ее атмосферу. Большая запыленность атмосферы после мощных извержений вулканов существенно изменит как отражательную, так и пропускную способность атмосферы. Поэтому изменится поступление к Земле через атмосферу солнечного излучения не только в ультрафиолетовой, но и в других частях спектра.
Хотя такие мощные извержения вулканов бывают не часто, но они оставляют значительный след в истории Земли. В 1883 году произошло извержение вулкана Кракатау в Индонезии. Облака пыли поднялись на высоту 30 км. Другой вулкан Индонезии, Агунг, напомнил о себе мощным извержением 17 марта 1963 года. Выбросы пыли и газов были очень мощными. После таких мощных выбросов атмосфера в течение нескольких лет «не может прийти в себя»: ее замутненность сильно влияет на прохождение и отражение через атмосферу солнечного излучения и собственного излучения Земли. В результате этих процессов температура воздуха в стратосфере может подняться на несколько градусов. После извержения вулкана в 1963 году она увеличилась на 5о. Температура воздуха больше всего увеличилась там, где больше всего скопилось пыли и газов (17–19 км).
Информация о прошлом, оставленная природой, говорит о том, что после периодов с мощным усилением вулканической деятельности наступали периоды оледенения. Это не случайно. Умеренные извержения вулканов не вызывают оледенения. Но меняют погоду на годы. Так, в 1815 году в Индонезии было мощное извержение вулкана Тамбора. Высота самого вулкана уменьшилась на 140 метров. Сам взрыв был слышен на удалении до 2600 км, а пыль создала тьму в радиусе 660 км, которая не рассеивалась два дня. Следующий, 1816 год назвали «годом без Солнца». В этот год летом лютовали морозы и снегопады. Урожай в Европе и Северной Америке, естественно, погиб…
Еще более мощное извержение вулкана произошло около 546 года нашей эры (вулкан Рабаул, Индонезия). В течение полутора лет в Месопотамии Солнце было видно только по 4 часа в сутки. Об этом говорится в византийских хрониках. О взрыве вулкана поведали отложения пепла в кернах гренландского льда.
В период извержения вулкана Агунг (1963 год) количество озона на высоте 20–21 км уменьшилось примерно на 1/5. На этих же высотах наблюдался слой пыли. Озон разложился на частицах аэрозоля, которые представляли собой в основном капельки (кристаллы) серной кислоты и раствора сульфата аммония. Чем меньше радиус капли, тем больше процент кислоты. Соли металлов растворены в жидкости. Они значительно увеличивают каталитическую активность капель. Расчеты изменения озона, выполненные для условий в нижней стратосфере, показывают, что за счет контакта с аэрозолями озон в нижней стратосфере может уменьшаться примерно на 5 %.
Аэрозоли оказывают влияние на содержание О и О3, а те в свою очередь приводят к изменению концентрации других малых составляющих. С уменьшением концентрации О и О3 увеличивается концентрация NO и CO, а концентрация3 NO2, HNO3, NO2, N2O2 уменьшается.
Аэрозольные частицы длительное время сохраняются в атмосфере. Так, время их жизни на уровне тропопаузы составляет примерно 1 месяц. На 20 км оно уже достигает от 4 до 2 лет, а на 50 км может составлять все 20 лет! Кстати, это подтверждают наблюдения за осколочными продуктами ядерных взрывов. Было установлено, что требуется примерно 2 года для того, чтобы частица радиусом 0,3 мкм, имеющая плотность 2,5 г х см-3, упала с высоты 20 км до уровня 10 км.
ИОННЫЙ ЦИКЛ
До сих пор мы рассматривали влияние на озон нейтральных веществ. Но в стратосфере и тропосфере имеются и заряженные частицы — ионы. Ионы могут быть заряжены положительно или отрицательно. Создают ионы в стратосфере главным образом высокоэнергичные частицы, которые приходят сюда из космоса. Это в основном галактические космические лучи. Кроме того, высокоэнергичные заряженные частицы приходят в атмосферу от Солнца, после того, как там происходят взрывы гигантской мощности — солнечные вспышки. Некоторая доля ионов создается и под действием частиц, которые образуются в результате распада радиоактивных ядер атмосферных примесей.
Выше 100 км также идет весьма эффективное образование ионов под действием солнечного излучения. Но здесь имеются только положительные ионы, которые несут на себе единичный положительный заряд и электроны. Отрицательных ионов там нет. Ниже 80 км плотность атмосферы такова, что образованные при ионизации электроны не могут существовать самостоятельно, а прилипают к нейтральным атомам и молекулам. Так образуются отрицательно заряженные ионы.
