Tajemnica świecących obłoków

Dwa pociski rakietowe wystrzelone w październiku z Norwegii poleciały na wysokość 130 km, aby rozwiązać zagadkę obłoków srebrzystych - tajemniczych chmur, których istnienie może mieć związek ze zmianami klimatycznymi zachodzącymi na Ziemi

Przygotowania do eksperymentu trwały dwa lata, natomiast on sam - mniej niż pół godziny. Szczególnie emocjonujące były ostatnie dni, kiedy to na poligonie położonym na norweskiej wyspie Andoya odbywało się składanie pocisku balistycznego. Najpierw na wyrzutni umocowano dolną rakietę Terrier Mk12, potem dołączono do niej drugą o nazwie Improved Orion. Obie są zmodyfikowanymi wersjami amerykańskich rakiet wojskowych stosowanych od wielu dekad do zestrzeliwania samolotów. Tym razem duetowi, zdolnemu udźwignąć ładunek o masie 150 kg na wysokość 200 km, powierzono inne zadanie. Miał wynieść aparaturę do pomiaru właściwości chemicznych i elektrycznych najzimniejszej warstwy atmosfery, w której temperatury spadają do -150° Celsjusza.

Sprzęt naukowy umieszczono w module stanowiącym górną część pocisku zwieńczonego głowicą ochronną. Zaczęło się odliczanie: godzin, minut i w końcu sekund. Wreszcie 12-metrowy bolid pofrunął. Terrier błyskawicznie zużył całe paliwo i odpadł po kilkunastu sekundach. To samo stało się kilka minut później z Orionem.

W rozrzedzonym powietrzu pozostał tylko moduł badawczy, wciąż jeszcze siłą rozpędu mknący do góry. Znajdujące się w nim instrumenty rozpoczęły wykonywanie pomiarów. Najważniejszy był spektrometr mierzący rozmiary i ładunek elektryczny mikroskopijnych cząstek atmosferycznych. Urządzenie zaprojektował kierujący projektem Scott Knappmiller z Uniwersytetu Stanu Kolorado w Boulder (USA) ze współpracownikami.

Tajemnicze obłoki

Pomiary trwały zaledwie kilka minut. Potem grawitacja wygrała i moduł badawczy zaczął się zniżać, aż w końcu spadł do oceanu w odległości ponad tysiąca kilometrów od północnych brzegów Norwegii. Wyspa Andoya znajduje się za kołem polarnym, blisko równoleżnika 70 stopni szerokości geograficznej północnej. Jest idealnym miejscem do prowadzenia badań atmosfery arktycznej. Funkcjonujący tu od pół wieku poligon był wcześniej wykorzystywany tylko przez wojsko. Dziś służy głównie celom cywilnym - każdego roku wystrzeliwuje się stąd kilka rakiet wynoszących sprzęt naukowy.

Rakiety są idealnym narzędziem do zbierania informacji o mezosferze. Tak nazywa się najzimniejsza warstwa atmosfery zaczynająca się na wysokości 50 km, a kończąca się około 35 km wyżej. Znajduje się poza zasięgiem balonów meteorologicznych, które osiągają wysokość 40 km, i równocześnie jest niedostępna do bezpośrednich obserwacji dla satelitów, których orbity zaczynają się od wysokości około 120 km. To właśnie w mezosferze od ponad stu lat pojawiają się obłoki świetliste, które tak frapują naukowców.

Po raz pierwszy dostrzeżono je po eksplozji indonezyjskiego wulkanu Krakatau w sierpniu 1883 roku. Olbrzymie ilości pyłu wulkanicznego powędrowały na wysokość kilkudziesięciu kilometrów. Drobne cząstki rozpełzły się wokół globu, powodując spektakularne, czerwonawe zachody słońca, także w Europie. Rok później pojawiły się pierwsze opisy tajemniczych świecących chmur. Za ich odkrywcę uważany jest Robert Leslie, który w 1884 roku opisał je w "Nature". Kilka lat później niemiecki astronom Otto Jesse wykonał pierwsze fotografie zjawiska i nadał mu znaną do dziś nazwę obłoków srebrzystych. Wówczas wiązano je powszechnie z erupcją wulkanu. Mijały jednak dekady, a zagadkowe efekty świetlne nadal pojawiały się ponad głowami zadziwionych ludzi. Zaczęto szukać innego wyjaśnienia zagadki.

fot. NASA fot. NASA

Poszukiwania nabrały tempa dopiero w latach 60., po wysłaniu pierwszych satelitów obserwujących ziemską atmosferę. Składa się ona z wielu warstw, a zwykłe chmury powstają niemal wyłącznie w najniższej troposferze sięgającej do 10-12 km. Wyżej pary wodnej jest tak niewiele, że szanse na powstanie chmury - czyli skupiska kropelek wody lub drobin lodu - są znikome. Na wysokości około 80 km, czyli tam, gdzie pojawiały się obłoki srebrzyste, cząsteczek pary wodnej jest jak na lekarstwo. Ale też temperatury są na tym poziomie wyjątkowo niskie. Często utrzymują się poniżej -100° Celsjusza.

