зависимости от времени года и суток, широты и т. д.
Количество озона на высоте 7 м меняется в продолжение суток значительно больше, нежели непосредственно у поверхности Земли. Наибольшие изменения плотности озона как у поверхности Земли, так и на высоте 7 м наблюдаются в летние месяцы (май — сентябрь). В зимнюю половину года изменения озона в продолжение суток значительно меньше, чем в летнюю.
То, что количество озона в приземном слое воздуха сильно зависит от высоты, далеко не всегда оценивается должным образом даже самими исследователями. Поэтому часто они публикуют данные своих измерений без указания высоты, на которой проводились эти измерения. В то же время разница в высотах, составляющая всего несколько метров, может изменить результаты вдвое или в несколько раз. Надо все время помнить, что по мере приближения к поверхности Земли как плотность озона, так и его парциальное давление очень сильно уменьшаются. Летом это уменьшение больше, чем зимой. Это особенно касается высот, измеряемых метрами. На первых метрах (1–3 м) над поверхностью Земли, особенно сильно по мере снижения, озон убывает ночью. Этому способствует большая устойчивость атмосферы ночью по сравнению с днем. Конечно, речь идет о высоте не просто над земной поверхностью, а над уровнем моря. Земная поверхность имеет возвышенности и низины. На возвышенностях плотность озона больше, чем в низинах. Поэтому данные наземных озонометрических станций надо анализировать с учетом информации о высоте самой станции над уровнем моря. Так, в Австрии имеется озонометрическая станция на вершине горы Цугшпиц, на высоте 3100 м над уровнем моря. Ясно, что она уже не находится в пограничном слое атмосферы, хотя и расположена на земле.
Приземный озон очень тесно связан с находящейся под ним водной поверхностью Земли — морем или океаном. Количество озона над водной поверхностью зависит, в частности, от температуры воды. Так, в области теплого Гольфстрима на 60о северной широты, вблизи Шетландских островов, плотность озона была высокая (48 мкг х м-3), а в проливе Бельт еще выше (67 мкг х м-3). Для сравнения укажем, что в Северной Атлантике на 60–63о северной широты на высоте 5,5 м была измерена плотность озона, равная всегда 19 мкг х м-3. В то же время плотность озона над водной поверхностью значительно больше, чем над близлежащей сушей (над континентальной частью Западной Европы). Измерения озона над Индийском океаном показали, что там озона больше, чем над его побережьем. Вода моря и океана является хорошим стабилизатором, термостатом. Поэтому плотность над ней практически не меняется в течение суток.
Прежде чем детально проанализировать, как меняется озон в течение суток и года, имеет смысл рассмотреть те процессы, в результате которых он меняется. Тогда мы сможем не только констатировать суточный и сезонный ход озона, но и понять, чем они обусловлены.
Ни у кого из специалистов сейчас не вызывает сомнения, что озон в приземном слое образуется под действием атмосферного электричества, которое усиливается у поверхности Земли в периоды гроз и накануне их. В это время в сильном электрическом поле происходит точечный тихий разряд. Именно эти разряды приводят к образованию озона. Это подтверждают многолетние измерения в разных точках земного шара. По многолетним измерениям озона во Франции (станция Валь-Жуайе вблизи Парижа) А. Васси установила, что плотность приземного озона быстро увеличивается за 3–5 часов до начала грозы. Условия летом и зимой различаются. Летом это время меньше, оно составляет в среднем 3 часа. Зимой оно удлиняется примерно в полтора раза. Когда приближается грозовое облако, электрическое поле у поверхности Земли увеличивается, и начинаются тихие (коронные) разряды с острий (верхушек деревьев, листьев, травы, кустов и других неровностей местности и построек). Когда происходит разряд молнии, то образование озона также усиливается. Ведь при этом излучается ультрафиолет (и не только он), который вызывает образование озона. Анализировались пробы воздуха с целью определения количества озона в условиях ясной, хорошей погоды, когда электрическое поле направлено из атмосферы в Землю, то есть вертикально вниз. В это время, пока электрическое поле оставалось таким, но гроза приближалась, разряды с острий (в том числе с травы, кустов и т. д.) были незначительные, и количество озона увеличивалось не более чем на 30 %. Когда грозовые облака подходили ближе и электрическое поле атмосферы меняло знак на противоположный (становилось направленным снизу вверх), то тихие (коронные) разряды сильно активизировались. Количество озона, образованного этими разрядами, было таким, что общее количество озона увеличивалось в несколько (примерно в 3) раз. Опыты показали, что количество озона в приземном слое воздуха увеличивалось и под самим грозовым облаком после разряда молний.
