Морфология серебристых облаков. Поиск физических основ классификации их форм

Главная » Рефераты на русском » Морфология серебристых облаков. Поиск физических основ классификации их форм

В ряду ученых, занимавшихся изучением мезосферных серебристых облаков, особое место занимает Н.И. Гришин – организатор исследований данного феномена в СССР. Начиная с 1950 года, он отдал изучению серебристых облаков более 25 лет своей жизни и деятельности. Одним из достижений в этом направлении стала разработка классификации форм такого рода облачности, которая была одобрена и принята всеми исследователями и в дальнейшем получила международное признание. Согласно этой классификации серебристые облака подразделяются на 4 вида, причём некоторые из них включают в себя подтипы. Четыре основных типа форм обозначаются римскими цифрами. Подтипы обозначаются буквенными индексами: I. ФЛЕР — однородная, слабосветящаяся масса, иногда имеющая клочковатую структуру, чаще всего заполняет пространство между отдельными формами. IIа. ПОЛОСЫ — длинные, размытые облачные детали, часто расположенные группами, параллельными друг другу или под небольшим углом. IIб. СТРУИ — резко очерченные полосы, видоизмененные струйными течениями. IIIа. ГРЕБЕШКИ — мелкомасштабные структуры узких, резко очерченных форм, наподобие легкой ряби на поверхности воды. IIIб. ГРЕБНИ — короткие полоски с заметными признаками волновой природы. Расстояние между гребнями в 10-20 раз больше чем у гребешков. IIIв. ВОЛНООБРАЗНЫЕ ИЗГИБЫ — не составляют самостоятельных форм, образуются в результате искривления поверхности поля занятой другими формами. IIIг. ПЛАНЕТАРНЫЕ ВОЛНЫ — крупномасштабные образования, формирующие облачные поля, с характерными темными «ложбинами». IVа. ЗАВИХРЕНИЯ — с малым радиусом, величина угла меняется от десятков градусов до полного скручивания (кольцеобразные структуры). IVб. ПРОСТОЙ ИЗГИБ — одной или нескольких полос в сторону от основного направления с радиусом 3˚-5˚. IVв. ВЫБРОС — в сторону от основного направления облака, имеющий крупную, хорошо выраженную структуру.[1] В рамках такого подхода МСО классифицируют и по линейным размерам (L) и по времени существования (P), так волны можно подразделить на четыре группы: гребешки L = 3 — 12 км, P ~ 5 мин. Гребни L = 50 км. P ~ 10 мин. Полосы L = 50-100 км P ~ 10 — 60 мин. Планетарные волны L ~ 100-300 км. P ~ 100 мин. Важнейшей (но малоизученной) характеристикой облачности является частота проявления отдельных форм морфологической структуры в различных обстоятельствах. По результатам анализа литературных источников по данному вопросу внимание привлекает исследование, проведенное В.А. Ромейко. Оно имело целью по данным многолетним рядам визуальных наблюдений выявить особенности распределения морфологических форм серебристых облаков и частоты их появления в различных регионах России. Для этого сравнивались материалы наблюдений, полученные в пунктах регистрирования МСО в Подмосковье и в тунгусском регионе. По итогам обработки данных за период 1977 – 2002 гг. статистически значимо была выявлена зависимость частоты появления серебристых облаков от их морфологических форм. При этом выяснилось также, что по яркости МСО в Москве и Тунгуске сильно различаются, что, возможно, объясняется различными условиями образования серебристых облаков в разных регионах. Что касается частоты появления отдельных форм МСО, то процентное соотношение форм 1, 2 и 3 в обоих регионах в среднем близко по значениям, а форма 4 (вихри) по данным обработки встречается в 2 раза чаще в тунгусском регионе чем в московском. На этом основании автором был сделан важный вывод о том, что процессы облакообразования в мезосфере носят локальный характер, а так же подтвердилось влияние орографического фактора на облакообразование в мезосфере [2]. Последнее особенно важно на наш взгляд, поскольку подкрепляет развиваемую в СКГУ концепцию о влиянии на образование мезосферных серебристых облаков специфических тропосферных процессов. [3] В самом деле трудно представить себе влияние орографического фактора на облакообразование без учёта изменений происходящих на уровне тропосферы. В этой связи логично поставить вопрос, о том насколько увязана имеющаяся на данный момент классификация форм МСО с типичными процессами или явлениями в тропосфере?

