуске не совпадает, что указывает на различие условий образования СО в один сезон в разных регионах.
4. Из сопоставления графиков распределения морфологических форм по годам можно сделать вывод, что процессы облакообразования в мезосфере носят не глобальный, а локальный характер.
Власов Андрей – лицей «Вторая школа», учащийся группы дополнительного образования отдела астрономии Московского городского дворца детского (юношеского) творчества
Научный руководитель: Ромейко Виталий Александрович – Московский городской дворец детского (юношеского) творчества