Perlamutriniai debesys

Perlamutriniai debesys (poliariniai stratosferiniai debesys) – optiškai ploni debesys, besiformuojantys stratosferoje (15-30 km aukštyje). Dažniausiai perlamutriniai debesys matomi poliariniuose regionuose (rečiau vidutinėse platumose) žiemą, kai Saulė yra keliais laipsniais žemiau horizonto. Šiuo atveju Saulė apšviečia aukštai atmosferoje esančius debesis, kurie nusidažo įvairiomis nuolat kintančiomis spalvomis. Šie debesys matomi gana retai. Pavyzdžiui, Skandinavijoje per 60 metų (nuo 1888 iki 1949) jie pasirodė 96 kartus, ir tai ne kasmet. Debesys juda dažniausiai iš šiaurės arba šiaurės rytų palyginti lėtai – apie 30 m/s.

Debesų spalvos 
Perlamutrinių debesų spalvos – raudona, oranžinė, auksinė, žalia, žydra, rausvai violetinė – išsidėsčiusios arba netvarkingomis dėmėmis, arba kaip vaivorykštėje. Debesų spalvos kartais esti tokios ryškios, kad sniegas ant žemės nusidažo raudona, žalia ar kita spalva. Tokias spalvas perlamutriniuose debesyse sukelia šviesos difrakcija debesų dalelytėse. Todėl, juose stebint spalvas, galima sužinoti iš kokio didumo dalelyčių sudaryti perlamutriniai debesys. Ryškios spalvos ir spalvotų dėmių didumas rodo, kad perlamutriniai debesys sudaryti iš labai smulkių, ne didesnių kaip 2-3 mikronų dalelių – kristalų.

Istorija 
Nėra tikslios datos, kada ir kas pirmą kartą pastebėjo perlamutrinius debesis, tačiau įvairūs šaltiniai byloja, kad perlamutriniai debesys buvo žinomi, o reti jų pasirodymai dokumentuojami jau nuo XIX a. pabaigos. Tuomet vakaro žaroje vaivorykštės spalvomis švytintys debesys daugiausia buvo fiksuojami virš Skandinavijos. Vieną pirmųjų preciziškai dokumentuotų perlamutrinių debesų vaizdų 1901 m. yra nutapęs danų dailininkas H. Moltkė, kuris dalyvavo mokslinėje šiaurės pašvaisčių stebėjimo ekspedicijoje Suomijos šiaurėje ir kurio užduotis buvo tiksliai pavaizduoti šiaurės pašvaistes, kadangi anais laikais spalvota fotografija dar nebuvo išrasta. Į neįprastus debesis virš Antarktidos atkreipė dėmesį ir garsiosios R. Scotto ekspedicijos nariai.

Sandara ir stratosferos aerozoliai 

Šiuolaikiniai moksliniai perlamutrinių debesų tyrimai, padėję atskleisti jų kilmę bei sandarą, pradėti 1982 m., atsiradus galimybei juos fiksuoti iš palydovo, taip pat naudojant antžeminius mokslinius prietaisus – lidarus, spektrometrus ir kt. Buvo nustatyta, kad šių paslaptingų debesų formavimasis yra glaudžiai susijęs su ekstremaliai žemomis stratosferos temperatūromis, kurias sukelia stabilių poliarinių sūkurių susidarymas virš poliarinių regionų žiemos mėnesiais. Kartu paaiškėjo, kad perlamutriniai debesys savo sandara smarkiai skiriasi nuo troposferinių debesų, kurie sudaryti iš vandens lašelių (žemojo ir viduriniojo aukšto debesys) ar ledo kristalų (plunksniniai ir patys aukščiausieji – sidabriškieji debesys, matomi mezosferoje). Tuo tarpu perlamutriniuose debesyse vanduo toli gražu nėra pagrindinis ir dažniausiai aptinkamas cheminis junginys. Pagal savo cheminę sudėtį, kuri nulemia ir fizinius ypatumus, perlamutriniai debesys skirstomi į tris tipus, kurie apibendrinti lentelėje.

Dažniausiai formuojasi vadinamojo Ia tipo perlamutriniai debesys, sudaryti iš azoto rūgšties trihidrato (HNO3x3H2O, sutrumpintai žymimo NAT). Temperatūrai nukritus iki -78 °C, šis cheminis junginys kristalizuojasi, ir perlamutriniuose debesyse aptinkamas mažyčių (iki 1 µm=0.001 mm dydžio) kristalų pavidalu. Ib tipo perlamutriniai debesys sudaryti iš sudėtingesnio, vadinamojo trejopo – azoto rūgšties, sieros rūgšties ir vandens garų mišinio (STS – supercooled ternary solution), kuris toje pat -78 °C temperatūroje kondensuojasi į maždaug 1 µm dydžio lašelius, tačiau neužšąla. Ir tik II tipo perlamutriniai debesys yra sudaryti iš nedidelių (iki 10 µm dydžio) ledo kristalų. Tačiau stratosferos sąlygomis (turint omenyje žemą slėgį) ledo kristalams atsirasti reikalinga dar žemesnė, -85 °C temperatūra, todėl II tipo perlamutriniai debesys formuojasi daug rečiau.

