Влияние облаков микрометеоритной пыли на дальнее распространение радиоволн KB и УКВ диапазонов.

Радиолюбителям хорошо известно, что иногда в ионосфере на высотах от 50 до 150 км возникает так называемый спорадический слой Ее, благодаря отражению от которого появляется возможность связи на высокочастотных KB диапазонах и сверхдальнего распространения низкочастотного участка УКВ диапазона [1,2].
Основные экспериментально обнаруженные особенности этого слоя таковы:

• аномально высокая концентрация электронов, позволяющая проводить радиосвязи даже в диапазоне 144 МГц;
• формирование отражающих областей в виде "облаков" площадью от единиц до сотен квадратных километров и толщиной 2...3 км;
• перемещение этих облаков с высокими скоростями, достигающими нескольких сотен километров в час, преимущественно в западном направлении (и северном полушарии Земли);
• отсутствие прямой связи с солнечной активностью, отчетливая зависимость вероятности образования спорадического слоя от времени года [3].

Для иллюстрации сезонной зависимости частоты образования спорадических слоев приводится сезонная зависимость числа радиосвязей на частоте 50 МГц по данным польских радиолюбителей (рис. 1) [3]. Любопытно сопоставить основные эмпирические особенности слоя Ее со свойствами так называемых "серебристых" или мезосферных облаков, впервые обнаруженных еще в 1885 году приват-доцентом Московского университета В. К. Церарским и хорошо известных любителям астрономии [4].
Основные свойства серебристых облаков следующие:

• встречаются на высотах 75...90 км;
• формируются в виде светящихся областей серебристо-голубоватого цвета с площадью, достигающей сотен квадратных километров и толщиной в несколько километров;
• перемещаются со скоростями, достигающими несколько сотен километров в час, преимущественно с северо-востока на юго-запад (в северном полушарии Земли);
• отсутствует прямая связь с солнечной активностью; отчетливо видна зависимость вероятности образования серебристых облаков от времени года.

Для наглядности на том же рисунке приводится распределение случаев видимости серебристых облаков по месяцам (по данным станций Гидрометеослужбы СССР) суммарно за три года (1957, 58, 59) [4].

Рис.1.

Как видно из рис.1, обе приведенных на нем зависимости довольно хорошо совпадают, что позволяет сделать предположение о существовании некого общего для обоих явлений процесса, проявляющегося как в виде спорадических слоев, так и в виде серебристых облаков. Что же это за процесс?
Прямые ракетные эксперименты с использованием специальных ловушек для малых частиц, проводившиеся при появлении серебристых облаков, показали, что они состоят из мельчайших кристалликов льда, образовавшихся на так называемых ядрах конденсации. Как показал анализ ядер конденсации, в них содержатся железо и никель, типичные для метеоритных частиц [4].
Причем размеры этих частиц или микрометеоритов (0,02...1 мкм) таковы, что они тормозят на высотах 120...80 км не сгорая, и далее начинают опускаться с постоянной и незначительной (единицы, десятки миллиметров в минуту) скоростью. Достаточно небольшого устойчивого восходящего потока воздуха со сходной или большей скоростью, чтобы микрометеоритная пыль, постоянно бомбардирующая Землю, стали накапливаться и образовывать слои, или "облака".
Оценки, проведенные мной, показывают, что достаточно нескольких часов существования устойчивого восходящего потока воздуха, чтобы образовался слой микрометеоритной пыли с усредненной (по объему) электронной плотностью, достаточной для отражения на высокочастотных KB и низкочастотных УКВ диапазонах (электроны, конечно, находятся в объеме железоникелевых частиц). Отсутствие отражения для низкочастотных KB диапазонов, возможно, связано с размерами этих частиц, но ограниченный объем статьи не позволяет остановиться на этом вопросе более подробно.
Таким образом, как представляется автору, спорадический слой Ее есть накопившейся в результате существования устойчивого восходящего потока воздуха слой микрометеоритной пыли, содержащей железо и никель. В рамках этого предположения можно объяснить все вышеперечисленные особенности спорадических слоев. Например, сезонная зависимость частоты появления слоя.
Ее и связь ее с серебристыми облаками объясняется тем, что "...выше 25...30 км на средних широтах в летнее время года наблюдаются восходящие потоки воздуха, которые переносят водяной пар в область мезопаузы, где он и вымерзает, образуя серебристые облака. На других широтах и в другие сезоны, восходящие потоки либо не возникают, либо подавляются отсутствием вымораживания..." [4]
В целом, конечно, данную статью следует рассматривать как тему для дискуссии, и автор с благодарностью примет любые замечания, возражения, предложения, ссылки на неупомянутые работы и т.п.

