В Институте космических исследований РАН разработали новый метод определения размеров частиц перламутровых и серебристых облаков. Делать расчеты с помощью оптических снимков предложил старший научный сотрудник института Олег Угольников.
Метод дает сравнимую точность с результатами лидарных и спутниковых измерений, но для него не нужно сложное оборудование. Исследования этих феноменов помогут понять, как на наших глазах меняется климат Земли.
Перламутровые и серебристые облака могут выступать индикатором изменений, которые происходят с земной атмосферой. Перламутровые облака образуются на высоте около 20 километров над поверхностью — в стратосфере, поэтому их ещё называют полярные стратосферные облака. Серебристые облака появляются выше, в мезосфере, на высоте около 80 км над землей. Иногда их называют полярными мезосферными, а также «ночными светящимися», так как из-за большой высоты их долго освещает зашедшее за горизонт Солнце. Атмосферное давление на таких высотах очень маленькое: на высоте 20 км в 100-1000 раз меньше, чем у поверхности Земли, на высоте 80 км — в 200 тысяч раз меньше. Чтобы при таком давлении вода превратилась в лед, нужны очень низкие температуры.
В отличие от перламутровых, серебристые облака состоят из частиц водяного пара с размерами в несколько раз меньше — несколько десятков нм. Они находятся в мезосфере, самом холодном месте на планете. В среднем, температура здесь около -120° Цельсия, но, по данным измерений лидарных и спутниковых измерений, может сильно колебаться. Когда она опускается до определенного предела (около -130° Цельсия), водяной пар начинает замерзать, превращаясь в лед.
В последние годы эти облака стали наблюдать чаще, а их высота снизилась. Ученые объясняют это похолоданием верхней атмосферы из-за парникового эффекта. Парниковые газы не дают теплу покидать нижнюю атмосферу и тем самым не дают нагреваться верхней. Поэтому изучение серебристых и перламутровых облаков очень важно для понимания парникового эффекта. Их высоту, размеры и состав частиц измеряют с помощью лидаров, аэростатных зондов и спутников, но все это требует специального оборудования.
Как сообщили в пресс-службе ИКИ РАН, Олег Угольников, старший научный сотрудник сектора субмиллиметровой и инфракрасной астрономии ИКИ РАН, разрабатывает методы изучения высотных облаков на основе анализа цветных снимков облаков, которые можно получить с помощью вполне доступных широкоугольных RGB-фотоаппаратов, а также, в случае перламутровых облаков, поляризационных камер. Свойства рассеяния света на частицах, в том числе интенсивность на разных длинах волн, зависят от размеров частиц. Значит, можно решить и обратную задачу — восстановить размеры по параметрам рассеяния, если мы хорошо знаем его характеристики.
В этом и состоит основа новой методики обработки снимков. Она включает также метод отделения полезного сигнала от облаков от фонового изображения неба, координатную привязку поля зрения по звездам, а также определение, при необходимости, высоты облаков, которую можно вычислить на основе того, в какой момент они входят в тень озонового слоя, а потом и нижних слоев атмосферы Земли. Если частицы достаточно крупные (как в перламутровых облаках), то эта зависимость цветовых характеристик от размера может быть не однозначной, и тогда необходима дополнительная информация о поляризации рассеянного света.
С помощью этой методики Олег Угольников вместе с коллегами из Полярного геофизического института РАН исследовал перламутровые облака, которые наблюдались зимой 2019-2020 гг. на станции Ловозеро в Мурманской области. Тогда сложилась нечастая для Арктики ситуация: температура воздуха в у поверхности Земли была аномально высокой, а на высоте 20 км — аномально низкой. С помощью снимков, сделанных оптическими и поляризационными камерами всего неба, был определен средний радиус частиц — около 230 нм.
Методика помогла и в исследовании серебристых облаков, которые наблюдались летом 2020-2022 гг. В этом случае использовались только цветные снимки облаков, полученные широкоугольной камерой. Средний радиус частиц был оказался в диапазоне 50-100 нм. Эти результаты хорошо согласуются с результатами, полученными с помощью лидаров. По словам Олега Угольникова, метод достаточно простой, чтобы стать основой для регулярных и сетевых наблюдений за облаками, которые может проводить и неспециалист.
