Известия РАН. Физика атмосферы и океана, 2022, T. 58, № 2, стр. 138-148

Возмущения потоков атмосферы над горами исследуются более 100 лет. На кафедре физики атмосферы Московского университета эти работы ведутся как на основе теоретического моделирования, так и проведения наблюдений и инструментальных измерений непосредственно в природе. Достаточно полную информацию об этих исследованиях в нашей стране и за рубежом можно найти в [1, 2]. В основной массе атмосферы данные возмущения имеют волновой характер, а поскольку они прямо связаны с неровностями поверхности земли, их можно называть не только волновыми, но и орографическими. Переносимый частицами воздуха водяной пар в ряде некоторых гребней волн конденсируется, и тогда над горами появляются облака. Частицы воздуха с наветренной стороны при этом влетают в облачное пространство, а с подветренной – вылетают из него. На входе имеет место процесс конденсации пара в капли, на выходе – процесс их испарения. По-видимому, из-за различия данных процессов наветренная сторона облака типично гладкая, а подветренная – неровная, часто она напоминает бахрому, реже – струи. Не только эта особенность помогает отличать такие облака от остальных. Их отличает также достаточно продолжительная неизменность положения и формы. По классификации они получили наименование Ac lent, что переводится как высоко-кучевые чечевице-образные [3]. Как правило, они имеют значительную высоту и невысокую плотность, однако встречаются и менее высокие и достаточно плотные. Чичевице-образную форму имеют отдельные малопротяженные облака (теперь нередко их называют линзеобразными). Как правило, в этом случае становятся существенными локальные пространственные особенности волн. Вместе с тем достаточно часто облака Ac lent имеют значительную протяженность, т.е. имеют форму полос. В этих случаях можно предполагать, что волновые возмущения над горами имеют характер, близкий к двумерному. Двумерные теоретические модели этого явления являются самыми распространенными и успешными. В работах [4, 5] проведено сопоставление данных измерений и теоретических расчетов таких возмущений над горами Крыма. Данные о пространственных характеристиках облаков получались при этом путем стереофотограмметрических измерений в специальных экспедициях. Теоретические расчеты проводились на основе применения нелинейной двумерной стационарной аналитической трехслойной модели. В результате было установлено, что используемая модель в ряде случаев вполне адекватно предсказывает возмущения вне приземного слоя. Основные особенности рассмотренных возмущений иллюстрируются на рис. 1. Сплошными черными линиями здесь показываются траектории движения частиц воздуха слева направо в вертикальной плоскости (перпендикулярной горному хребту). Траектории отождествляются с их высотами в натекающем потоке (zu, км). Перечень значений этих высот дан внизу рисунка. Красными кривыми на рисунке показаны изолинии отрицательных возмущений температуры в градусах. Соответствующие значения этих возмущений даны внизу рисунка в диапазоне от –0.25 до –8.5. При расчетах предполагалось, что натекающий поток состоит из трех слоев, скорость потока в слоях постоянна, одинакова и равна $U$ = 9.75 м/с, вертикальные градиенты температуры в слоях постоянны, различны и снизу вверх равны 5.83, 0 и 3 К/км. Нижний слой в модели представляет тропосферу, верхний – всю верхнюю атмосферу. Основным масштабом явления, как известно, является масштаб Лира ${{\lambda }_{c}}$, введенный в [6] и определяемый соотношением

где величина $N$ представляет частоту Брента–Вяйсяля, отображающую гидростатическую устойчивость атмосферы. В данном случае значение масштаба ${{\lambda }_{c}}$ в нижнем слое равнялось 4.97 км. Результаты представлены для диапазона высот до 8 км и горизонтальных координат от –6 до 25 км, при этом нулевая координата соответствует положению главной вершины гор. Расчет был проведен для среднего поперечного сечения гор в районе г. Ялта. На рисунке сечение зачернено.