Основные формы облаков и их характеристика

Формы облаков, их латинские названия и обозначения Размеры облаков Преимущественное фазовое строение Время жизни облака Максимальные вертикальные скорости Виды осадков у земли высота нижней границы, км Толщина, км Горизонтальная протяжённость, км Слоистообразные облака Слоистые, Stratus (St)……………………. Слоисто-кучевые, Stratocumulus (Sc)…. Высоко-кучевые, Altocumulus (Ac)…… Перисто-кучевые, Cirrocumulus (Cc)….. Слоисто-дождевые, Nimbostratus (Ns)….. Высоко-слоистые, Altostratus (As)……… Перисто-слоистые, Cirrostratus (Cs)…….. Перистые, Cirrus (Ci)……………………. 0,1-0,7 0,4—2,0 2—6 6—9 0,1—1,0 3—6 5—9 6—10 0,1—1,0 0,1—1,0 0,1—0,8 0,2—1,0 1—10 0,5—3 0,5—5 0,2—3 10-103 10—103 10—102 10—102 10—103 10—103 10—103 10—103 капельные капельные капельные, смешанные кристаллические смешанные смешанные, кристаллические кристаллические кристаллические сутки и более " " " " " " " десятки см/сек " " " " " " " отсутствуют или морось то же отсутствуют отсутствуют дождь, снег дождь, снег отсутствуют отсутствуют Кучевообразные облака Кучевые, Cumulus (Си)......………………. Мощно-кучевые, Cumulus Congestus (Cu Cong.)..………….. Кучево-дождевые, Cumulonimbus (Cb).. 0,8—2,0 0,8—2,0 0,4—1,5 0,3—3 3—5 5—12 1—5 2—10 5—50 капельные капельные смешанные десятки минут " " 1 м/сек 10 м/сек 15—20 м/сек отсутствуют отсутствуют ливень, град

Что такое облака?!

Большая советская энциклопедия

Облака

• Слоисто-кучевые облака
  Слоисто-кучевые облака
• Средние и мощные кучевые облака
  Средние и мощные кучевые облака
• Кучево-дождевые облака на фоне высоко-кучевых
  Кучево-дождевые облака на фоне высоко-кучевых
• Перисто-кучевые облака
  Перисто-кучевые облака
• Слоисто-кучевые облака (вид с земли)
  Слоисто-кучевые облака (вид с земли)
• Высоко-кучевые облака
  Высоко-кучевые облака
• Слоисто-кучевые облака (вид сверху)
  Слоисто-кучевые облака (вид сверху)
• Высоко-слоистые облака
  Высоко-слоистые облака
• Высоко-кучевые облака
  Высоко-кучевые облака
• Кучевые облака хорошей погоды
  Кучевые облака хорошей погоды
• Кучево-дождевое облако
  Кучево-дождевое облако
• Перистые когтевидные облака
  Перистые когтевидные облака