Со времени открытия феномена МСО интерес к его изучению в науке только усиливается. Применение различных методов фиксирования объекта даёт свои результаты, и как следствие, накоплены огромные базы визуальных, фото- и видео- материалов, которые требуют обработки. Для выполнения этой задачи исследователям, при всем многообразии серебристых облаков, нужно было классифицировать изучаемый объект по внешним параметрам. В научной практике примером такого разделения на виды облачности может служить международная классификация тропосферных облаков, включающая в себя перистые, кучевые, слоистые облака и т.д. В основе последней, как нетрудно, заметить лежит различие физических механизмов ведущих к образованию облачности. Возможно, классификация Н.И. Гришина на период разработки вполне отражала уровень изученности серебристых облаков, но на сегодняшний день она требует развития и дополнения. Причём критерием правильности подхода к развитию классификации форм МСО должны быть ясные представления о генезисе мезосферной облачности. В этой связи крайне перспективно, что одним из результатов исследований серебристых облаков, проводимых в Северо-Казахстанском госуниверситете в течение длительного периода, было обнаружение статистически значимых связей между появлением облачных полей, наблюдаемых с территории Северного Казахстана и некоторыми метеорологическими явлениями и процессами, происходящими в северной части Урало-Сибирского региона, над которым эта облачность и наблюдается [3]. Связь образования МСО с погодно-климатическими процессами по современным представлениям является актуальной проблемой. Для её решения был собран и подвергнут анализу обширный набор наблюдательных данных. Он включает, прежде всего, результаты собственных наблюдений серебристых облаков в сезон с мая по август, полученных в Центре Астрофизических Исследований (ЦАИ СКГУ) за период 2008–2014 годов, представленные в виде подробных дневников наблюдений и архивов цифровых изображений, которые хранятся в ЦАИ СКГУ. На тот же период создана база данных метеоинформации (представленной в виде стандартных карт барических и температурных полей, ветров, атмосферных вихрей, фронтов и гроз). Она охватывает временной интервал от 15 мая до 15 августа для 2008– 2014 годов. Общее количество карт, использованных для решения поставленной задачи, превысило 1200. Процедура анализа метеоданных включала выявление и изучение динамики крупнейших атмосферных образований – циклонов и антициклонов в регионах, над которыми наблюдались поля МСО и в соседних с ними. Выявлялось также расположение и направление движения атмосферных фронтов, расположение и активность грозовых очагов, наличие зон фронтальных гроз. Как важный фактор рассматривались дневные и ночные температуры в регионе образования МСО (температура непосредственно определяет влагосодержание атмосферы). Определялись перепады давления в центре и на периферии циклонов. Перепад давления (∆Р) рассматривался как мера энергонасыщенности циклона. Результаты анализа метеокарт за 2008–2014 годы включены в архив данных ЦАИ. Начиная с сезона видимости МСО в 2011 году, велось прогнозирование их появления на основе анализа типовых метеорологических карт. Анализ совокупности этих данных показал наличие выраженной связи между появлением в наблюдаемой области пространства полей МСО и протекающими в ней тропосферными явлениями. Всякий раз появлению МСО сопутствовало прохождение циклонов и в особенности холодных фронтов, сопровождаемых фронтальными грозами. По крайней мере, два эпизода появления МСО связаны с очаговыми конвективными грозами в области, непосредственно прилегающей к зоне проявления МСО. И, напротив, нет ни одного эпизода регистрации полей МСО в отсутствии в наблюдаемой области или по соседству с ней хотя бы одного из указанных выше метеорологических факторов в действии.

.

