и перемешивают приземный воздух. На всех указанных высотах (30, 70 и 115 км) парциальное давление озона сравнивается. Днем воздух на этих высотах оказывается включенным в толщу атмосферы, которая хорошо перемешана.
Существуют и такие наблюдения, которые показывают, что на некоторых обсерваториях максимум плотности озона имеется ранним утром. Что это за обсерватория? Одна из них находится на высоте 3389 м над уровнем моря, это станция Мауна-Лоа на Гавайских островах. Другая обсерватория, Литл-Америка, находится в Антарктиде. Такой особый суточный ход плотности озона связан с местными ветрами. Ранним утром ветер наиболее силен, он течет вниз по склону. Он и заносит большую порцию озона в приземный слой в окрестности обсерватории и тем самым образует утренний максимум плотности озона.
Изменение плотности приземного озона в продолжение года можно проиллюстрировать на основании измерений озона на станции Валь-Жуайе (Франция).
Станция Валь-Жуайе находится в средних широтах. Чем характерен годовой ход? Плотность озона в летние месяцы больше, чем в зимние. Однако в годовом изменении плотности озона наблюдаются кратковременные, очень сильные увеличения плотности озона. Плотность озона может превышать 150 мкг × м-3, тогда как обычно она не превышает 40 мкг × м-3. Существование этих выбросов можно объяснить только одним — резко усилившимся переносом озона сверху вниз. Любопытными представляются наблюдения таких выбросов на станции ФРГ Хоэнпейс-сенберг 26 февраля 1971 года. Первое кратковременное повышение плотности озона до 150 мкг × м-3 наблюдалось во время сильного ветра (до 20 м × с-1) и снегопада. В то время проходил над станцией первый холодный фронт. Со вторым холодным фронтом (главным), который сопровождался сильным ветром и даже ливневым снегом, было связано второе огромное увеличение плотности озона (до 830 мкг × м-3!). За вторым холодным фронтом последовал третий, несколько более слабый. Он также сопровождался значительным увеличением плотности озона (до 500 мкг × м-3). В этих случаях грозовые механизмы не работали: не было ни грозы, ни молнии, и градиент электрического поля оставался нормальным. Очень важно отметить, что в тропосфере количество озона не менялось или, точнее, не отличалось от нормального. Это не очень понятно, поскольку происходило вторжение холодного воздуха из верхней тропосферы в нижнюю.
Летний максимум плотности приземного озона также обусловлен усиленным движением озона (со всем воздухом) из стратосферы в тропосферу и приземный слой. Эта волна озона наиболее медленно пробирается из стратосферы в верхнюю тропосферу. Об этом можно судить по сдвигу максимума озона в верхней тропосфере относительно стратосферного максимума. Тропосфера хорошо перемешана (особенно летом). Поэтому здесь эта стратосферная волна озона проходит вниз быстро. Зимой тропосфера чаще всего перемешана плохо. В ней наблюдается устойчивая стратификация (слоистость) воздуха. Такие условия не способствуют поступлению озона из стратосферы в тропосферу и приземный слой. Поэтому зимой плотность озона в приземном слое воздуха намного меньше, чем летом.
Годовой ход плотности приземного озона в высоких и низких широтах отличается. Оба полушария в смысле озона не одинаковы. Это вызвано тем, что в южном полушарии значительно меньше материков и больше водной поверхности. Напомним, что в стратосфере годовой ход обратный тому, который имеет место в нижней части тропосферы. Там максимум озона наблюдается зимой, а минимум — летом. Этот сдвиг в 6 месяцев и является задержкой нижнего максимума относительно верхнего. В высоких широтах северного полушария это запаздывание несколько меньше, чем в умеренных широтах. В высоких широтах, как и в умеренных, наблюдаются большие кратковременные увеличения плотности озона. Причина их та же, что и в умеренных широтах. Что касается южного полушария, то здесь эта задержка вообще отсутствует: максимумы в приземном озоне практически соответствуют по времени максимумам стратосферного озона. То же самое относится и к минимумам.
В изменении плотности озона в течение года проявляется пока что непонятная закономерность: плотность приземного озона в четные годы выше, чем в нечетные. На острове Кергелен это проявилось сильнее, чем в континентальной Европе (точнее, во Франции). Кстати, в стратосфере также наблюдается двухлетняя квазипериодичность озона. В стратосфере разных полушарий эта периодичность имеет разные знаки — положительный в одном и отрицательный в другом. Объяснить эту двухгодичную периодичность пока что трудно. Нелишне заметить, что она выявляется во многих земных процессах, а главное, в солнечной активности. Не вызывает сомнения, что именно солнечная активность является главным дирижером атмосферных периодичностей.