Очевидно, что волновые облака при обычной не очень высокой влажности натекающего потока в первую очередь могут появиться внутри областей с самыми заметными отрицательными значениями возмущений температуры. В данном и других рассмотренных случаях такая область расположена в диапазоне следующих высот и расстояний:

Здесь гребни волн имеют самые заметные амплитуды, а движущиеся частицы воздуха самые значительные положительные смещения относительно их исходных уровней в натекающем потоке. Подобные области повторятся периодически вниз по потоку, и их удобно нумеровать по порядку следования. На рисунке показаны четыре из них. В диапазоне высот, расположенном выше данного, примерно на высоте $2{{\lambda }_{c}}$, нетрудно видеть череду аналогичных областей. Во всех этих областях амплитуды возмущений заметно меньше, и облака здесь могут появиться только во вторую очередь – при достаточно высокой влажности.

В случаях, когда влажность воздуха в натекающем потоке с высотой изменяется достаточно неравномерно, волновые облака могут стать многоярусными [1, 4, 5]. Форма изолиний возмущений температуры показывает, что в этом случае более высокие облака по сравнению срасположенными ниже должны смещаться навстречу потоку.

Особый интерес вызывают фотографии многоярусных облаков. Такие случаи наблюдений редки и практически инструментальные измерения при этом не проводятся. В настоящей работе анализируется серия высококачественных фотографий многоярусного волнового облака над горами Крыма, предоставленных астрономом и фотографом В.А. Ромейко для анализа и публикации. Специальных измерений при этом не производилось, но представленная автором дополнительная информация позволила определить природу и основные характеристики наблюдавшихся облаков.

Фотографирование проводилось вечером 24 марта 2011 года в течение одного часа. Шесть первых фотографий сделаны еще при нормальном освещении и пять – в красных лучах заходящего солнца. Облака за время наблюдения не меняли своего положения и формы. Фото были пронумерованы в соответствии со временем наблюдения.

Координаты положения наблюдателя и время фотографирования были известны для двух случаев достаточно точно и для остальных – приблизительно. На рис. 2 представлена одна из ярких и показательных фотографий этой серии. Она была получена в период 18 ч 52–56 мин. Фотографирование было произведено из района Ангарского перевала (44°49′7.91″ с.ш., 34°20′22.90″ в.д.), севернее г. Алушта. Основной горный массив виден на фото ниже облака в центральной трети кадра. Левая часть гор – массив Бабуган-Яйла. Правый край видимых гор расположен над районом г. Ялта (или еще западнее), так что горизонтальная протяженность гор составляет не менее 30 км. В самом низу и слева можно видеть море. От наблюдателя оно расположено почти строго на юге. Все эти подробности иллюстрируются с помощью рис. 3, где для диапазона широт в 60 и долгот – более 70 км представлены изогипсы высот, перечисленных в верхней части рисунка. Из него следует, что от Ялты до Алушты широкая полоса гор имеет высоту не менее 1.2 км. Примечательно, что данная полоса на западе заметно сужается и даже частично разрывается. Звездочкой на рисунке отмечена точка фотографирования на перевале и крестиком – в городе Алушта. Усредненное положение главных горных вершин показано красной штриховой линией, а перпендикулярное к нему предполагаемое направление натекающего потока – сплошной красной прямой. Синей штриховой линией показано направление фотографирования из района перевала на вершины гор массива Бабуган-Яйла. Западнее точки фотографирования на перевале расположен еще один массив высоких гор – Чатыр-Даг.

