Ученый предложил простой метод изучения перламутровых и серебристых облаков

Использование оптических снимков для определения размеров частиц перламутровых и серебристых облаков, знание о которых можно использовать в оценке изменений климата Земли, предложил старший научный сотрудник Института космических исследований (ИКИ) РАН Олег Угольников, 4 декабря сообщает пресс-служба института.

Точность нового метода не уступает более сложным лидарным и спутниковым измерениям, при этом для него необходимы только доступные широкоугольные RGB-фотоаппараты, а для изучения перламутровых облаков еще и поляризационные камеры.

Регулярные исследования этих атмосферных явлений дадут информацию о происходящих в настоящее время изменениях в атмосфере Земли.

Перламутровые облака, которые образуются в стратосфере на высоте около 20 км, называют еще полярными стратосферными облаками, так как они обычно наблюдаются за полярным кругом. Это достаточно редкое (но очень красивое) явление.

Серебристые облака образуются намного выше — на высоте около 80 км в мезосфере, и поэтому их иначе называют полярными мезосферными. Еще одно их название — «ночные светящиеся» — возникло потому, что из-за большой высоты их расположения они долго освещаются Солнцем, уже зашедшим за горизонт.

Поскольку на таких высотах давление атмосферы резко падает: на высоте 20 км в 100–1000 раз, а на высоте 80 км — в 200 тысяч раз по сравнению с давлением на поверхности Земли, то замерзание воды и других жидкостей происходит при очень низких температурах.

Дело в том, что перламутровые облака — это сконденсированные при температуре около -80 °C частицы растворов серной и азотной кислот. Кроме того, они могут содержать также фтор- и хлорсодержащие вещества, которые попадают в стратосферу из более низких слоев.

Размеры таких частиц обычно составляют сотни нанометров, иногда достигая больше микрометра. При падении температуры ниже -88 °C в этих облаках образуются также более крупные (несколько мкм) частицы водяного льда.

Но такая низкая температура в стратосфере бывает редко, так как именно в ней располагается озоновый слой, поглощающий ультрафиолетовое излучение Солнца и нагревающий стратосферу.

Тем не менее температура иногда опускается до значений, при которых образуются облака с «вмороженными» в них соединениями галогенов, чаще всего хлора. Но солнечный свет их активирует, и они начинают активно разрушать озон. Это, в свою очередь, приводит к снижению температуры стратосферы, улучшая условия для возникновения перламутровых облаков. В результате возникает положительная обратная связь.

Серебристые облака, которые формируются в мезосфере, самом холодном месте на планете (около -120 °C), состоят из гораздо мелких частиц водяного пара — всего несколько десятков нм. Согласно данным лидаров и спутников, температура мезосферы может сильно колебаться, и когда она опускается примерно до -130 °C, водяной пар замерзает и превращается в лед.

В последние годы эти облака возникают всё чаще, а их высота снизилась. И как полагают ученые, в похолодании верхней атмосферы виноват всё тот же парниковый эффект. Парниковые газы, которые потому и называются парниковыми, не дают теплу уходить в верхние слои атмосферы.

Отсюда возникает важность задачи изучения серебристых и перламутровых облаков, которое помогает понять процессы парникового эффекта. Сейчас высоту, размеры и состав частиц таких облаков измеряют с помощью лидаров, аэростатных зондов и спутников, что требует специального оборудования.

Методы изучения высотных облаков, предложенные старшим научным сотрудником сектора субмиллиметровой и инфракрасной астрономии ИКИ РАН Олегом Угольниковым, основаны на анализе цветных снимков облаков, сделанных широкоугольным RGB-фотоаппаратом, а для перламутровых облаков — поляризационной камерой.

Поскольку от размеров частиц зависит интенсивность рассеяния на них света на разных длинах волн, то можно решить обратную задачу — зная характеристики рассеяния, восстановить размеры частиц по замеренным параметрам рассеяния.

Такова основа новой методики Угольникова по обработке снимков. Кроме того, им разработаны также метод фильтрации полезного сигнала от облаков от фонового изображения неба, координатная привязка поля зрения по звездам и определение высоты облаков по моментам их входа в тень озонового слоя и нижних слоев атмосферы Земли.

Зависимость цветовых характеристик от размера может быть не однозначной для относительно крупных частиц перламутровых облаков, и тогда необходима дополнительная информация о поляризации рассеянного света.

Методика Угольникова была апробирована при исследовании перламутровых облаков зимой 2019–2020 годов на станции Ловозеро в Мурманской области. Тогда с помощью снимков всего неба, сделанных оптическими и поляризационными камерами, был определен средний радиус частиц — около 230 нм.

На серебристых облаках методика была проверена летом 2020–2022 годов. Использовались цветные снимки облаков, полученные широкоугольной камерой. Вычисленный по методике средний радиус частиц составил 50–100 нм.

Полученные результаты вычислений размеров частиц по методу Угольникова хорошо согласуются с данными лидаров.

Автор отмечает, что простота методики позволяет ей стать основой для регулярных и сетевых наблюдений за облаками, проводить которые может даже неспециалист.