1–3 из 12

Облака атмосферные, скопление в атмосфере продуктов конденсации водяного пара в виде огромного числа мельчайших капелек воды или кристалликов льда либо тех и других. Аналогичные скопления непосредственно у земной поверхности называется туманом. О. — существенный погодообразующий фактор, определяющий формирование и режим осадков, влияющий на тепловой режим атмосферы и Земли и т.д. О. покрывают в среднем около половины небосвода Земли и содержат при этом во взвешенном состоянии до 10⁹ т воды. О. являются важным звеном влагооборота на Земле, они могут перемещаться на тысячи км, перенося и тем самым перераспределяя огромные массы воды.
В основном водяной пар содержится в нижней части атмосферы — тропосфере, поэтому именно здесь на различных высотах и сосредоточено подавляющее большинство О. Однако нередко в стратосферу проникают перистые и кучево-дождевые О., последние могут иногда достигать высоты 16 и более км. В стратосфере могут также возникать перламутровые О.(на высоте около 25 км), а в мезосфере — серебристые (около 80 км). К основным формам О. (см. табл.) относятся: О. нижнего яруса — слоистые (однородный, лишённый упорядоченной структуры, сравнительно тонкий слой), слоисто-кучевые (слой с ясно выраженной структурой в виде волн, гряд или крупных "пластин") и слоисто-дождевые (сплошная серая пелена большой вертикальной мощности, дающая длительные осадки в виде обложного дождя или снега); О. среднего яруса — высоко-слоистые (сероватая или чуть синеватая пелена) и высоко-кучевые (похожие на слоисто-кучевые, но более тонкие. О. верхнего яруса — перистые (неплотные, часто просвечивающие О. в виде отдельных параллельных или спутанных нитей), перисто-слоистые (белая или голубоватая, довольно однородная пелена) и перисто-кучевые (тонкие, полупрозрачные О. в виде ряби или скопления хлопьев) и, наконец, О. вертикального развития, имеющие сравнительно плоские основания и куполообразные вершины часто причудливых очертаний кучевые, мощно-кучевые и кучево-дождевые. Имеются многочисленные разновидности основным форм О.
Образование О. связано с возникновением в атмосфере областей с высокой относит. влажностью. Наличие в атмосфере огромного числа мельчайших частиц, играющих роль ядер конденсации, обеспечивает появление зародышевых капель уже при достижении насыщения. Условия же насыщения создаются в результате охлаждения воздуха, вызванного, например, расширением его при упорядоченном подъеме на фронтах атмосферных (так образуются О. Ns и системы Ns—As—Ac), при неупорядоченном турбулентном перемешивании или волновых движениях (St, Sc, Ac), при конвективном подъеме (Cu, Cu Cong, Cb), при отекании горных препятствий (Ac) и др. Дальнейшее охлаждение воздуха приводит к появлению избыточного пара, который поглощается растущими каплями. Т. о., первоначально капли растут преимущественно за счёт конденсации водяного пара. Затем по мере их укрупнения, всё большую роль начинают играть процессы столкновения и слияния капель друг с другом (т. н. коагуляция облачных элементов). Коагуляционный механизм — основной механизм роста облачных капель радиусом более 30 мкм. При отрицательных температурах О. могут быть капельные (переохлажденные), кристаллические или смешанные, т. е. состоящие из капель и кристаллов. Малые размеры облачных капель позволяют им долго сохраняться в жидком виде и при отрицательных температурах. Так, при —10 °С О. в половине случаев капельные, в 30% — смешанные и лишь в 20% кристаллические. Переохлажденные же капли в О. встречаются вплоть до —40 °С. Пересыщение над кристаллами значительно больше, чем над каплями (насыщающая упругость водяного пара над льдом ниже, чем над водой), благодаря чему в смешанных О. кристаллы растут значительно быстрее капель, что способствует выпадению осадков.
Размеры подавляющего большинства капель в О. составляют тысячные и сотые доли мм, а их концентрация — сотни в 1 см³. Кристаллы обычно имеют в десятки раз б_ольшие размеры, а концентрация их в тысячи и десятки тысяч раз меньше (до сотни в 1 л). Форма кристаллов зависит главным образом от температуры их образования и чрезвычайно разнообразна — иглы, столбики, пучки столбиков, тонкие и толстые пластинки и, наконец, просто частицы неправильной формы. В О., как правило, присутствуют и "сверхкрупные" капли, достигающие десятых долей мм с концентрацией единицы и менее в 1 л. Подобные частицы являются зародышами осадков и вносят основной вклад в радиолокационный сигнал от капельных облаков. Масса сконденсированной воды в единице объёма О. называется водностью О. и колеблется обычно от десятых долей до неск. г/м³ для капельных О. и от тысячных до десятых долей г/м³ в кристаллических. Данные о физическом строении О. получены главным образом с помощью самолётов — летающих лабораторий, оснащенных специальной аппаратурой. Дифракция и преломление света в частицах О. вызывают различные оптические явления — глории, гало, венцы и др.,— по которым можно судить о наличии в О. капель или кристаллов. Широкое применение находят радиолокационные методы исследования О., развиваются спутниковые и лазерные методы.
Многообразны и сложны физические процессы, управляющие развитием О. Возникнув на ядрах конденсации, облачные капли растут, перемещаются внутри О., выносятся за его пределы и испаряются. Время жизни облачных частиц может быть во много раз меньше времени жизни О. в целом. Цикл жизни О. в целом завершается его испарением. Выпадение осадков способствует уносу воды и ускоряет процесс разрушения О. Длительное существование О. объясняется малыми скоростями падения частиц (капли радиусом 1—10 мкм падают со скоростью 0,05—1,2 см/сек), наличием восходящих движений воздуха, которые не только поддерживают облачные частицы, но и вместе с турбулентными движениями обеспечивают приток водяного пара и способствуют зарождению новых частиц.
Можно управлять некоторыми процессами в О., искусственно изменяя их фазовое состояние и микроструктуру. Наибольшие успехи достигнуты в рассеивании переохлажденных О. и туманов, в воздействии на градоопасные О. в целях предотвращения градобитий (см. Град). Для рассеяния переохлажденных О. и туманов в них вносятся (с помощью специальных наземных установок—генераторов или с самолёта) хладореагенты (частицы сухого льда — твёрдой углекислоты) или частицы ледообразующих веществ (йодистое серебро, йодистый свинец и др.), способствующие образованию в О. достаточного количества кристалликов льда, которые затем укрупняются и выпадают из облаков. При этом упругость водяного пара в О. понижается, капли испаряются и наступает рассеяние О. (тумана). Таким методом рассеивают туманы и низкие О. над взлётно-посадочными полосами в аэропортах. Время и место внесения реагентов определяются с помощью специальных метеорологических радиолокационных станций. О. могут быть искусственно созданы с помощью тепловых источников конвекции — метеотронов — или с помощью внесения дополнительной влаги. Так, при сгорании 1 кг керосина образуется около 1,2 кг водяного пара. Этого обычно достаточно для образования конденсационных следов за самолётами, летящими на высоте 8—12 км. Длительность существования таких следов зависит от влажности атмосферы.
Ведутся активные поиски способов искусственного регулирования и перераспределения осадков. Большая природная изменчивость количества естественно выпадающих осадков существенно осложняет проблему определения реальной эффективности применяемых методов воздействия. С развитием этих методов всё большее внимание привлекают экономические, юридические и социальные аспекты проблемы искусственного воздействия на погоду.