Twoja wyszukiwarka

BOGUSŁAW BARTOSIK
TAJEMNICZE CHMURY
Wiedza i Życie nr 2/2000
Artykuł pochodzi z "Wiedzy i Życia" nr 2/2000

Zwykli ludzie biorą je nierzadko za UFO, ale i dla meteorologów niektóre z tych zjawisk atmosferycznych są bardzo tajemnicze.

W klasyfikacji opracowanej przez Światową Organizację Meteorologiczną (WMO), obok znanych wszystkim "klasycznych" chmur, widnieje grupa, która sprawia wrażenie, jakby powrzucano tam wszystko, co do niczego nie pasowało. Wśród tzw. chmur szczególnych znajdziemy mieszaniny gazów i pyłów powstające w wyniku pożarów i wybuchów wulkanów oraz smugi kondensacyjne dobrze znane tym, którzy mieszkają w pobliżu lotnisk i międzynarodowych korytarzy powietrznych. Najciekawsze jednak są chmury srebrzyste i perłowe , które ze względu na specyfikę bardzo trudno wypatrzyć nie znającemu tematu obserwatorowi. Tym bardziej że widać je w zasadzie tylko w nocy.

Chmury powstają tam, gdzie w danej części atmosfery panuje najniższa temperatura (temperaturę oznaczono czerwoną linią)

Chmury srebrzyste po raz pierwszy zaobserwowano w 1885 roku. Było to 2 lata po słynnym wybuchu wulkanu Krakatau (Cieśnina Sunda, Indonezja), stąd pierwsza hipoteza wiązała ich powstawanie z procesami wulkanicznymi. Dziś występowanie chmur srebrzystych wiąże się z istnieniem ruchów falowych w górnej atmosferze, a ich obserwacje mają duże znaczenie dla oceny zachodzących tam ruchów powietrza. Pojawienie się tych chmur w określonym czasie i na określonych szerokościach wskazuje na powstanie tam lokalnych zaburzeń cyrkulacji.

Te dziwne twory natury, zwane też nocnymi obłokami świecącymi lub chmurami mezosferycznymi, są dość podobne z wyglądu do chmur pierzastych typu cirrus, z tym że są wyraźnie niebieskie lub srebrzyste. Zdarza się również, że przybierają barwę pomarańczową, ciemniejącą z czasem do czerwonej, dzięki czemu bardzo wyraźnie odcinają się na tle nocnego nieba efekt ten pogłębia ich srebrzystosina poświata. Choć stosunkowo mocno świecą, ich niewielka grubość sprawia, że są całkowicie przezroczyste (gwiazdy przeświecają przez nie, nie tracąc na jasności!). Pomiary wskazują, że strefa występowania chmur srebrzystych znajduje się na wysokości 67-97 km, w strefie mezopauzy, gdzie teoretycznie nie powinno być żadnych cząsteczek umożliwiających powstawanie chmur.

Ciekawe, że w niektórych latach chmury srebrzyste obserwowano częściej niż w innych (np. w latach 1885-1889 1932-1934). Co więcej, pojawiają się praktycznie tylko w ciepłej porze roku. Dzieje się tak, ponieważ na wysokości powyżej 65 km temperatura latem jest niższa niż zimą, a zatem prawdopodobieństwo zajścia kondensacji w ciepłej porze roku jest większe. Obserwacje chmur srebrzystych prowadzone są na naszej półkuli w okresie od 1 marca do 31 października, głównie w strefie między równoleżnikami 45° a 80° szerokości geograficznej północnej. Trochę inaczej wygląda to na półkuli południowej, gdzie chmury srebrzyste pojawiają się głównie między 50° a 65° stopniem szerokości geograficznej południowej, choć nierzadko widuje się je także na obszarach położonych bliżej równika.