Perlamutriniai debesys ir ozono skylė 
Daugiau kaip šimtmetį perlamutriniai debesys buvo laikomi gražiu, įdomiu ir galbūt šiek tiek keistu, neturinčiu jokios įtakos globaliems atmosferos procesams reiškiniu. Tačiau prieš šiek tiek daugiau nei 20 metų situacija pakrypo netikėta linkme, o perlamutrinių debesų svarba įgavo netgi grėsmingą atspalvį. Buvo išsiaiškinta, kad, formuojantis perlamutriniams debesims, ant jų dalelių paviršių vyksta heterogeninės reakcijos, kai reaguoja dujinio, skysto ir kristalinio būvio medžiagos. Šių reakcijų metu chloro nitratas reaguoja su vandeniu ar druskos rūgštimi, sudarydamas metastabilų chloro junginį – chloro oksido dimerą (Cl2O2), kuris nėra aktyvus tamsoje (tvyrant poliarinei nakčiai) bei žemoje temperatūroje. Priklausomai nuo perlamutrinių debesų dalelių tipo cheminės reakcijos šiek tiek skiriasi, tačiau galutinis rezultatas yra tas pats. Kaip šalutinis reakcijų produktas atsiranda dideli azoto rūgšties kiekiai. Šių junginių gausa toliau skatina perlamutrinių debesų dalelių augimą, kurios, veikiamos sunkio jėgos, pamažu ima leistis žemyn. Tokiu būdu stratosfera netenka didelio kiekio azoto junginių (šis procesas vadinamas denitrifikacija), kurie yra svarbūs surišant chemiškai aktyvų atominį chlorą. Tvyrant poliarinei
nakčiai įvykę svarbūs cheminiai pokyčiai kol kas yra nepastebimi, tačiau viskas staiga pasikeičia visą šį „cheminį katilą“ apšvietus pirmiesiems Saulės spinduliams. Saulės šviesa sparčiai suardo metastabilius chloro junginius išlaisvindama agresyvų chlorą, kuris gali tiesiogiai reaguoti su ozonu. Lokalus azoto trūkumas nebegali surišti chloro, ir, maža to, chloro reakcija su ozonu yra katalizinė – t. y. tokia, kurią inicijavęs elementas (chloras) išlieka nesurištas, o ozono molekulės suardomos viena po kitos. Vienas chloro atomas per trumpą laiką sunaikina tūkstančius ozono molekulių ir taip atsiveria didžiulė ozono skylė. Ilgainiui dėl šilumos poliarinis sūkurys suyra, o ozono skylė pamažu užsitraukia dėl atmosferos cirkuliacijos atplūstant ozonui iš pusiaujinių stratosferos zonų. Vis dėlto fotocheminės reakcijos (deguonies fotodisociacija ir ozono susidarymas, dar vadinamos Chapmano ciklu) per metus nesugeba visiškai atstatyti bendro ozono kiekio stratosferoje, o, atėjus poliarinei žiemai, virš Antarktidos prasideda naujas ozono ardymo ciklas. Panašūs, tačiau daug mažesnio masto reiškiniai vyksta ir virš Arkties, tačiau čia poliarinis sūkurys nėra toks gilus ir stabilus, tad metinė ozono kiekio svyravimų amplitudė yra kur kas mažesnė. Tačiau dėl pietų ir šiaurės ašigalių geofizinių skirtumų (sausumos ir vandens plotų, lemiančių atmosferinės cirkuliacijos ypatumus) šiaurinis poliarinis sūkurys neretai nuklysta piečiau, ir ozono sluoksnis nuskurdinamas virš gyvenamųjų Europos regionų, taip sukeldamas nemenką pavojų.

Perlamutrinių debesų stebėjimai 

Europinėje šiaurės pusrutulio dalyje perlamutrinių debesų matomumo zona driekiasi nuo Islandijos iki Skandinavijos. Paprastai šie debesys formuojasi ir gali būti matomi žiemos mėnesiais – nuo gruodžio iki vasario vidurio. Tačiau yra pasitaikę ir įdomių išimčių: stratosferiniai debesys, esantys 14 km aukštyje, pastebėti 1998 m. liepos mėnesį Švedijoje, o jų atsiradimo priežastis iki šiol nėra iki galo išaiškinta. Statistiniai duomenys, bylojantys apie perlamutrinių debesų dažnį, iki šiol tėra apytiksliai, tačiau šių debesų pasirodymas netgi šiaurės šalių padangėje yra neabejotinai retas reiškinys. Vertinama, kad perlamutriniai debesys virš Norvegijos, Švedijos ir Suomijos susidaro vidutiniškai 2–5 kartus per metus, o geriausios sąlygos pavieniams debesims atsirasti yra virš kalnuotų vietovių. Ten oro masių judėjimas yra labai savitas: orografinis oro kilimas ties kalnų šlaitais sukelia adiabatinį vėsimą – kai į didelį aukštį pakilusi šiltesnio oro masė staiga plečiasi ir dėl to smarkiai atvėsta. Taip lokaliai atšaldomi ne tik viršutiniai troposferos sluoksniai, bet ir apatinė stratosfera, sudarant puikias sąlygas formuotis perlamutriniams debesims. Vidurinėse platumose perlamutriniai debesys yra išskirtinis reiškinys. Per keletą pastarųjų dešimtmečių šie debesys buvo užregistruoti tik du kartus – 1995 m. virš Anglijos ir 1999 m. virš Vokietijos. Duomenų, ar kada nors šie egzotiški debesys būtų buvę pastebėti virš Lietuvos, deja, nėra. Tačiau pastarųjų metų instrumentiniai stebėjimai atskleidė, kad perlamutriniai debesys nebūtinai įgauna fizinę formą, būdingą įprastiniams debesims. Dažnai labai mažo tankio perlamutrinių debesų buvimo faktą galima nustatyti tik spektriniais prietaisais, registruojant padidėjusią šviesos sklaidą bei dangaus spalvinio indekso pokyčius po Saulės laidos.

Nuorodos 
 Perlamutrinių debesų paslaptys
 Taurieji debesys 
 Vadovas debesims pažinti

Debesys