Какое это имеет отношение к озону? Самое прямое, поскольку он переносится в глобальном масштабе воздушными массами. Если где-либо в атмосфере существуют ламинарные струйные течения, то они ограничивают турбулентное движение воздушных масс, а значит, они ограничивают и перенос озона.
Ламинарные потоки воздуха в атмосфере создаются в том случае, если скорость воздушного потока не меняется (или очень мало меняется) поперек самого потока. Если вы находитесь в центре воздушного ламинарного потока и смотрите точно вслед уходящему от вас воздуху, то и слева и справа от вас скорость такая же (или почти такая же), как и в том месте, где вы находитесь. То, что такие струйные потоки воздуха в атмосфере имеются, метеорологи знают давно. На любой синоптической карте они прежде всего ищут, где проходят струйные течения воздуха. По обе стороны от этих течений (мы рассматриваем картину в плоскости карты, то есть в горизонтальной плоскости) ситуация в атмосфере принципиально отличается. В области струйного течения (по оси) скорость ветра максимальна и мало меняется по мере удаления от оси струйного течения (то есть перпендикулярно оси).
Но за его пределами скорость ветра по мере удаления от струйного течения падает. Это значит, что если течение направлено с востока на запад или наоборот, то в направлении север — юг перепад скорости ветра по направлению к югу от течения будет иметь один знак (она будет уменьшаться), а севернее течения в том же южном направлении перепад скорости будет иметь противоположный знак. Эта разница в перепадах (градиентах) скорости ветра севернее и южнее струйного течения является определяющей для воздушных масс в этих регионах. Фактически именно из-за нее образуются две очень отличающиеся по свойствам воздушные массы.
Рассматривая картину только в горизонтальной плоскости, мы всю ситуацию значительно упростили (ради более четкого выделения ее особенностей). Но синоптики располагают не одной картой для всей атмосферы. У них имеются синоптические карты, показывающие ситуацию на разных уровнях в атмосфере. Эти уровни более логично определять не высотой над поверхностью Земли, а величиной атмосферного давления, которое определенным образом зависит от высоты. Просматривая такие карты для уровней, которые соответствуют атмосферному давлению, равному 500, 300 и 200 гПа (гектапаскаль), можно видеть, что никогда горизонтальные воздушные течения, скорость которых максимальна, не пересекают атмосферные вихри. Эти течения разделяют области атмосферы с вихрями, как это мы наблюдали в комнате с вихрями из дыма.
Карты (специалист сказал бы: «карты барической топографии поверхностей 500, 300 и 200 гПа») свидетельствуют о том, что ламинарное воздушное течение существует не только на определенной широте, но и на разных высотах. С изменением долготы может меняться и широта, то есть течение отнюдь не обязательно проходит вдоль линии постоянной широты, то есть вдоль параллели. Но это ламинарное течение воздуха имеет определенную структуру и по высоте: на разных высотах оно имеет разные характеристики. Для того, чтобы представить себе трехмерную, пространственную структуру ламинарных потоков в атмосфере, проследим, как изменяется скорость воздушных потоков с высотой. Если двигаться вверх от поверхности Земли, то скорость ветра растет. Максимальной величины скорости ветра достигают там, где кончается тропосфера и начинается стратосфера, то есть на границе тропосферы — в тропопаузе. Напомним, что этот уровень — это не просто игра в термины, а высота, ниже которой температура с ростом высоты уменьшается, а выше которой она с ростом высоты увеличивается. Кстати, этот перелом в высотном ходе температуры обусловлен только наличием озона выше этого уровня, то есть в стратосфере. Озон ловит солнечное излучение и превращает его в тепло, нагревая атмосферу на этих высотах.
Таким образом, факты говорят за то, что на этом переломном уровне в атмосфере (на тропопаузе) скорость ветра, направленного горизонтально, наибольшая, максимальная. Здесь, на тропопаузе, скорость поперек воздушного потока (в направлении вверх-вниз) меняется очень мало или вообще не меняется. Значит, условие образования ламинарного воздушного потока выполняется, поэтому на высоте тропопаузы должен существовать ламинарный воздушный поток, который препятствует турбулентному движению поперек себя, то есть через тропопаузу, или, другими словами, турбулентному обмену между стратосферой и тропосферой.
