Александр Чернокульский, канд. физ.-мат. наук, н.с. Института физики атмосферы им. A.M. Обухова РАН, рассказывает об облаках, радующих наш глаз.
Олег Бартунов из ГАИШ любезно предоставил для статьи свои фотографии. 6 февраля 2014 года Александру вместе с его коллегами по Институту Мирсеидом Габиль-оглы и Александром Тимажаевым была вручена премия правительства Москвы для молодых ученых. Наградой в номинации «Науки о Земле» было отмечено исследование циркуляционных и облачных режимов в регионах России и Арктики и их роль в формировании экстремальных погодно-климатических явлений.
Период конца XIX — начала XX веков подарил человечеству целую плеяду великих ученых в области ядерной физики, генетики, исследований полярных областей. Например, целью экспедиции Роберта Скотта на «Терра Нове» в Антарктиду в 1910-1912 годах был не только спортивный бросок к Южному полюсу, но и комплексные геофизические исследования самого южного континента Земли. Так, Джордж Симпсон, штатный метеоролог экспедиции, по результатам наблюдений за оптическими эффектами в облаках опубликовал в 1912 году первую статью [1], посвященную такому явлению как иризация в облаках (от греческого Ирис, Iρις — радуга), еще называемому «радужными облаками».
Что?
Радужные облака — довольно редкое оптическое явление, при котором очень тонкие облака, находящиеся вблизи Солнца, окрашиваются в спектральные цвета. Обычно эти цвета пастельные, бледные, но при определенных условиях могут быть и очень яркими. Симпсон справедливо указал на то, что иризация является наиболее распространенным видом венцов — оптического явления, связанного с дифракцией света на каплях переохлажденной воды в облаках и образованием цветных кругов в облачной пелене вокруг Солнца.
По своей сути, радужные облака-это части несостоявшихся венцов [2]. И если полноценные венцы в атмосфере встречаются крайне редко, то радужные облака увидеть можно почти каждому, главное — быть внимательным! Наблюдать за радужными облаками лучше всего в темных очках, чтобы не ослепнуть, ведь появляются они только вблизи Солнца, на расстоянии около 3-15°, в отдельных случаях до 30°. Но если светило скрыто за чем-то (за другим облаком, за горой и т.д.), то иризацию можно увидеть и невооруженным глазом.
Где?
Наблюдается иризация обычно на краях перистых, перисто-кучевых и высоко-кучевых облаков. Источником света, кстати, может быть не только Солнце, но и Луна [3]. Иризацию можно увидеть на конденсационных следах самолетов [4], а еще -на верхней части кучево-дождевых облаков (на так называемой вуали или наковальне). Правда, такие радужные облака не предвещают ничего радужного, напротив, они говорят о скором ухудшении погоды! А чаще всего иризация встречается в высоко-кучевых линзовидных (лентикулярных) облаках, характерных для горных местностей [5]. Воздух в горах более чистый, практически без примесей, в результате водным каплям гораздо труднее переходить в кристаллы. Дело в том, что для появления иризации переохлажденная вода предпочтительнее ледяных кристаллов.
Солнечный свет, попадая на облачную каплю или кристаллик льда, отклоняется от распространения по прямой линии. При этом величина отклонения света зависит от длины волны, поэтому дифракция солнечного света всегда приводит к его разложению в спектр. Вокруг каждой капли за счет такого однократного рассеяния формируются цветные круги. Их яркость очень мала и видна только в результате суперпозиции. Размер цветовых кругов зависит не только от длины волны, но и от размера препятствия (кстати, по угловому расстоянию кругов одного цвета в венцах от Солнца можно достаточно точно рассчитать радиус облачных частиц).
В облаке с большим разбросом частиц по размеру цветовые круги будут накладываться друг на друга и иризация пропадет. В оптически плотных облаках возрастает эффект, связанный с многократным рассеиванием, что тоже «смертельно» для эффекта радужности. Таким образом, идеальными для иризации являются оптически тонкие облака (или части облаков) с монодисперсным распределением облачных частиц по размеру и форме. Чем выше такая однородность облачных частиц, тем ярче цвета у радужного облака. И выше она именно у водных капель. Да и размером они куда удачнее своих ледяных собратьев.