Прекрасно видно, что показанное на рис. 2 облако – многослойное, и что между некоторыми его слоями имеются безоблачные промежутки. При рассмотрении представленной фотографии воспользуемся накопленным опытом измерений и наблюдений подобных облаков. Прежде всего, обратим внимание на то, что границы отдельных слоев облака можно отождествлять с прямыми линиями и что эти прямые расходятся некоторым веером из одной бесконечно удаленной от нас точки справа. Далее замечаем, что линию главных горных вершин также можно отождествлять с некоторой прямой. Учитывая законы перспективы, делаем вывод, что все указанные прямые в пространстве примерно параллельны друг другу. Значит, рассматриваемое облако вытянуто приблизительно параллельно горам. Более того, все отмеченное ранее позволяет предположить, что: 1. облако – волновое и расположено в гребнях орографических возмущений; 2. на переднем плане мы видим наветренную сторону, а натекающий поток набегает на горы с северо-запада. Это пока – предположение, потому что на фото плохо различима другая, подветренная его граница, так что у нас нет возможности провести сравнение гладкости этих сторон. На ряде других фото эта разность в гладкости не вызывает сомнений.

Нижняя поверхность облака затенена. Из параллельности прямых, соответствующих нижней и верхней наветренным границам, следует, что общая толщина нашего облака мало изменяется вдоль гор. Из параллельности прямых, соответствующих наветренной и подветренной границам нижней поверхности облака, следует, что отдельные облачные слои в горизонтальной проекции имеют вид полос постоянной ширины.

Наконец, представленное фото позволяет сделать еще один очень важный вывод. Нетрудно видеть, что форма облака вдоль его длины изменяется относительно немного, – причем главным образом в его дальней юго-западной части, т.е. там, где как сказано выше, меняется характер рельефа и снижается высота гор. Следовательно, облако свидетельствует, что в значительной части пространства характер обтекания гор близок к двумерному случаю.

Первые фотографии в серии были сделаны в Алуште. На рис. 4 представлена вторая из них (17 ч 50 мин; 44°40′30.2 с.ш., 34°24′0.01 в.д.). Согласно справочным данным, в этот момент азимут солнца равнялся 260.4°, а угол его высоты – +11.3°. Как видим, облако на фото предстает в обычных цветах и состоит из нескольких слоев, вытянутых от наблюдателя. Фотографии, полученные позже, позволили узнать, что облако частично располагалось непосредственно над наблюдателем и простиралось не только на запад, но и частично на восток. Позже, в сентябре 2021 г. по нашей просьбе П.А. Далин произвел определение азимута направления из точки фотографирования на вершину холма, который виден в нижней части центра кадра между левой границей крыши автовокзала в Алуште и жилой башней вдали. Азимут оказался равным 240°45′. Тем самым было установлено, что с точностью в несколько градусов облака вытянуты параллельно хребтам гор. Получается, что не только справедливо прежнее утверждение о волновом характере облаков, но и установлено, что основная волна располагалась в подветренной стороне гор.

Благодаря тому, что фотографирование велось снизу, более наглядно проявляет себя многослойное строение облака. Кроме того, вновь можно видеть, что наветренные границы отдельных слоев в первом приближении представляют веер параллельных прямых. Наконец, очень хорошо видно, что верхние слои облака по сравнению с расположенными на меньших высотах заметно смещаются навстречу основному потоку.

Все перечисленные характеристики прекрасно согласуются с данными вышеуказанных измерений и теоретических расчетов.

На рис. 5 и 6 представлены две фотографии, сделанные немного позже с точек, расположенных севернее (с шоссе по пути к Ангарскому перевалу). Они позволяют взглянуть на облако со стороны. Становится понятным, что облако состоит из двух частей. На рис. 5 видна полностью северо-восточная часть облака и частично – основная. Разрыв между частями почти полный и располагается он в районе г. Алушта. Облако, которое мы видим в кадре слева, является типичным примером волновых облаков Ac lent. Основная, юго-западная, самая протяженная часть показана на рис. 2, 4, 6 и частично 5. Эта часть имеет форму, которую удается наблюдать достаточно редко, – и в первую очередь благодаря его большой протяженности и многоярусности. Фотографии вновь показывают, что верхние слои по сравнению с нижними сдвинуты навстречу основному потоку воздуха.