Имеется еще одна возможность образования озона, которая связана с грозой, но которую мы не рассматривали. Это не образование озона в собственном смысле этого слова, а его перенос с вышележащих слоев. Известно, что около грозового облака имеют место нисходящие движения воздуха из более высоких слоев атмосферы. Эти усиленные движения воздуха и заносят в приземный слой озон сверху. Эта возможность увеличения плотности озона в приземном слое воздуха реальная, и она, несомненно, реализуется и вносит свой вклад в образование озона.
Конечно, озон образуется в приземном слое воздуха не только за счет гроз. Имеются и другие источники его образования. Но какие? Было предложено рассмотреть применительно к приземному слою и тропосфере тот же механизм образования озона, который довольно детально был разработан для стратосферы. Это принципиально возможно потому, что речь идет о веществах, которые выделяются из почвы и затем постепенно заносятся в стратосферу. Одно из таких веществ — метан СН4, который является продуктом почвенных процессов. Другими словами, это газ, который выделяется земной поверхностью. Другим таким веществом является окись азота NO.
Раз эти вещества могут образовывать озон в стратосфере, то почему же они не могут это делать в начале своего путешествия вверх — в приземном слое воздуха и в тропосфере? Специалисты считают, что могут. Мы не будем расписывать здесь всю цепочку возможных реакций, в которых участвует метан и окись азота. Укажем только, что в конце концов при окислении одной молекулы СН4 образуются две — четыре молекулы озона (в зависимости от цикла реакций, который реализуется).
Описанная схема образования озона — это только возможность, только один из возможных вариантов. Поэтому не надо пытаться этой схемой объяснить все свойства наблюдаемого распределения озона в приземном слое. Кстати, если бы озон в приземном слое образовывался только по этой схеме, то его не должно было бы быть ночью, поскольку для того, чтобы схема «работала», обязательно должно присутствовать солнечное излучение. Ночью, а также в полярную ночь, которая длится месяцы, этого излучения в приземном слое нет, а озон имеется. Вместе с тем реальная скорость образования озона меньше, чем было рассчитано выше на основании этой схемы.
Кроме гроз и метана и окиси азота надо учесть и ветры. Их роль в распределении озона велика. Они не рождают молекулы озона, но они их приносят с других мест. Таким образом, при рассмотрении приземного озона надо учитывать ветры, которые здесь дуют. Ведь может происходить перераспределение приземного озона, когда меняются, например, долинные ветры на горные или же наоборот. Были проведены измерения озона одновременно на высотах 30, 70 и 115 м над почвой. Они показали, что от 12 часов местного времени до самого захода солнца озон меняется совершенно одинаково на всех указанных высотах. В ночные же часы озон намного быстрее разрушается на высоте 30 м, нежели выше (на высоте 115 м). От восхода солнца до 9 часов местного времени наблюдалось уменьшение озона на самом верхнем уровне (115 м), после чего он стал увеличиваться. Когда данные измерений озона на указанных высотах были сопоставлены с направлением и силой ветров в этой местности, то оказалось, что ветры приводят к сильному перераспределению озона. Измерялось также количество озона от поверхности Земли до высоты в 1000 м. Оказалось, что ночью озон уменьшается не во всей затененной части атмосферы, а только от поверхности Земли до высоты 500 м. Здесь имеется сильный сток озона. Выше 500 м озон в течение ночи не только не уменьшается, а даже несколько увеличивается, несмотря на то, что там нет солнечного излучения. Измерения были выполнены в Швейцарии. Озонозонды устанавливались на привязанных аэростатах. Конечно, результаты экспериментов нельзя распространять на весь земной шар. Они, несомненно, зависят от характера местности, ветрового режима и т. д. Но они показывают, что по крайней мере в том месте, где эти измерения проводились, роль движений воздуха в распределении озона в тропосфере велика, видимо, значительно больше, чем роль фотохимических реакций, при которых образуется озон.
В каких процессах у земной поверхности озон разрушается? Поток озона, направленный вниз, в нижней тропосфере определяется его плотностью. Точнее, он равен плотности озона, умноженной на некоторое число, которое характеризует скорость разрушения озона. Направленный вниз поток озона пропорционален перепаду отношения смеси озона по высоте. А этот перепад пропорционален плотности озона на нулевой высоте. Поэтому и получаем, что нисходящий поток озона пропорционален плотности озона на поверхности Земли. Коэффициент пропорциональности и есть скорость разрушения озона. Чему он равен? Точные его величины, конечно, неизвестны. Но при определенных упрощениях и предположениях его можно оценить. В одной из моделей принимались такие величины скорости разрушения озона: над континентом — 0,60 см × с-1, над океаном — 0,04 см × с-1, над снегом — 0,02 см × с-1. Если считать эти величины достоверными и учесть, какая часть земной поверхности покрыта льдом, какая свободна ото льда и является сушей, а какая морем, то можно получить, что полная скорость разрушения озона во всем северном полушарии составляет 3,9