Введение
Род атмосферных облаков
Циррус (символ классификации облаков: Ci) — это род высоких облаков, состоящих из ледяных кристаллов. Облака циррус обычно выглядят нежными и перистообразными, с белыми нитями. Циррусы обычно формируются при подъеме теплого, сухого воздуха, что вызывает конденсацию водяного пара на частицах скальной или металлической пыли на больших высотах. В глобальном масштабе они образуются на высоте от уровня моря и выше, при этом более высокие высоты обычно наблюдаются в тропиках, а более низкие — в полярных регионах. Облака циррус могут формироваться над вершинами гроз и тропических циклонов и иногда предсказывают приближение дождя или шторма. Хотя они и являются признаком надвигающегося дождя и, возможно, шторма, сами циррусы выпадают лишь в виде отдельных потоков ледяных кристаллов. Эти кристаллы рассеиваются, тают и испаряются по мере падения через более теплый и сухой воздух и никогда не достигают земли. Циррусовые облака нагревают Землю, что потенциально способствует изменению климата. Потепление Земли, вероятно, приведет к образованию большего количества цирровых облаков, что может привести к самоподдерживающемуся циклу. Оптические явления, такие как солнечные столбы и гало, могут возникать в результате взаимодействия света с ледяными кристаллами в облаках циррус. Существуют еще два высокоуровневых облака, похожих на циррус, — циростратус и цирокумулюс. Циростратус выглядит как облачный слой, а цирокумулюс — как узор из небольших облачных клочков. В отличие от циррусов и циростратусов, облака цирокумулюс содержат капли переохлажденной (ниже точки замерзания) воды. Циррусовые облака образуются в атмосферах Марса, Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна, а также на Титане, одном из крупных спутников Сатурна. Некоторые из этих внеземных облаков циррус состоят из аммиачного или метанового льда, подобно водяному льду в циррусах на Земле. Некоторые межзвездные облака, состоящие из частиц пыли размером менее одной тысячной миллиметра, также называются циррусами.
Формирование
Обычно перистые облака образуются при подъеме теплого, сухого воздуха на больших высотах. Средняя высота перистых облаков увеличивается с уменьшением широты, но всегда ограничена тропопаузой. Перистые облака также могут образовываться внутри провалов в слоистых облаках (также называемых "кавумами"). На широтах 65° северной или южной широты, вблизи полярных регионов, перистые облака образуются, в среднем, только над уровнем моря. В умеренных регионах, примерно на 45° северной или южной широты, их средняя высота увеличивается до над уровнем моря. В тропических регионах, примерно на 5° северной или южной широты, перистые облака образуются в среднем над уровнем моря. По всему земному шару перистые облака могут образовываться на высоте от над уровнем моря. Перистые облака формируются с очень широким диапазоном толщин. Они могут быть всего лишь от верхней до нижней границы, а могут достигать толщины. Обычно толщина перистых облаков находится где-то между этими двумя крайностями, при средней толщине. Струйные течения – полосы более быстрого воздуха в струйных течениях – могут создавать дуги перистых облаков длиной в сотни километров. Образование перистых облаков может быть вызвано органическими аэрозолями (частицами, производимыми растениями), действующими как дополнительные центры нуклеации для образования ледяных кристаллов. Однако исследования показывают, что перистые облака чаще образуются на скальных или металлических частицах, чем на органических. Большой щит из перистых и перисто-слоистых облаков обычно сопровождает вытекающие ветры тропических циклонов на больших высотах.
Грозы
На вершинах гроз могут формироваться плотные перистые облака. По мере вертикального роста кучево-дождевого облака в грозе, капли жидкой воды замерзают при достижении температуры воздуха точки замерзания. Облако наковальни приобретает свою форму из-за температурной инверсии в тропопаузе, которая препятствует дальнейшему подъему теплого, влажного воздуха, формирующего грозу, и создает плоскую вершину. В тропиках эти грозы иногда образуют значительное количество перистых облаков из своих наковален. Высотные ветры обычно разгоняют этот плотный слой, придавая ему форму наковальни, которая простирается по направлению ветра на несколько километров.
Контрайлы
Контрайлы — это искусственный вид перистых облаков, образующихся при конденсации водяного пара из выхлопных газов реактивного двигателя на частицах, поступающих либо из окружающего воздуха, либо из самого выхлопа, и последующем их замерзании, оставляющем видимый след. Выхлопные газы могут инициировать образование перистых облаков, предоставляя ядра кристаллизации льда, когда естественного их количества в атмосфере недостаточно. Увеличение объёма авиационного транспорта рассматривается как одна из возможных причин роста частоты и количества перистых облаков в атмосфере Земли.