На рис. 7 представлено фото, полученное спустя некоторое время после показанного на рис. 6 в момент времени, когда лучи солнца начали окрашиваться в вечерние тона.

Сравнивая изображения облака, представленные на рис. 5 и 7, следует отметить, что разрыв между частями стал полным. Кроме того, можно видеть, что нижняя часть северо-восточной облачности изменилась заметно. Сравнивая фото основного облака, представленного на рис. 2, 4–7, видим, что за время около часа облако практически не изменялось, изменялась лишь окраска лучей солнца. Это свидетельствует о квазистационарности процесса обтекания гор в обсуждаемом случае. Полезно также отметить, что данные фотографии не позволяют судить о том, над какой частью рельефа расположено основное облако. О том, что оно расположено над прибрежной частью суши с подветренной стороны гор удалось установить, благодаря фотографиям, сделанным в Алуште.

Настоящей удачей является то, что на фотографиях рис. 2 и 7 одновременно с положением границ облака, а также вершин гор массива Бабуган-Яйла видна линия морского горизонта. Это позволяет количественно оценить ряд пространственных характеристик облака. Для этого вновь рассматривая рис. 3, найдем на нем точку фотографирования и пунктирную синюю линию, которая дает (достаточно точно) направление от этой точки к заметным восточным вершинам массива гор. Карта изогипс позволяет оценить высоту над уровнем моря двух точек на этой линии – точки фотографирования и точки на краю горного массива. Их высоты соответственно равны 0.54 и 1.2 км. Карта позволяет также определить, что горная вершина от точки фотографирования находится на расстоянии в 15 км.

Для определения пространственных характеристик облака обратимся к рассмотрению геометрии нашей ситуации, представленной на рис. 8. Точка $C$ на рисунке представляет положение точки фотографирования на Ангарском перевале, а точка A ее проекцию на уровень моря. Точка D отмечает положение заметной вершины гор в восточной части массива Бабуган-Яйла на вертикали к условной поверхности моря. Ее проекция на уровень моря представлена точкой E.

При использовании представленной геометрической схемы с достаточной точностью можно не учитывать кривизну поверхности земли. Поэтому будем полагать, что:

Точки $N$, $M$, $B$ представляют условно точки на границах облака в ситуации, если бы последнее располагалось непосредственно над горами: первая и вторая – на границах нижней поверхности облака, третья на самой верхней его границе. Прямая $CL$ представляет луч зрения, по которому из точки фотографирования видна линия горизонта моря. Этот луч пересекает вертикаль $B$$E$ в точке $G$ и вертикаль ${{B}_{1}}$${{E}_{1}}$ в точке ${{G}_{1}}$.

На фотографиях 2 и 7 будем мысленно проводить вертикаль через самую высокую точку гор. В этом случае границы облака будут определяться в сечении, совпадающим с синей ей штриховой линией на рис. 3. Длины указанных отрезков на фото в относительных масштабах можно характеризовать значениями:

GD = 21; GN = 39; NM = 14.4; MB = 57.1 из рис. 2; GD = 13; GN = 24.9; NM = 8.1; MB = 49.5 из рис. 7. Отсюда нетрудно определить длину отрезков $G$$N$, $N$$M$, $M$$B$ в долях $G$$D$. Обозначая эти безразмерные величины как ${{P}_{j}}$, получим следующие значения: ${{P}_{j}}$ = 1.86; 0.686; 2.72 (из рис. 2); ${{P}_{j}}$ = 1.91; 0.623; 3.81 (из рис. 7); $P{{с}_{j}}$ = 1.88; 0.655; 3.27 (среднее по двум фото); $j = 1,\,2,\,3$ – номер отрезка для $G$$N$, $N$$M$, $M$$B$, соответственно.

