q∙P < Е(Т). (18)

И. А. Хвостиков построил по известным тогда данным о строении верхних слоев атмосферы кривые изменения давления Р и упругости насыщенного пара E с высотой. Получилась такая картина (рис. 27).

Рис. 27. Диаграмма И. А. Хвостикова (1952 г.).

Вся атмосфера делится по высоте на четыре области:

— область I (от поверхности до высоты 30 км), где Р > Е и наблюдаются обычные тропосферные, а также перламутровые облака, появляющиеся иногда на высотах 22÷30 км;

— область II между высотами 30÷75 км, где Р < Е и никакие облака никогда не наблюдались;

— узкая область III в интервале высот 75÷85 км, где и наблюдаются серебристые облака и где снова выполняется условие Р > Е;

— область IV выше 85 км, где опять становится Р < Е и облака не наблюдаются.

Работа И. А. Хвостикова произвела большое впечатление, но и вызвала сильную критику со стороны приверженцев метеорной гипотезы происхождения серебристых облаков. Они указывали, в частности, что в области III условие Р > Е хотя и выполняется, но держится буквально «на волоске»: стоит температуре в мезопаузе немного повыситься, и условие Р > Е выполняться не будет. Кроме того, условие Р > Е — необходимое, но недостаточное для конденсации водяного пара; достаточным является условие (18), а величина q — малое число. Иначе говоря, если даже общее давление воздуха будет больше упругости насыщенного пара, парциальное давление водяного пара может оказаться недостаточным, чтобы процесс конденсации имел место.

В то время данных о температуре мезопаузы было очень мало. В 30-е годы господствовало представление о довольно высоких температурах в этой области атмосферы — около 300 К и более. Температуру определяли косвенными методами: по скорости распространения звука от сильных взрывов, по торможению метеоров и т. д. Запуски ракет с приборами в верхние слои атмосферы в конце 40-х — начале 50-х годов значительно изменили наши сведения о температуре мезопаузы в сторону ее существенного понижения.

Так, в «экспериментальной схеме атмосферы» Национального совещательного комитета по аэронавтике США (NACA), опубликованной в начале 1947 г., минимальная температура мезопаузы была определена в 240 К. Но уже полет исследовательской ракеты 7 марта 1947 г. Дал минимальную температуру 200 К, а обработка наблюдений распространения звуковых волн от сильного взрыва на о. Гельголанд 18 апреля 1947 г, дала Т_min = 173 К. В 1953–1954 гг- были опубликованы средние кривые распределения температуры, дававшие Т_min= 190÷195 К.

Но вскоре стало ясно, что в мезопаузе могут наблюдаться и гораздо более низкие температуры. В 1957 г. были опубликованы результаты большой серии советских ракетных экспериментов, проводившихся под руководством В. В. Михневич в европейской части СССР с июня по сентябрь, т. е. в тот сезон и на тех широтах, когда и где наблюдаются серебристые облака. Был зарегистрирован четкий минимум температуры на высоте 80–85 км с Т_min = 150 К. Годом позже бельгийский аэролог М. Николе на основании анализа поглощения рентгеновских лучей на больших высотах получил Т_min = 160 К. Наконец, запуски ракет, проведенные в летний период 1958 г. Морской исследовательской лабораторией США в форте Черчилль (широта около 59°), показали Т_min = 165 К.

Сопоставление всех этих результатов с более высокими значениями температуры мезопаузы, полученными ранее американскими учеными по запускам ракет с полигона Уайт Сэндс (широта 33°), позволило автору этой книги в августе 1958 г. предложить объяснение сезонного и широтного эффектов появлений серебристых облаков тем, что именно на средних широтах в летнее время года в мезопаузе происходит понижение температуры до крайне низких значений 150÷165 К.

Новая диаграмма (рис. 28) типа построенной в 1952 г. И. А. Хвостиковым показывала теперь уже гораздо более широкий и длинный «язык» в области III в мезопаузе, обеспечивающий выполнение условия (18) даже при очень малых значениях q, а значит, и возможность формирования в этой области серебристых облаков.

Рис. 28. Распределение давления Р (в миллиметрах) и упругости насыщенного пара E по данным Института прикладной геофизики АН СССР (ИПГ) и Морской исследовательской лаборатории США (NRL).

Но нужно было еще дать ответ на прямой вопрос: существует ли на столь большой высоте водяной пар в количестве, достаточном для образования серебристых облаков? Иначе говоря, не слишком ли мало значение q?

Серия измерений концентраций водяного пара в стратосфере, на высотах от 16 до 40 км, проведенными разными авторами в 1949–1962 гг., давала максимальные значения q = 3∙10^-4, хотя некоторые измерения показывали значения, в 10–15 раз меньшие. Но если водяной пар проникает в верхние слои атмосферы из нижних слоев, то казалось, что на высоте 80 км q должно быть еще меньше.

Однако еще в 50-е годы обнаружился факт, косвенно свидетельствовавший о наличии на высотах 80–90 км какого-то максимума содержания паров воды. Это было свечение гидроксила ОН, открытое в 1950 г. независимо советскими учеными И. С. Шкловским и В. И. Красовскнм и американским ученым А. Мейнелом.

В 1955 г. Морская исследовательская лаборатория США организовала серию запусков ракет со спектрографами для изучения спектров свечения неба на разных высотах. По результатам изучения полученных спектров удалось построить график распределения излучения гидроксила ОН по высоте (рис. 29). Этот график показал четкий максимум на высотах 80÷88 км, т. е. как раз в зоне образования серебристых облаков.

Рис. 29. Распределение по высоте эмиссии гидроксила (по данным NRL). Сплошная линия — полоса 7820 А°, прерывистая линия — область 7600—10400 А°.

Но гидроксил может образовываться за счет фотодиссоциации водяного пара под действием ультрафиолетовых лучей в континууме Шумана-Рунге (см. § 2). Другим продуктом фотодиссоциации молекул Н₂О) является атомарный водород, который, в свою очередь, соединяясь с молекулами кислорода или озона, может образовывать возбужденные молекулы гидроксила.

В 1965 г. советский геофизик Н. Н. Шефов установил прямую зависимость между интенсивностью полос излучения гидроксила и появлениями серебристых облаков.

В 1964–1965 гг. в Центральной аэрологической обсерватории (СССР) были впервые организованы прямые ракетные измерения концентрации водяного пара в интервале высот 70÷90 км. Приборы были сконструированы так, что всякая возможность загрязнения посторонними примесями или заноса водяного пара снизу исключалась. Результаты, опубликованные А. В. Федынским и С. П. Перовым в 1967–1968 гг., превзошли все ожидания: величина q достигала на высотах 75÷80 км четкого максимума, заключенного между 10^-2 и 10^-3. Эти результаты были вскоре подтверждена другими методами Г. М. Мартынкевичем и его сотрудниками.

В 1974 г. немецкий ученый Д. Зоннтаг собрал все данные по концентрации водяного пара в атмосфере до высот 100 км. Его результаты показаны на рис. 30 широкой заштрихованной полосой.