Использование в прогнозировании
Случайные, изолированные перистые облака не имеют особого значения. Если облако является перистым кастелланусом, это может указывать на неустойчивость на большой высоте. Когда облака уплотняются и распространяются, особенно если они относятся к разновидности перистые радиатусы или к виду перистые фибратусы, это обычно свидетельствует о приближении погодного фронта. Если это теплый фронт, перистые облака расходятся в перисто-слоистые, которые затем утолщаются и опускаются до слоисто-кучевых и слоисто-дождевых. Следующими облаками являются дождевые слоисто-дождевые облака. Если перистые облака предшествуют холодному фронту, линии шквала или многоячеечной грозе, это происходит потому, что они сдуваются с вершины кучево-дождевого облака (наковальни), а следующими прибывающими облаками являются кучево-дождевые облака. В середине и конце XIX века синоптики использовали эти перистые завесы для прогнозирования прибытия ураганов. В начале 1870-х годов президент колледжа Белен в Гаване, отец Бенито Виньес, разработал первую систему прогнозирования ураганов, в основном используя движение этих облаков при составлении своих прогнозов. Он наблюдал за облаками каждый час с 4:00 до 22:00. Накопив достаточно информации, Виньес начал точно предсказывать траектории ураганов и обобщил свои наблюдения в книге Apuntes Relativos a los Huracanes de las Antilles, изданной на английском языке под названием Practical Hints in Regard to West Indian Hurricanes.
Влияние на климат
Облака циррус покрывают до 25% Земли (до 70% в тропиках ночью) и оказывают положительное нагревательное воздействие. Когда они тонкие и полупрозрачные, облака эффективно поглощают исходящее инфракрасное излучение, отражая при этом лишь незначительную часть входящего солнечного света. Когда облака циррус толстые, они отражают лишь около 9% входящего солнечного света, но предотвращают выход почти 50% исходящего инфракрасного излучения, тем самым повышая температуру атмосферы под облаками в среднем на 10 °C (18 °F) — процесс, известный как парниковый эффект. В среднем по всему миру образование облаков приводит к снижению температуры на 5 °C (9 °F) на поверхности Земли, главным образом из-за стратокумуловых облаков. Облака циррус, вероятно, становятся все более распространенными в связи с изменением климата. Поскольку их парниковый эффект сильнее, чем отражение солнечного света, это будет действовать как самоподдерживающаяся положительная обратная связь. Металлические частицы от антропогенных источников служат дополнительными центрами конденсации, потенциально увеличивая покрытие облаками циррус и тем самым усугубляя изменение климата. Рассеивание облаков циррус было предложено в качестве возможного подхода геоинженерии для снижения ущерба от углекислого газа. Рассеивание облаков циррус включало бы введение частиц в верхнюю тропосферу для уменьшения количества облаков циррус. В Отчете МГЭИК за 2021 год выражена низкая степень уверенности в охлаждающем эффекте рассеивания облаков циррус из-за недостаточного понимания.
Свойства облака
Ученые изучали свойства перистых облаков несколькими различными методами. Лидар (лазерный радар) предоставляет высокоточную информацию о высоте, длине и ширине облака. Гигрометры, поднимаемые на воздушных шарах, измеряют влажность перистых облаков, но недостаточно точны для измерения глубины облака. Радарные установки предоставляют информацию о высоте и толщине перистых облаков. Другим источником данных являются спутниковые измерения в рамках программы "Стратосферный аэрозоль и газовый эксперимент". Эти спутники измеряют поглощение инфракрасного излучения в атмосфере, и если поглощение происходит на высоте перистых облаков, то делается вывод о наличии там этих облаков. Спектрорадиометр Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) NASA предоставляет информацию о покрытии перистыми облаками, измеряя отраженное инфракрасное излучение на различных специфических частотах в течение дня. Ночью он определяет покрытие перистыми облаками, обнаруживая инфракрасное излучение Земли. Облако отражает это излучение обратно к Земле, что позволяет спутникам видеть "тень", которую оно отбрасывает в космос. Визуальные наблюдения с самолетов или с земли предоставляют дополнительную информацию о перистых облаках. В вакууме. Ионизированные частицы анализируются с помощью масс-спектрометра для определения их массы и состава. Этот метод используется для определения типа ядер конденсации, которые послужили зародышем для ледяных кристаллов в перистых облаках. Хотя размеры кристаллов варьируются от 0,01 миллиметра до нескольких миллиметров. Помимо различий в размерах, ледяные кристаллы в перистых облаках могут кристаллизоваться в различных формах: твердые колонны, полые колонны, пластинки, розетки и конгломераты различных других типов. Форма ледяных кристаллов определяется температурой воздуха, атмосферным давлением и пересыщением льдом (степенью превышения относительной влажности над 100%). В умеренных широтах перистые облака обычно содержат различные формы ледяных кристаллов, разделенные по типам. Колонны и пластинки концентрируются в верхней части облака, в то время как розетки и конгломераты – в нижней. В северной Арктике перистые облака, как правило, состоят только из колонн, пластинок и конгломератов, причем эти кристаллы обычно в четыре раза больше минимального размера. В Антарктиде перистые облака обычно состоят только из колонн, которые значительно длиннее обычных. При температуре выше 68 °C (90 °F) относительная влажность большинства перистых облаков составляет примерно 100% (то есть они насыщены). Перистые облака могут быть пересыщены, при этом относительная влажность над льдом может превышать 200%. Ниже 68 °C (90 °F) наблюдается больше как ненасыщенных, так и пересыщенных перистых облаков. Более пересыщенные облака, вероятно, являются молодыми перистыми облаками.