Z teoretycznych obliczeń wynikało, że w takiej zamrażarce para wodna mogłaby przechodzić w stan stały, zmieniając się w kryształki lodu. Ich istnienie potwierdziła dopiero 10 lat temu amerykańska sonda UARS (jej fragmenty spadły do morza parę tygodni temu). Obserwacje wykonane przez kolejne satelity sugerowały, że obłoki srebrzyste zbudowane są z kryształków lodu o średnicy 30-40 nanometrów lub większej. Poza tym w górnej mezosferze zidentyfikowano mnóstwo jeszcze mniejszych kryształków lodowych, których ziemski obserwator nie zobaczy.

Typowe perłowe lub niebieskawo zabarwione włókienka pojawiają się na niebie w cieplejszej połowie roku w wyższych szerokościach geograficznych. Można je dostrzec tylko przed wschodem i po zachodzie Słońca. Najniższe warstwy atmosfery znajdują się wtedy w cieniu, natomiast na górze jest jasno. Większe kryształki lodu są wtedy podświetlane od spodu przez skryte za horyzontem Słońce. Niezwykły efekt znika z nadejściem świtu lub zmroku. Na początku XX wieku obłoki srebrzyste obserwowano głównie pomiędzy 55. a 65. stopniem szerokości geograficznej północnej, później pojawiły się relacje z półkuli południowej. Od paru dekad rozszerzają zasięg i przemieszczają się ku równikowi.

Dlaczego obłoki srebrzyste powstają tylko latem? Ponieważ - takie jest najczęstsze wyjaśnienie - właśnie wtedy spadki temperatur w górnej części mezosfery są największe. Resztki powietrza, które tam się znajdują, w ciepłej połowie roku unoszą się ponad biegunami, tracąc szybko ciepło. Na wysokości 80 km temperatura potrafi spaść nawet poniżej -130° Celsjusza. Wtedy pojawiają się i rosną kryształki lodowe. Wciąż nie jest jasne, skąd bierze się para wodna na tej wysokości. Jedni sądzą, że dociera aż z troposfery, zdaniem innych jej źródłem są reakcje chemiczne zachodzące w stratosferze leżącej bezpośrednio pod mezosferą.

Kosmiczny metal w aerozolu

Para wodna i niska temperatura nie wystarczą jednak do utworzenia chmur. Potrzebne są jądra kondensacji, czyli cząsteczki stałej materii, wokół których lodowe ziarenka mogą powstawać i rosnąć.

Veres Viktor / NASAfot. NASA / Veres Viktor

Skąd się one biorą? Raczej nie z powierzchni planety, bo nie byłyby w stanie dotrzeć na taką wysokość. Pozostają więc drobiny materii kosmicznej. Szacuje się, że do górnej granicy mezosfery dociera każdego dnia nawet sto ton pozaziemskiego drobiazgu. Wyparowuje on w wyniku zderzeń z cząstkami atmosfery, a następnie ponownie kondensuje się w formie metalicznych nanodrobin. Ten metaliczny aerozol prawdopodobnie opada powoli i łączy się, tworząc większe aglomeraty. Te stają się zalążkami kryształków lodu. Zgrabna hipoteza, ale czy prawdziwa?

Długo nie udawało się namierzyć metalicznego aerozolu, choć na jego istnienie wskazywały dziwne odbicia radarów penetrujących mezosferę. Pomogły dopiero rakiety badawcze. W 2005 roku jedna z nich pobrała próbki materii z wysokości 70-97 km. Większość ziarenek miała średnicę zaledwie jednego-trzech nanometrów. Były więc niezwykle małe, ale bardzo liczne. Część z nich tworzyła grudki o średnicy nawet kilkudziesięciu nanometrów. Czy to one dają początek obłokom srebrzystym? Właśnie to miał ustalić październikowy rakietowy eksperyment Knappmillera. Naukowiec chciał krok po kroku prześledzić przemianę meteoroidalnego pyłu w zarodki lodowe. Zaprojektowana przez niego aparatura mierzyła rozkład wielkości cząstek materii oraz ich ładunek elektryczny. Knappmiller ważną rolę przypisuje bowiem promieniowaniu ultrafioletowemu Słońca, pod którego wpływem cząstki stają się pozytywnie naładowanymi jonami przyciągającymi parę wodną.

Obłoki srebrzyste stały się ostatnio poważnym argumentem w dyskusji na temat zmian klimatycznych. Wielu badaczy uważa, że wzrost temperatur przy powierzchni globu doprowadził do wychłodzenia mezosfery i w efekcie do zwiększenia tam ilości kryształków lodowych. Ekspansja chmur mezosferycznych jest zatem konsekwencją globalnego ocieplenia. - Dopiero gdy dokładnie poznamy mechanizm powstawania tych obłoków, będziemy mogli powiedzieć, czy rzeczywiście z tego powodu mezosfera pokrywa się mgiełką i co z tego może dalej wyniknąć - podkreśla Knappmiller. Zapowiedział przedstawienie wstępnych wyników na grudniowym dorocznym kongresie Amerykańskiej Unii Geofizycznej - największym i najważniejszym spotkaniu badaczy globu.

Zobacz, jak wygląda lot podobnej rakiety badawczej

 

Andrzej Hołdys jest dziennikarzem naukowym i popularyzatorem nauki. Publikuje m.in w "Wiedzy i Życiu", "Polityce", "Gazecie Wyborczej", "Wprost".