Для образования радужных облаков размер облачных частиц должен быть в 5-50 раз больше длины световой волны [6, 7], то есть от 3,5 до 35 мкм для красного и от 2 до 20 мкм для синего цвета. Наблюдения показывают,что наиболее яркие радужные облака отмечаются в облаках с размером частиц около 10 мкм и меньше. А согласно последним данным спутниковых наблюдений [8], наиболее распространенный размер кристаллов льда в облаках — около 30-40 мкм, хотя встречаются ледяные кристаллы и меньших и больших размеров (от 2-3 до 60-65 мкм). Диапазон изменчивости капель воды в облаках уже: от десятых долей до 30-40 мкм, при этом чаще всего встречаются размеры капель в диапазонах 2-3 мкм и 10-15 мкм. Именно такие переохлажденные капли и являются идеальными для образования радужных облаков! Кстати, еще один интересный факт: именно Джордж Симпсон в своей статье 1912 года на основании наблюдений за радужными облаками первым подтвердил (хотя и косвенно), что вода в облаках находится в переохлажденном состоянии. Современные наблюдения показывают, что примерно до температуры около -15 °С облака практически полностью состоят из капель воды, до температуры -40 °C — как из капель воды, так и из кристаллов льда, и лишь при более низкой температуре вода в жидкой фазе в облаках почти не встречается [9]. В работах первой половины XX века указывалось, что радужные облака могут формироваться только на каплях переохлажденной воды, однако в последние десятилетия было обнаружено, что и ледяные кристаллы могут приводить к формированию радужных облаков.
Когда?
Сейчас активно изучается явление иризации аномально высоких и холодных перистых облаков, состоящих из ледяных кристаллов, которые имеют почти монодисперсное распределение по размеру. Расположены эти облака вблизи тропопаузы (узкого слоя атмосферы, разделяющего тропосферу и стратосферу), их температура около -70… -75 °C, а размер ледяных частиц всего 2-5 мкм. В одной из последних работ американские ученые сделали предположение, что эти ледяные кристаллы образовались в результате опускания из стратосферы частиц серной кислоты, которые служат своеобразными ядрами конденсации для водяного пара.
В стратосферу сера попадает во время крупных извержений вулканов, особенно «хороши» для этого тропические вулканы. Они могут забросить серу в стратосферу на высоту до 20 — 30 км, здесь сера быстро распространяется по всей планете (благодаря циркуляции Брюера — Добсона, которая переносит воздух в стратосфере из тропиков в полярные широты) и начинает медленно оседать в нижние слои атмосферы. Процесс оседания может продолжаться до 2-3 лет.
Сульфатные аэрозоли в стратосфере вызывают различные оптические эффекты, начиная от красочных закатов и рассветов, заканчивая так называемыми кольцами Бишопа — разновидностью гало с бело-голубым ярким центром и темной красно-коричневой окраиной. Последним мощным извержением является взрыв вулкана Пинатубо в 1991 году, следующий год ознаменовался настоящим буйством световых явлений в атмосфере.
Так, в Голландии кольца Бишопа регистрировались практически каждый день [10], синоптики не видели их только в дни со сплошной низкой облачностью. Возможно, что и радужные облака наблюдались чаще, однако прямых сведений об этом нет: на сегодняшний день какая-либо систематическая оценка климатологии (пространственного распределения, годового хода, межгодовых изменений и т.д.) этого явления отсутствует. Так что для подтверждения влияния вулканов на образование радужных облаков, похоже, придется ждать следующего мощного извержения. А пока можно просто наслаждаться фотографиями, которыми делятся с нами везучие исследователи необычных природных явлений.
- Simpson G.C., Coronae and iridescent clouds, Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, 38(164), 291299, 1912.
- Bohren C. Simple Experiments in Atmospheric Physics: A Serendipitous Iridescent Cloud, Weatherwise, 38(5), 268-274, 1985.
- Shaw J.A. and Pust N.J. Icy wave-cloud lunar corona and cirrus iridescence, Applied Optics, 50(28), F6-F11, 2011. Sassen K. Iridescence in an aircraft contrail, Journal of the Optical Society of America, 69(8), 1080-1083, 1979. Shaw J.A. and Neiman P.J. Coronas and iridescence in mountain wave clouds, Applied Optics, 42(3), 476485, 2003.
- Sassen K. Cirrus cloud iridescence: a rare case study, Applied Optics, 42(3), 486-491, 2003.
- Lock J.A. and Yang L. Mie theory of the corona, Applied Optics 30(24), 3408-3414, 1991. Stubenrauch C.J. and Coauthors, Assessment of Global Cloud Datasets from Satellites: Project and Database Initiated by the GEWEX Radiation Panel, Bulletin of the American Meteorological Society, 94(7), 10311049, 2013.
- Мазин И.П. и Хргиан А.Х. Облака и облачная атмосфера, Ленинград: Гидрометеоиздат, 648 стр., 1989.
- Hattinga Verschure P.-P. Thirty years of observing and documenting sky optical phenomena, Applied Optics, 37(9), 1585-1588, 1998.