Obłoki srebrzyste – najwyżej występujące chmury w ziemskiej atmosferze
Opracowanie: mgr inż. Piotr Szuster ,dr Joanna Wieczorek, IMGW-PIB CMM
Te niesamowite chmury dostrzec mogą jedynie mieszkańcy obszarów umiarkowanych szerokości geograficznych. Najczęściej w okresie przesilenia letniego i tylko w specyficznych warunkach atmosferycznych. Widok jednak wart czekania i poświęcenia czasu na nocne obserwacje nieba.
Obłoki srebrzyste obserwowane w Chrzanowie 23 czerwca 2024 r, godz 22:18, foto Piotr Szuster
Wyjątkowe chmury
Obłoki srebrzyste występują najwyżej w profilu pionowym atmosfery, bowiem na wysokości od 75 do 85 km nad powierzchnią Ziemi. Czyli już w piętrze mezosfery, stąd zwane również polarnymi chmurami mezosferycznymi. Chmury te odbijając światło słoneczne zdają się jarzyć najczęściej na niebiesko lub srebrno na niebie. Barwa ta jest spowodowana absorpcją, czyli pochłanianiem części widma światła słonecznego przez ozon obecny w wysokich warstwach atmosfery. Obłoki srebrzyste zbudowane są z kryształków lodu o wymiarach do 100 nm, które formują się w temperaturze powietrza rzędu -120 stopni Celsjusza. Jak w przypadku każdej chmury – która z definicji stanowi zbiór obiektów kondensacji lub resublimacji pary wodnej zawieszonych w atmosferze, również w ich przypadku niezbędne jest występowanie jąder wokół których para wodna zawarta w powietrzu mogła by się osadzać. Do utworzenia widocznej chmury wystarczy stężenie pary wodnej wynoszące 4–5 ppmv [2]. Kluczowym pytaniem pozostaje w jaki sposób na tak znacznej wysokości ponad powierzchnią Ziemi występować mogą wspomniane cząsteczki, niezbędne do formowania obłoków. Jedna z hipotez, autorstwa A. D. Christie z 1968, zakładała, że lokalny wzrost pionowego przepływu turbulentnego, generowanego przez wewnętrzne fale grawitacyjne pochodzące z troposferycznego strumienia strumieniowego, może wytworzyć warstwę przesyconą, gdy temperatura mezopauzy spadnie poniżej -140 K [1].
Poziom występowania obłoków srebrzystych w przekroju mezosfery (źródło obrazka: UCAR). Obłoki srebrzyste występują pod nazwą: noctilucent clouds (NLCs) – kiedy obserwacja odbywa się z powierzchni Ziemi lub Polar Mesospheric Clouds (PMCs), gdy ich obserwacji dokonuje się z kosmosu.
Nieznana geneza, choć kilka teorii
Procesy bezpośrednio prowadzące do ich powstawania nadal nie są do końca znane i w pełni zweryfikowane. Przyjmuje się kilka prawdopodobnych scenariuszy ich powstawania, polegając na dotychczas przeprowadzonych symulacjach modelowych [2]. Modele teoretyczne zakładają transport pary wodnej z troposfery (razem z zanieczyszczeniami) przez luki w tropopauzie oraz reakcje metanu z rodnikami hydroksylowymi. Możliwym źródłem zarówno pary wodnej jak i zanieczyszczeń są również rakiety transportujące ładunki w przestrzeń kosmiczną. Zanieczyszczenia mogą ponadto pochodzić z meteorów wkraczających do atmosfery lub emisji pyłów podczas erupcji wulkanicznych. Obłoki są dobrze widoczne w ciepłej porze roku, gdy mezosfera ulega znacznemu wychłodzeniu w skutek oddziaływania pionowych prądów powietrza, które prowadzą do upwellingu oraz chłodzenia adiabatycznego. Na ich aktywność wpływa również ilość promieniowania ultrafioletowego, emitowanego przez Słońce – promieniowanie UV rozbija cząsteczki wody zmniejszając ilość pary wodnej wykorzystywanej do formowania się omawianego rodzaju zachmurzenia.