Проблема влияния ионов на концентрацию озона в стратосфере очень сложна и далека от своего решения. Образование самих ионов в этой области атмосферы количественно не изучено. Все усложняется тем, что ионы взаимодействуют как между собой, так и с нейтральными атомами и молекулами. В этих ионно-молекулярных реакциях идет непрерывное превращение одних ионов в другие или в нейтральные молекулы, и наоборот. Для того, чтобы контролировать (предсказывать) результаты этих преобразований, надо знать слишком многое. Прежде всего надо знать, с какой скоростью протекают все возможные реакции. А это значит, что надо знать константы этих реакций (их определяют экспериментально в лабораториях и вычисляют теоретически), а также концентрации взаимодействующих реагентов. Надо знать и температуру, поскольку, как правило, скорости реакций зависят и от нее. Проблема слишком сложная. Если ее решать экспериментальным путем, то надо проводить одновременные измерения на разных высотах большого числа параметров. Если к этому добавить, что измерений в одном пункте недостаточно, то станет ясно, что задача в полном объеме очень сложная. Если измерения проводятся с помощью приборов, установленных на ракетах, то они дают высотные профили некоторых параметров. Если измерительные приборы установлены на спутниках, то получается информация вдоль траектории спутника. Поскольку ситуация в атмосфере непрерывно меняется, то получаемых таким путем данных явно недостаточно. Чтобы как-то выйти из этого положения, полученные во многих экспериментах данные группируют, приводят «к общему знаменателю» и используют для определения некоей средней наиболее вероятной картины, которая не противоречила бы всему набору экспериментальных данных.
Что же можно сказать о влиянии ионов на содержание озона?
В том и другом случае цепь химических реакций с озоном обрывается тогда, когда ионы исчезают. Это может происходить как в результате рекомбинации, когда отрицательный ион теряет лишний электрический заряд, так и путем преобразования данного отрицательного иона в какой-либо другой ион, который не может поддерживать продолжение этого цикла.
По проведенным оценкам, молекулы озона из-за действия на них ионов могут разлагаться с такой скоростью, что при концентрации озона, равной 106 см-3, его количество уменьшается на 10 %. Если концентрация озона в сто раз меньше, то в ионном цикле разрушается примерно 0,2 % озона.
Мы будем отдельно рассматривать все вопросы, относящиеся к проблеме озона, которые связаны с действием солнечного корпускулярного излучения. Это излучение связано с солнечной активностью. Под действием солнечных корпускулярных потоков на магнитосферу Земли происходят магнитные бури, а в атмосфере высоких широт северного и южного полушарий (в Арктике и Антарктике) возбуждается свечение атмосферного газа — так называемые полярные сияния. Здесь только укажем, что под действием высокоэнергичных частиц, которые в высоких широтах проникают в стратосферу и тропосферу, образуется значительно большее число ионов, чем в средних и низких широтах. Может достигаться пятикратное превышение по сравнению с экватором. Ясно, что влияние здесь ионов на содержание озона будет значительно больше. Это тем более справедливо для условий, когда в атмосферу не попадает солнечное излучение (полярная ночь). Тогда разрушение озона в каталитических циклах с участием соединений ClOx, HОx и Ox практически прекращается. Значит, должно доминировать разрушение ионами. Под действием космических лучей (и высокоэнергичных солнечных заряженных частиц) образуется NOx. Поэтому цикл с участием этого соединения и в затененной атмосфере сохраняется.
ПРИЗЕМНЫЙ ОЗОН
Проблема приземного озона очень важна для земных дел. Ведь если количество озона в городах увеличивается и приводит к заболеваниям и даже гибели людей, то важность проблемы доказывать не надо. Но дело этим не ограничивается. Не следует забывать, что весь озон, который находится в атмосфере на всех высотах вплоть до термосферы и на всех широтах от полюса до полюса, является единым образованием. Изменения озона в одном месте в той или иной мере скажутся на распределении озона во всех других местах. Таким образом, решить проблемы озона в любом отдельном месте можно только в том случае, если в поле зрения находится картина распределения озона в глобальном масштабе.
Приземный озон в этом смысле не является исключением. От того, сколько его образуется у поверхности Земли, зависит и его количество на более высоких уровнях. Столь же важно и то, что большое количество озона, который черпается из единого озонного резервуара, исчезает, разрушается у поверхности Земли. Поэтому, рассматривая приземный озон, будем все время помнить, что это только донышко единого озонного резервуара, глубина которого более 100 км.
Содержание приземного озона зависит от сезона, времени суток, географического положения, высоты над уровнем моря и др. Собственно, от указанных факторов зависит приток озона сверху, из тропосферы. Но озон не только приходит в приземный слой сверху, но и образуется непосредственно на месте. Это происходит при грозах (а точнее, еще до грозы), в результате действия выхлопных газов автомашин, некоторых других загрязнителей воздуха. Образование приземного озона детально рассмотрим немного позднее. А сейчас приведем данные о том, как меняется приземный озон в