Метеорологи различают в каждом полушарии три различные воздушные массы: тропическую, умеренную (то есть умеренных, средних широт) и полярную (арктическую или антарктическую). На первый взгляд, это логично, поскольку в разных широтных поясах атмосфера по-разному нагревается солнечным излучением, поэтому должны быть разными и ее свойства, в том числе и характер движения. Но из этого факта отнюдь не следует, что должны быть резкие границы между воздушными массами на указанных широтах (низких, средних и высоких). Правда, по наблюдениям, эти границы почти непрерывно смещаются туда и обратно от некоторого среднего значения. Что это за границы, чем они создаются и чем регулируются? Они образуются ламинарными потоками воздуха (струйными течениями), о которых говорилось выше. Таким образом, в каждом полушарии имеются три «сосуда» с воздухом, которые отделены друг от друга подвижными перегородками — ламинарными потоками. Эти «перегородки» почти непроницаемы для турбулентных вихрей различных размеров (от сотен до тысяч километров). Эти сосуды (широтные воздушные массы) имеют определенную автономию. Не показательно ли, что пыль (аэрозоли), выброшенная в стратосферу после извержения вулкана Святая Елена (Сент-Хеленс) 18 мая 1980 года, в продолжение нескольких месяцев находилась в пределах своего широтного пояса (между 25 и 55о северной широты). Она не могла выйти за пределы ламинарных потоков, которые ограничивали этот пояс с юга и севера. Кстати, ламинарные потоки не пропускают через себя не только турбулентные потоки, но и диффузионные, то есть перемещение вещества (той же вулканической пыли) путем диффузии. То же самое продемонстрировало и взрывное облако пыли, выброшенное в стратосферу вулканом Эль-Чичон (Мексика) 4 апреля 1982 года. Это облако, в отличие от описанного выше, находилось в тропической воздушной массе, за пределы которой пыль этого облака так и не вышла, хотя за три недели облако обошло весь земной шар.
Таким образом, на крупномасштабные турбулентные движения воздуха в земной атмосфере в глобальном масштабе наложены весьма существенные ограничения. Этими ограничениями служат ламинарные слои. Ламинарные слои практически совпадают со струйными течениями. В каждом полушарии имеются субтропические струйные течения, отделяющие низкоширотную атмосферу от высокоширотной, и полярно-фронтовые струйные течения, которые являются вторым барьером, отделяющим фронт полярных воздушных масс от воздушных масс средних (умеренных) широт. Кроме того, имеется глобальный ламинарный слой, который разделяет стратосферу и нижележащую тропосферу и также затрудняет переход турбулентных движений через него, то есть через тропопаузу.
Для нас прежде всего интересно, как наличие всех этих барьеров — ламинарных слоев — скажется на распределении озона в атмосфере. О чем говорят экспериментальные данные? В пределах тропического пояса озона меньше всего. В высоких широтах — больше всего. Но увеличивается количество озона по мере продвижения от экватора к полюсу (полюсам) не постепенно, а скачками. В пределах тропического пояса количество озона практически не зависит от широты. Затем на некоторой широте его количество скачков увеличивается. Что это за широта? Это та широта, на которой находится ламинарный слой, отделяющий тропическую воздушную массу от воздушной массы умеренных широт. Эта широта не постоянна, она смещается к югу и к северу относительно некоторого среднего значения. Так пульсирует положение этого ламинарного слоя.
В северном полушарии к северу от него озона значительно больше, чем к югу. Поэтому этот слой по его действию на озон проявляется как плотина. Легко сообразить, что имеется вторая такая же плотина в северном полушарии. Это второй ламинарный слой, который отделяет умеренную воздушную массу от полярной. Севернее этой плотины (порога) озона еще больше. Таким образом, именно крупномасштабные ламинарные слои являются причиной того, что количество озона при движении от полюса к экватору (и, конечно, наоборот) меняется ступенями. Ширина этих ступеней непрерывно меняется, но не произвольно, а в соответствии с глобальной динамикой атмосферы. Высота этих ступеней, то есть перепад в количестве озона по обе стороны ламинарного потока, также меняется, но всегда остается достаточной большой. Так, например, по данным за период 1974–1976 годов, этот перепад в общем содержании озона достигает примерно 40 Д.Е. А это очень даже немало, если учесть, что это составляет десятки процентов от общего количества озона (в столбе атмосферы). В зависимости от сезонов года меняется и глобальная циркуляция атмосферы, меняются и ламинарные слои. Причем меняется не только прочность этих барьеров, перегородок, но и их положение. Так, весной ступенчатость широтного распределения общего содержания озона в несколько раз более ярко выражена, чем осенью. Осенью общее количество озона во всех трех широтных поясах меньше, чем весной. Практически пояс значительно расширяется, поскольку ламинарный слой смещается значительно к северу (по сравнению с его положением весной). Но при этом и перепады (ступени) при переходе из одного пояса в другой значительно (в несколько раз) ниже, чем весной. Такие изменения наблюдались на широтах вдоль меридиана 60о восточной долготы. На других долготах широтное распределение общего содержания озона может отличаться от описанного выше, но принципиальные черты будут такими же.
Что касается ламинарного слоя на уровне тропопаузы, который делит воздушные массы в вертикальном направлении, то он также зависит от сезона года. Это происходит по той же причине: меняется динамика атмосферы. Так, зимой на высоте тропопаузы скорость горизонтальных ветров в несколько раз больше, чем летом. Поэтому зимой ламинарный слой на тропопаузе сильнее, чем летом. Поскольку зимой ветры на тропопаузе сильнее, чем летом, и, кроме того, занимают большие площади, то и ламинарный слой зимой более мощный и более устойчивый, чем летом. Как это скажется на рас