Zainteresowanie badawcze
Obłoki srebrzyste po raz pierwszy zaobserwowano w 1885 po wybuchu wulkanu Krakatau w Indonezji. Od tamtego czasu przeprowadzono szereg programów badawczych, w celu zrozumienia mechanizmów fizycznych prowadzących do ich powstania. W tym celu wykorzystywano m.in. satelity Upper Atmosphere Research Satellite, ODIN i Aeronomy of Ice in the Mesosphere. Eksperyment wykorzystujący tę ostatnią wykazał, że procesy mikrofizyczne w obrębie obłoków srebrzystych zachodzą podobnie do tych obserwowanych w chmurach w troposferze. Podczas przeprowadzania eksperymentu pn: Charged Aerosol Release Experiment doprowadzono do sztucznego utworzenia obłoku srebrzystego.
Światowa Organizacja Meteorologiczna uznaje rozróżnienie obłoków srebrzystych na cztery typy:
Typ 1: cienkie pasma bez wyraźnej struktury, przypominają cirrus lub cirrostratus,
Typ 2: długie pasma, ułożone w równoległych grupach,
Typ 3: krótkie, ułożone blisko siebie pasma,
Typ 4: pierścienie chmur.
Warunki do obserwacji
Można je zaobserwować z obszarów umiarkowanych szerokości geograficznych (±50° do ±70°) i w sytuacjach, w który Słońce znajduje się od 6 do 15 stopni poniżej linii horyzontu. Czyli obserwacje należy prowadzić w okresie po zmierzchu lub przed świtem cywilnym. Większa szansa na udane obserwacje występuje przed świtem. Ze względu na ograniczoną atrakcyjność pory, obserwacje obłoków srebrzystych nie są rozpowszechnione. W takich warunkach niższe warstwy atmosfery znajdują się już w obszarze cienia planety, podczas gdy mezosfera wciąż pozostaje oświetlana promieniami Słońca. Na półkuli północnej można je zaobserwować nad północnym horyzontem od maja do sierpnia, a szczyt aktywności ich występowania przypada około 20 dni po przesileniu letnim (20/21 czerwca).
Obłoki srebrzyste potrzebują kilku godzin, a nawet jednego dnia, aby się zmaterializować. Po utworzeniu mogą utrzymywać się przez kilka dni, w zależności od lokalnych warunków meteorologicznych. Jednak chmury mogą również nagle zniknąć, jeśli powietrze ogrzeje się o 10–20 K, stąd ich obserwacja bywa trudniejsza do zaplanowania niż chmur troposferycznych.
Warto dodać, że omawiane tu chmury nocne mają znikomy wpływ na klimat Ziemi. Wykazano również, że prognozowane na kilka następnych dziesięcioleci, zmiany w częstotliwości ich występowania, wynikające z uwarunkowań antropogenicznych, mają nieistotne implikacje klimatyczne. Wykazano, że częstotliwość występowania obłoków srebrzystych zmienia się każdego roku ze względu na zmiany w atmosferze i cyklu słonecznym. Chmury te stają się coraz bardziej powszechne, co łączy się ze wzrostem emisji gazów cieplarnianych, a w szczególności metanu [3]. W ostatnich latach dostrzega się koincydencję pomiędzy emisją metanu, która ponad dwukrotnie zwiększyła ilość obecnego lodu mezosferycznego, zwiększając w ten sposób prawdopodobieństwo powstania chmur na tym poziomie atmosfery.
Literatura:
[1] https://journals.ametsoc.org/view/journals/atsc/26/1/1520-0469_1969_026_0168_tgadon_2_0_co_2.xml
[2] https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/003206338290126X?via%3Dihub
[3] https://www.space.com/noctilucent-clouds
— UDOSTĘPNIJ —