Najlepszą porą do obserwacji tych rzadkich zjawisk atmosferycznych jest pierwsza godzina po zachodzie słońca lub ostatnia przed jego wschodem. Chmury te są wtedy oświetlone promieniami znajdującego się tuż pod horyzontem słońca. Wieczorem, kiedy słońce opuszcza się na około 6° poniżej horyzontu, mogą być widoczne nie tylko w północnej części nieba (dotyczy to obszaru Polski), gdzie przede wszystkim należy ich szukać, ale również bliżej zenitu.

W miarę jak słońce wędruje coraz niżej, obszar nieba, na którym można obserwować chmury srebrzyste, coraz bardziej maleje. Gdy osiągnie około 16° poniżej linii horyzontu widać już wtedy wszystkie gwiazdy chmury pozostają jedynie w północnej części nieba w pobliżu horyzontu. Nad ranem kolejność zjawisk jest odwrotna. Jak wynika z większości zarejestrowanych przypadków, chmury te przemieszczają się zwykle ze wschodu na zachód z prędkością 50-250 km/h. Zajmują przy tym obszary o powierzchni rzędu kilkudziesięciu tysięcy km2, tworząc na niebie ogromne płaty o zróżnicowanej jasności nawet w obrębie pojedynczego płata rozdzielone obszarami czystego nieba. Ciągłe warstwy chmur srebrzystych występują bardzo rzadko.

Fizyczna budowa chmur srebrzystych nie jest do tej pory znana. Jak dotychczas istnieje kilka różnych hipotez, ale żadna z nich nie została w pełni zweryfikowana. Pierwsza i najstarsza z nich, o której wcześniej już była mowa, wiąże się ściśle z wybuchem wulkanu Krakatau w roku 1883. Ponieważ wcześniej chmury te nie były obserwowane, przyjęto, że w ich skład wchodzą pył wulkaniczny i para wodna wyrzucone w trakcie wybuchu do górnych warstw atmosfery. Szacuje się, że w ten właśnie sposób w 1883 roku do górnych warstw atmosfery dostało się co najmniej 200 mln ton pary wodnej, która na tej wysokości uległa resublimacji, tworząc kryształki lodu. Ich świecenie tłumaczono efektem fotoluminescencji, wywołanej promieniowaniem ultrafioletowym słońca. Przeciwko tej hipotezie przemawia fakt, że pomimo upływu lat, w ciągu których cząstki pochodzenia wulkanicznego uległy rozproszeniu i osiadaniu, nadal obserwowano występowanie chmur srebrzystych (szczególnie często w ciągu ostatnich kilkudziesięciu lat). Z drugiej jednak strony, wszystkie okresy zwiększonej liczby obserwacji, jakie zanotowano od 1885 roku, były poprzedzone dużymi wybuchami wulkanów w strefie równikowej lub próbnymi eksplozjami jądrowymi w troposferze o mocy rzędu 1 Mt.

Według innej teorii, chmury srebrzyste zbudowane są z cząstek pochodzenia kosmicznego (pyłu kosmicznego) i ziemskiego (pary wodnej). Jednak czas, niezbędny do zajścia kondensacji pary na pyle kosmicznym, znacznie przewyższa wartości uzyskane z faktycznych obserwacji powstawania i ewolucji chmur. Również warunki termiczne, jakie panują na wysokości mezopauzy, muszą sprzyjać kondensacji. W rejonach polarnych temperatura mezopauzy może osiągać nawet 2160°C; to najniższa temperatura zarejestrowana w atmosferze.

Tymczasem chmury srebrzyste są również sporadycznie obserwowane w strefie równikowej, gdzie jest zbyt ciepło, aby zgodnie z tą teorią mogły powstać chmury srebrzyste. Dlatego też pomysł rozwinięto, twierdząc, że ich powstawanie ma związek z rozpadem meteorytów w górnych warstwach atmosfery . W wyniku tarcia o atmosferę cząstki powstałe po rozpadzie meteorów mogą otrzymywać ładunek elektryczny, który, oddziałując z polem magnetycznym Ziemi, przyciąga je w stronę biegunów. W strefie polarnej warunki powstawania chmur srebrzystych są najbardziej sprzyjające i stamtąd rozprzestrzeniałyby się one w inne rejony naszej planety.