ОЗОН В ТРОПОСФЕРЕ
Тропосфера занимает промежуточное положение между стратосферой и приземным слоем воздуха. Образующийся в стратосфере под действием солнечного излучения озон опускается вниз, в тропосферу, и затем в приземный слой воздуха вплоть до самой земной поверхности и там активно разрушается. Такая схема очень проста и наглядна. Она правильна, но отражает весь процесс образования и динамики озона не полностью. В самой тропосфере имеются собственные источники и стоки озона. В приземном слое воздуха также образуется и собственный озон. Поэтому общая картина движения и распределения озона значительно усложняется.
Между стратосферой и нижележащей тропосферой озон должен преодолевать барьер — тропопаузу. Любопытно, что тропопауза представляет собой барьер далеко не для всех составляющих атмосферного газа. Так, СО2 тропопауза практически не мешает. Он распределен по высоте так, что какой-либо привязки этого распределения к тропопаузе не проявляется. В атмосферу из почвы попадает закись азота N2O. Она, как и метан СН4, который образуется в самой тропосфере, также меняется с высотой довольно плавно, как ниже тропопаузы, так и выше нее. Мы уже видели, что совсем по-другому реагирует на тропопаузу озон; на тропопаузе имеется четкий разрыв в высотном распределении озона. Еще более четкая связь проявляется между тропопаузой и водяным паром. В этом случае тропопауза является не просто барьером, а непроницаемой стенкой. Чем дольше живут молекулы данного вещества, тем больше у них шансов преодолеть тропопаузу. Время жизни молекул воды очень мало.
Вообще возникает правомочный вопрос, что такое в физическом плане представляет собой тропопауза. Несмотря на то, что некоторые вещества (как вода, озон) изменяются на тропопаузе скачком, нельзя считать, что это уровень, который представляет некоторую материальную поверхность, определяемую распределением частиц атмосферного газа. Тропопауза — это прежде всего граница, разделяющая две области, в каждой из которых имеются разные условия перемешивания и неустойчивости. Ну и, естественно, тропопауза разделяет области атмосферы, в которых условия лучистого баланса отличаются. По этим причинам тропопауза в тропических широтах значительно выше, чем в полярных.
Известно, что тропопауза не является неподвижной. Она меняет свое положение в незначительных пределах («дышит») или же значительно смещается по высоте. Если воздух медленно, но продолжительное время опускается вниз, то условия на высоте тропопаузы меняются, и постепенно вырисовывается новая тропопауза, которая расположена ниже прежней. Поэтому продолжительные вертикальные движения воздушных масс меняют и положение тропопаузы. Естественно, что при продолжительном медленном восходящем движении воздушной массы тропопауза через определенное время повышается. Таким образом, над холодным воздушным фронтом, в циклоне, происходит смещение тропопаузы вниз. Над теплым воздушным фронтом тропопауза поднимается вверх.
Кстати, циклонические движения воздуха (естественно, вместе с озоном) приводят к тому, что в тропосферу из стратосферы переносится примерно 8 × 1013 т воздуха (на всем земном шаре). Много это или мало? Это 5 % всего воздуха, который содержится в глобальной стратосфере.
Деление атмосферы на тропосферу и стратосферу проведено прежде всего по температурному принципу. Поэтому температурное различие (связанное с различием в излучательном режиме) является главным. Но при разных физических условиях (в частности, температуры) мелкомасштабная турбулентность развивается с разной эффективностью. Значит, турбулентность с разной эффективностью перемешивает атмосферный воздух. А роль перемешивания исключительно велика. Например, образовавшийся тонкий слой озона из-за перемешивания долго существовать не может. Он вскоре рассасывается, и высотное распределение озона выравнивается.
Таким образом, тропопауза является продуктом одновременного действия всех указанных факторов. Так, при нисходящем или восходящем движении воздушных масс положение тропопаузы меняется не только потому, что она сносится вверх или вниз. Одновременно действуют и другие процессы, которые всегда стремятся восстановить нарушенное равновесное состояние. При смещении тропопаузы меняется высотный профиль температуры, который до движения воздушных масс был равновесно установившимся. Лучистое равновесие этими движениями нарушается, поэтому радиационный процесс старается восстановить это равновесие. Это возможно только путем радиационного охлаждения атмосферного газа в этой части тропосферы. Но вышележащий воздух стратосферы также вынужден охлаждаться постепенно (непроницаемой тепловой границы между ними нет). Так и формируется новая структура (стратификация). Скорость указанных процессов такова, что заметное смещение тропопаузы может происходить только за несколько дней.
Наиболее выраженные упорядоченные нисходящие движения имеют место в субтропиках (на широте примерно 30о) в условиях антициклона. Это значит, что воздух стратосферы увлекается вниз. Но стратосферный воздух вторгается в тропосферу не только в субтропиках. Это происходит и на широтах 40–45