Обозначая истинное значение длины отрезка $G$$D$ как h, истинную длину остальных отрезков можно определять по формуле

Действительное расстояние облаков от точки фотографирования нам неизвестно. Но поскольку безразмерные величины ${{P}_{j}}$ от этого не зависят, значения отрезков ${{L}_{j}}$ для произвольного удаления облаков от наблюдателя будем оценивать по (3) с учетом малости кривизны земли и соответственно справедливости соотношений:

Согласно астрономическим данным, линия горизонта моря от точки $C$ отстоит примерно на 87 км. Поэтому в соответствии с представленной геометрией можем с той же точностью получить

Из треугольников G₁R₁C и LCA, полагая что углы между прямыми G₁C и R₁C и прямыми LC и LA с достаточной точностью равны, получим

После этого нетрудно видеть, что:

Теперь можно оценить диапазон высот, на которых могли располагаться облака в зависимости от удаления. Необходимо учитывать, что при увеличении удаления погрешность оценок по приведенным формулам растет почти пропорционально удалению. Однако мы знаем, что общая толщина облака и его ширина не меняются при изменении расстояния. Поэтому эти величины будем определять только для самого малого расстояния. Фотографии, сделанные в Алуште, показали, что облака располагались с подветренной стороны гор и были вытянуты параллельно горам. Если наше предположение о волновой природе облаков верно, то согласно данным [4, 5] количественные оценки пространственных характеристик следует провести для диапазона следующих значений удаления от гор $y = 0{\kern 1pt} - {\kern 1pt} 15$ км. Оценку высоты нижней границы облаков ${{H}_{0}}$ и их толщины $dH$ относительно уровня моря будем проводить, используя усредненные $P{{с}_{j}}$и нижеследующие формулы:

Ширина облаков ${{D}_{y}}$ вдоль направления съемки определяется длиной отрезка ${{M}_{2}}$${{M}_{1}}$. Эту величину определим из треугольников ${{M}_{2}}$${{M}_{1}}$${{N}_{1}}$ и ${{N}_{1}}$${{R}_{1}}$$C$, используя соотношения (4) и формулы

Поперечную к горам ширину облаков ${{D}_{g}}$ отсюда нетрудно оценить, если воспользоваться тем, что: а) облака параллельны линии гор, б) линия гор от направления широт отклоняется на 25°, в) направление фотографирования из точки $C$ отклоняется от направления широт на 72°. Отсюда

В результате было найдено, что

Тогда получаем, что высоты верхней границы облака ${{H}_{1}}$ и нижней границы ${{H}_{0}}$ изменяются (в км) в следующем диапазоне:

Полученные значения диапазона высот облаков, вертикальная их толщина и горизонтальная ширина достаточно хорошо согласуются с (2), а также имеющимися данными о возмущениях над горами Крыма [4, 5]. Учитывая все ранее выявленные характеристики рассмотренного облака, приходим к окончательному выводу о том, что облако действительно существовало в гребне волн возмущения атмосферы.

Обсудим еще одну проблему в связи полученными фотографиями. На рис. 9 представлен результат обработки фото рис. 7, при которой была выделена самая интересная часть изображения и несколько изменен цветной фильтр. Это позволяет с большей детальностью рассмотреть облака и вершины массива гор. Фото демонстрирует, как по мере удаления на юго-запад изменяется облако. Ясно, что это происходит из-за изменения формы и высоты гор. Анализируя изогипсы высот, представленные на рис. 3, нетрудно видеть, что в районе г. Ялта прибрежная полоса суши расширяется за счет резкого сужения полосы высоких гор. Еще западнее горы уменьшают свою высоту примерно на 200 метров. На фотографии рис. 9 мы видим кроме основного еще шесть облаков. Пять из них имеют вид тонких параллельных полос и вероятнее всего являются волновыми. Одно облако, очевидно, кучевое. Первая полоса видна ниже основного облака в центре кадра. Ниже можно видеть вторую и третью полосы и кучевое облако между ними. Четвертая и пятая полосы видны на самом дальнем краю справа. Ясно, что чем ниже положение этих полос на фото, тем они дальше от нас. Весьма вероятно, что эти облака визуализируют существование вниз по потоку от гор второй, третьей, четвертой и пятой волновых гряд. Все пять полос солнцем не освещены. Анализ справочных данных показал, что в момент фотографирования высота солнца над горизонтом была близка к нулю. Затененность полос однозначно свидетельствует, что указанные облачные полосы располагались ниже границы тени солнца, т.е. что угол солнца был отрицательным. Кучевое облако, как легко видеть, хорошо освещено солнцем. Анализ положения этого облака на других фотографиях, полученных из разных точек и с разных высот, позволяет предположить, что оно было расположено ближе к наблюдателю и имело меньшую высоту, т.е. оно свидетельствовало о наличии локальных конвективных процессов в приземном слое над горами.