Występowanie chmur srebrzystych próbuje się również tłumaczyć procesem uwalniania metanu do atmosfery. Jak wykazały analizy składu powietrza uwięzionego w lodowcach, ilość tego gazu w atmosferze wzrosła w ciągu ostatnich 200 lat ponaddwukrotnie i nadal rośnie z prędkością około 0.8% na rok. Główną przyczynę tego zjawiska upatruje się w działalności gospodarczej człowieka, ze szczególnym uwzględnieniem uprawy ryżu, górnictwa oraz przemysłu naftowego. Kryształy lodu, z których zgodnie z tą hipotezą zbudowane są chmury srebrzyste, powstawałyby w efekcie utleniania metanu, który, w przeciwieństwie do pary wodnej, byłby w stanie dotrzeć tak wysoko bez zamarzania. W procesie utlenienia każda cząsteczka metanu daje przecież dwie cząsteczki wody. Teorię tę trudno jednak zweryfikować. Według niektórych opinii, dużą rolę w powstawaniu chmur srebrzystych ma odgrywać również nadtlenek wodoru.

Na szczególną uwagę zasługuje fakt istnienia związku między chmurami srebrzystymi i zorzami polarnymi. Jednoczesne obserwacje obu tych zjawisk wykazały, że wraz z pojawieniem się zorzy liczba chmur srebrzystych znacznie się zmniejsza, aż do całkowitego ich zaniku.

Chmury perłowe

Chmury perłowe (iryzujące) są przeświecającymi obłokami o niewielkiej grubości, obserwowanymi w warstwie atmosfery na wysokości 17-32 km. Widać je o zmierzchu w pobliżu słońca, w odległości kątowej do 40° od niego. Odznaczają się jasną poświatą koloru czerwonego, złocistego lub lilioworóżowego, która tłumaczona jest dyfrakcją światła na jednorodnych kroplach chmurowych o wymiarach około 2.5 mm. Wieczorem, w miarę jak słońce opuszcza się pod horyzont, poświata stopniowo blednie i w końcu zanika, by pojawić się ponownie tuż przed wschodem. W odległości około 2° od słońca stają się oślepiająco białe. Barwa zależy więc od rozmiarów kryształków i kąta położenia słońca. Jak dotychczas brak pewnych danych dotyczących ich budowy. Jedna z hipotez zakłada, że zbudowane są z bardzo drobnych kropelek wody lub kulistych cząsteczek lodu. Pojawiają się bardzo rzadko, raczej w chłodnej porze roku, kiedy stratosfera jest bardzo zimna (poniżej -80°C). Choć zazwyczaj chmury te widuje się na obszarach górzystych (Skandynawia, Szkocja), zaobserwowano je również na Alasce i we Francji.

Czy Ziemię bombardują lodowe komety?

W sierpniu 1981 roku na orbicie okołoziemskiej umieszczono dwa identyczne satelity Dynamics Explorer, wyposażone w aparaturę do badania ziemskiej atmosfery. Już na pierwszych zdjęciach, wykonanych przez pracujące w nadfiolecie pokładowe kamery, naukowcy z University of Iowa zauważyli dziwne ciemne plamy. Z początku uznano je za skutek nieprawidłowej pracy urządzeń pomiarowych lub komunikacyjnych. Później jednak, gdy po miesiącach sprawdzania wykluczono wszelkie usterki, Louis Frank i jego współpracownicy zrozumieli, że mają do czynienia z czymś najzupełniej prawdziwym.