Таким образом, можно утверждать о наличии влияния метеорологических явлений в тропосфере на возникновение мезосферных серебристых. Актуально вопрос о такой форме связи процессов в тропосфере и мезосфере, которая может проявляться в виде статистически значимого соответствия частоты встречаемости некоторых типов МСО с особенностями развития метеорологических процессов. Благоприятные условия для его решения сложились по итогам наблюдений МСО в сезон 2013 года, которые велись с двадцатых чисел мая до конца июля. Параллельно изучались данные о развитии метеорологической ситуации в интересующем нас регионе. На этой основе, в частности, за 1 – 3 суток успешно прогнозировалось появление полей серебристых облаков. Опытному наблюдателю знакомо разнообразие и быстрая изменчивость форм серебристых облаков. Не бывает двух появлений МСО, совпадающих друг с другом. За 10-15 минут картина облачного поля может меняться до неузнаваемости. Часто в серебристых облаках одновременно присутствуют несколько морфологических форм, и каждый тип имеет свойственный вид движения. Изучение статистики облачных форм потребовало анализа архива изображений облаков, который включает 29 ночей появления МСО. Из них выделено 19 ночей, с наиболее развитыми формами облаков. Этот материал, включающий 4655 изображений, был тщательно изучен с целью классификации облачных форм, причём изображения выбирались из суточных серий через каждые 20 минут наблюдательного времени. Пример обработки приведён в таблице 1. Здесь указаны дата наблюдений, время получения снимка и типы наблюдаемой облачности. Общее число таблиц составило 19. Обработка данных этих таблиц свелась к подсчёту числа проявлений всех известных типов серебристых облаков. Их результаты приведены на рисунке 1, где показана гистограмма частоты встречаемости разных типов серебристых облаков по всему сезону.

.
.

Не будем касаться частоты появления флёра, выявить который не всегда просто. Среди прочих типов чаще всего обнаруживаются вихри. Это может быть связано как со спецификой их возникновения, так и с большей устойчивостью таких образований. На втором месте идут «родственные» вихрям волновые изгибы. Частота встречаемости гребешков и полос примерно одинаковая – возможно их образование происходит при сходных условиях. Значительно реже всех форм встречаются гребни. На основе анализа данных таблицы 2 о частоте встречаемости разных типов МСО в отдельные даты удалось сформулировать следующие заключения: 1.Чаще всего вихри наблюдались в ночи с 19 на 20 июня, с 1 на 2 июня, с 18 на 19 июня и с 26 на 27 июня по убывающей. 2. Волновые изгибы более часто наблюдались в ночи с 15 на 16 июня, с 18 на 19 июня и с 19 на 20 июня. 3. Гребни чаще наблюдались в ночи с 15 на 16 июня, с 18 на 19 июня и с 1 на 2 июня. 4. Гребешки чаще отмечены в ночи с 1 на 2 июня и с 26 на 27 июня. 5. Чаще всего полосы наблюдались в ночи с 7 на 8 июня и с 1 на 2 июня по убывающей.

Для решения вопроса о связи частоты появления тех или иных форм облачности с развитием погодных условий проведён анализ сведений об атмосферных процессах на весь исследуемый период. Оказалось, что в даты, когда отмечено наибольшее развитие вихрей, над контролируемой территорией в тропосфере развивались мощные грозовые явления. Результаты анализа погодных явлений на избранные даты показаны в таблице 3. Согласно концепции, развиваемой в ЦАИ СКГУ, грозы могут способствовать образованию серебристых облаков за счёт переноса водяных паров в мезосферу. Аналогично вихрям можно связать с грозовыми явлениями и образование МСО в форме волновых изгибов, поскольку даты их частого появления практически совпадают и с развитием вихрей.

Развитие таких форм МСО как гребни, гребешки и полосы чаще связывается с движением холодных фронтов над Уральским хребтом. Эти облака, таким образом, можно рассматривать как орографические (то есть их возникновение обусловлено взаимодействием воздушных потоков с рельефом земной поверхности). И не случайно, поскольку о таком характере их происхождения свидетельствует их волновая природа. Тем самым показано наличие возможной связи между формированием определённых типов серебристых облаков с развитием атмосферных процессов в тропосфере. Полученный вывод может служить основанием для дальнейшего развития исследований в предложенном направлении.

ОСТАВИТЬ КОММЕНТАРИЙ

Лимит времени истёк. Пожалуйста, перезагрузите CAPTCHA.