Наконец, рассмотрим фото, представленное на рис. 10. Здесь крупным планом показана самая правая часть предыдущей фотографии. Представьте себе, что Вы рассматриваете только одну эту фотографию и никакой дополнительной информации на этот счет не имеете. Какие чувства и мысли у Вас появятся? Удивление!? Восторг! Опасение? Для нас же, после сделанного выше подробного анализа имеющейся информации все выглядит иначе. Мы знаем, что облака визуализируют движения частиц воздуха при обтекании гор. Поэтому представленное фото заставляет задуматься о том, как локальные изменения орографии привели к заметным отклонениям здесь от квазидвумерного характера обтекание гор, как конкретно проявляет себя третья компонента возмущений и т.д. Ответить на эти вопросы невозможно без точных знаний о пространственных характеристиках данного облака и в первую очередь о том, вблизи каких гор оно расположено. Мы знаем только, что оно далеко на западе от Алушты – в районе Ялты или еще дальше, т.е. там, где форма гор резко меняется. Мы знаем, что это одно из проявлений природы, которое еще предстоит исследовать и понять.

Вместе с тем, данная фотография позволяет получить одно важное уточнение наших знаний. Для этого обратим внимание на нижнюю поверхность самого верхнего слоя облака. Наветренный край этого слоя хорошо освещен, тогда как нижняя его поверхность находится в тени. Лучи солнца, как уже отмечалось выше, подсвечивают слои облака никак не сверху. Так откуда тень? Поскольку со стороны солнца нет объектов, которые могли бы создать эту затененность, следует сделать вывод, что тень определяется кривизной данного облачного слоя и что выпуклость этой кривизны направлена вверх. Кривизна слоя не столь велика, и поэтому край слоя не препятствует наблюдателю видеть эту тень снизу. Подобные тени можно видеть и у других слоев облака,- например, у второго снизу. Следует также обратить внимание на то, что тень на нижней поверхности самого нижнего слоя существенно слабее. Это позволяет предположить, что здесь кривизна слоя заметно меньше. Выводы о кривизне полностью соответствуют данным теории, проиллюстрированным на рис. 1. Тем самым нам впервые удалось подтвердить непосредственным наблюдением, что траектории движения частиц воздуха в зоне облака имеют кривизну с выпуклостью, обращенной вверх.

Представленные фотографии и проведенный анализ продемонстрировали, что облака могут очень многое поведать о сложных процессах в атмосфере. Было показано, что созданная методика анализа фотографий облаков типа Ac lent уже сейчас помогает получать много интересной информации. Продолжение исследований в этом направлении несомненно еще больше расширит такие возможности.

В заключение необходимо отметить, что настоящая статья написана в память недавно умершему московскому астроному, педагогу и фотографу Виталию Александровичу Ромейко. В статье используются фотографии и комментарии В.А. Ромейко, а также выполненная П.А. Далиным координатная привязка одного из снимков и ценные советы, сделанные Н.Н. Перцевым в проведенных дискуссиях. Автор глубоко признателен всем за помощь.