"Dziury" miały średnicę rzędu kilkudziesięciu kilometrów, co jest wielkością stosunkowo niewielką w porównaniu chociażby z osławioną "dziurą ozonową", i tworzyły się wyłącznie w górnych warstwach atmosfery. Analizując zdjęcia w poszukiwaniu przyczyn tego zjawiska, naukowcy zauważyli, że ciemne plamy nie pozostają nieruchome, lecz poruszają się w kierunku powierzchni Ziemi, zwiększając jednocześnie swoje rozmiary. Dopiero jednak dzięki obrazom zarejestrowanym przez satelitę udało się jednoznacznie ustalić, co odpowiada za ściemnienia na zdjęciach w ultrafiolecie była to woda.

Z tego, co wiemy, w górnych warstwach atmosfery Ziemi woda praktycznie nie występuje, i to w żadnej postaci. Stratosfera jest suchsza niż pustynia, a wyższe rejony zawierają tylko znikome ilości gazów, wśród których dominują azot i tlen. Choć sporadycznie obserwuje się chmury w stratosferze (chmury perłowe) i mezopauzie (chmury srebrzyste), specjaliści od atmosfery nie wiedzą, skąd wziął się na tych wysokościach lód, z którego są przypuszczalnie zbudowane. Przypuszcza się, że do stratosfery dostaje się nieco wody z troposfery. Odbywa się to w miejscach, gdzie występują silne prądy wznoszące, np. na równiku. Ten mechanizm nie tłumaczy jednak obecności wody w mezosferze to właśnie wykryły zdjęcia satelitarne.

Jedynym sensownym rozwiązaniem okazały się obiekty pozaziemskie. Początkowo mówiono o meteorytach, potem o małych lodowych kometach o wielkości niewielkiego domu i masie 20-40 ton. Jądra komet zbudowane są z luźnej mieszanki pyłu meteorytowego, zestalonego dwutlenku węgla, wody i metanu. Na zewnątrz mają zwykle cienką otoczkę ciemnego pyłu. Przy wchodzeniu w górne warstwy atmosfery ta luźna konstrukcja łatwo rozpada się na kawałki według Franka główną przyczyną rozpadu jest elektrostatyczne oddziaływanie pola magnetycznego Ziemi - ostatecznie zamienia w pędzącą chmurę pary wodnej, która nigdy nie dociera do powierzchni planety, lecz rozpływa się w mezosferze i stratosferze. Zanim się jednak rozpłynie, absorbuje nadfioletową poświatę oświetlanego promieniami słońca atmosferycznego tlenu, pozostawiając plamy na zdjęciach satelitarnych, wykonanych w tym zakresie widma promieniowania elektromagnetycznego.

Najbardziej szokującym aspektem tego odkrycia nie jest jednak istnienie samych komet, lecz ich liczba. Na podstawie swoich obserwacji Frank ocenia, że na Ziemię spada 5-20 takich wielotonowych obiektów na minutę! Jeśli założyć, że w przeszłości geologicznej naszej planety tempo to było podobne, woda z komet wystarczyłaby do wypełnienia po brzegi wszystkich współczesnych oceanów. Choć skala zjawiska wydaje się ogromna, komety dostarczają do górnej atmosfery za mało wody, by można ją było wykryć bez specjalistycznego sprzętu. Atmosfera Ziemi także jest olbrzymia i nawet 800 t wody na minutę nie jest w stanie jej nawilżyć. Poza tym na wysokościach rzędu kilkudziesięciu kilometrów cząsteczki wody narażone są na działanie silnego promieniowania słonecznego, które dość szybko je rozkłada. To właśnie dlatego na Wenus i na Marsie jest tak niewiele wody [patrz: Zmiana klimatu na Wenus, "Świat Nauki" nr 5/1999].

Najświeższe wyniki badań nad lodowymi kometami Louis Frank zamieszcza w Internecie: http://smallcomets.physics.uiowa.edu/

Mgr inż. BOGUSŁAW BARTOSIK pracuje w Szefostwie Służby Hydrometereologicznej Wojsk Lotniczych Obrony Powietrznej.