Оптические явления
Облака циррус могут вызывать несколько оптических явлений, таких как гало вокруг Солнца и Луны. Гало образуются в результате взаимодействия света с гексагональными кристаллами льда, содержащимися в облаках, которые, в зависимости от их формы и ориентации, могут приводить к разнообразным белым и цветным кольцам, дугам и пятнам в небе, включая солнечные столбы, гало 22°. Кругогоризонтальные дуги видны только когда Солнце поднимается выше 58° над горизонтом, что делает их недоступными для наблюдения на высоких широтах. Реже облака циррус способны создавать глории – явление, более характерное для облаков, состоящих из капель воды, таких как слоистые облака. Глория представляет собой набор концентрических, слабоокрашенных светящихся колец, появляющихся вокруг тени наблюдателя и лучше всего видимых с возвышенности или из самолета. Облака циррус формируют глории только при условии, что составляющие их кристаллы льда не имеют сферической формы; исследователи полагают, что для появления глории длина кристаллов льда должна быть в пределах от 0,009 до 0,015 миллиметра.
Отношение к другим облакам
Облака цирруса – один из трех различных родов облаков верхнего яруса, ко всем которым применяется префикс "цирро". Другие два рода – цирокумул и циростратус. Облака верхнего яруса обычно формируются на высоте более 20000 футов (6096 м). Цирокумул и циростратус иногда неформально называют облаками типа цирриформ из-за их частой связи с циррусом. В промежуточном диапазоне высот они не отбрасывают тени. Обычно они появляются в виде регулярных, рябистых узоров. Значительное увеличение этих участков указывает на неустойчивость в верхних слоях атмосферы и может предвещать ухудшение погоды. Эти облака недолговечны и, как правило, превращаются в перисто-кучевые, поскольку продолжающееся осаждение водяного пара на ледяные кристаллы в конечном итоге приводит к их выпадению, разрушая восходящие потоки конвекции. Затем облако рассеивается, превращаясь в перистое. Облака цирокумул бывают четырех видов: стратиформные, линзовидные, кучево-башенные и хлопьевидные. Они проявляют радужность, когда составляющие их переохлажденные капли воды имеют примерно одинаковый размер.
Киростратус
Облака циррострата могут появляться в виде молочного сияния в небе. Цирростраты бывают двух видов: фибратус и небулозус. Эти облака обычно вызывают образование гало, и иногда гало является единственным признаком их присутствия. Они формируются при медленном подъеме теплого, влажного воздуха на очень большую высоту. Когда приближается теплый фронт, облака циррострата уплотняются и опускаются, образуя облака альтострата. В конце своей миссии посадочный модуль "Феникс" обнаружил тонкие облака вблизи северного полюса Марса. В течение нескольких дней они уплотнялись, опускались и, наконец, начался снегопад. Общее количество осадков составило всего несколько тысячных миллиметра. Джеймс Уайтвей из Йоркского университета заключил, что "осадки являются компонентом гидрологического цикла [Марса]". Эти облака образовались в марсианскую ночь в двух слоях: один над поверхностью, а другой – на уровне поверхности. Они продержались до раннего утра, пока не рассеялись под воздействием Солнца. Кристаллы в этих облаках образовались при температуре -65 °C (85 °F) и имели форму, близкую к эллипсоидам длиной 0,127 миллиметра и шириной 0,042 миллиметра. На Юпитере циррусные облака состоят из аммиака. Когда исчез Южный экваториальный пояс Юпитера, Гленн Ортен выдвинул гипотезу о том, что над ним образовалось большое количество аммиачных циррусных облаков, скрывающих его от обзора. Космический зонд "Кассини" NASA обнаружил эти облака на Сатурне и тонкие облака из водяного льда на спутнике Сатурна Титане. На Уране существуют циррусные облака, состоящие из метанового льда. На Нептуне над Большим Темным Пятном были обнаружены тонкие, нитевидные облака, которые, возможно, являются циррусами. Как и на Уране, это, вероятно, кристаллы метана. Межзвездные циррусные облака состоят из крошечных пылевых зерен размером менее микрометра и поэтому не являются настоящими циррусными облаками, которые состоят из замороженных кристаллов. Их размер варьируется от нескольких световых лет до десятков световых лет. Хотя технически это не циррусные облака, пылевые облака называют "циррусами" из-за их сходства с облаками на Земле. Они излучают инфракрасное излучение, подобно тому, как циррусные облака на Земле отражают тепло, излучаемое в космос.