пределении озона, на его общем содержании? Сильный ламинарный слой на высоте тропопаузы затрудняет поступление озона из стратосферы, где он образуется, в нижележащую тропосферу, где он может жить очень долго. Поэтому барьер в тропопаузе зимой не может не сказаться на общем содержании озона. Из-за того, что зимой ламинарный слой на тропопаузе сильнее затрудняет поступление озона в тропосферу из стратосферы путем турбулентного переноса и диффузии, общее содержание озона в тропосфере зимой в полтора раза меньше, чем летом. В жизни озона важную роль играет водяной пар. Он поступает в стратосферу снизу, из тропосферы. Ламинарный слой на тропопаузе задерживает и его, только не вниз, как озон, а вверх. Поэтому зимой в стратосфере водяного пара меньше, чем летом. Это же относится и к другим малым составляющим атмосферы, например к окиси углерода СО. Конечно, это не значит, что озон и другие малые составляющие вообще не проникают из стратосферы в тропосферу, и наоборот. Ламинарный слой затрудняет проникновение через тропопаузу мелких турбулентных вихрей. Измерение вертикального распределения озона действительно показывает, что на высоте ламинарного слоя озона очень мало. Поэтому этот уровень (область) назвали озонопаузой. Выше озонопаузы, то есть выше ламинарного слоя, количество озона резко увеличивается. Это та же ступень в распределении озона, которую мы уже встречали, только в данном случае она наблюдается не в широтном, а в высотном распределении озона. Наличие ламинарного слоя в любом месте в атмосфере обязательно сопровождается ступенью (скачком) в количестве озона. Это относится не только к крупномасштабным ламинарным слоям, которые мы уже рассмотрели выше, но и к меньшим по размерам, которые связаны, например, с тропическими циклонами.
Тропический циклон представляет собой своеобразную большую воронку, в которой воздух вращается вокруг некоторой центральной части, которую называют «глаз бури». На некотором удалении от глаза бури скорость движения воздуха (по кругу) достигает максимальной величины. При этом очень важно, что в этой области скорость ветра не меняется поперек этого конусообразного слоя. А это и есть условие образования ламинарного слоя. Значит, тропические циклоны (ураганы, тайфуны) приводят к образованию слоя конусообразной формы. Центральная часть циклона, совпадающая с глазом бури и окруженная ламинарным слоем, называется ламинарным столбом. Высота его достигает 10–15 км, а диаметр в верхней части — 50-200 км. Он ведет себя так же, как описанные выше ламинарные слои: не пропускает через себя турбулентные вихри и поэтому служит барьером для озона. О чем говорят наблюдения? Давно известно, что в центральной части тропического циклона, по нашей терминологии в ламинарном столбе, температура на несколько градусов (примерно на 5-12о) выше, чем на его периферии. Область повышенной температуры совпадает по всей высоте с ламинарным столбом, то есть простирается до 10–11 км и даже больше.
Ламинарный конусообразный слой вокруг глаза бури выполняет такую же роль, что и пленка (или стекло) в теплице, — он не позволяет переносить тепло посредством турбулентного движения. Кстати, парник является парником не потому, что его пленка (или стекло) пропускает одни лучи и не пропускает другие, как это принято считать, а именно потому, что стенки теплицы запрещают передачу тепла путем турбулентности. Таким образом, повышенная температура в центральной части тропического циклона имеет естественное объяснение: она обусловлена наличием там ламинарного столба. Что же касается распределения озона в центре тропического циклона и на его периферии, то наблюдения полностью подтверждают ту картину, которая должна быть вследствие ограничения, которое накладывает на движение воздуха ламинарный столб. Это значит, что в самом центре циклона, то есть в ламинарном столбе, озона мало — из периферии он сюда не заносится. Не поступает и сверху, из стратосферы. Измерения, выполненные приборами, установленными на самолетах непосредственно в глазу бури (ламинарном столбе), показывают, что там озона в несколько раз меньше, чем его имеется на этих высотах (9-16 км), когда нет ураганов. Кстати, водяного пара здесь очень мало по той же причине (дефицит влажности). Поэтому в глазу бури нет облаков, им не из чего образовываться.
Говоря о ламинарных слоях в атмосфере, нельзя оставить в стороне и полярный стратосферный вихрь, о котором, правда, уже говорилось во введении. Иногда его называют циркумполярным, видимо, для того, чтобы подчеркнуть его почти круговую форму. Во введении мы говорили, что в этот вихрь в Антарктике в зимне-осенний сезон не проникают воздушные массы из средних широт. Это происходит потому, что вихрь также окружен ламинарным слоем со всеми вытекающими отсюда последствиями.
Связь количества озона с погодой была обнаружена очень давно. Но только сейчас мы в состоянии связать динамику атмосферы с распределением озона и получить единую, глобальную картину циркуляции. В этой картине основные фронтовые поверхности воздушных масс образуются и развиваются в свободной атмосфере в результате образования ламинарных слоев. Но узкие полосы максимального ветра (то есть ламинарные слои) возникают не беспричинно, а потому, что температура атмосферы меняется определенным образом. Образование различных воздушных масс (тропической, умеренной и арктической, или полярной) связано с образованием ламинарных слоев. Конкретнее, оно связано с процессом макротурбулентного перемешивания в свободной атмосфере, которое возникает по обе стороны от линии с максимальной скоростью ветра (в ламинарном слое). Вдоль ламинарного слоя, или, что то же самое, вдоль фронтальной поверхности данной воздушной массы, происходит очень эффективное перемешивание воздуха. Это, естественно, имеет место по обе стороны от оси ламинарного слоя.
Из всего вышесказанного следует один очень важный для исследователей озона вывод: по метеорологической ситуации можно сказать, какое количество озона в данном месте должно быть. Точнее, для этого надо знать, какая именно воздушная масса (тропическая, умеренная или полярная) находится под этим пунктом, где проходит фронт воздушной массы — ламинарный слой. Знание синоптической картины позволяет судить о распределении озона, и, наоборот, распределение озона позволяет представить распределение воздушных масс и даже циклонов. Если в данном пункте наблюдения озона его содержание меняется, то это, без сомнения, происходит потому, что над этим пунктом одна воздушная масса сменилась другой. В тропическом поясе смена воздушной массы другой практически исключается (умеренная и полярная воздушные массы сюда не проникают), поэтому количество озона и его распределение здесь очень стабильны.
Границы данной воздушной массы, а значит, и область озона, которые характеризуются определенным его количеством, соответствующим этой воздушной массе, меняются не произвольно, а так, что площадь, занятая этой воздушной массой (а значит, и областью озона), остается неизменной. То есть воздушная масса (и соответствующая ей область озона) является единым образованием, которое устойчиво в пространстве и во времени.
Если использовать среднюю по полушарию широту границы воздушной массы, то можно прогнозировать среднее количество озона в данном месте. Такие прогнозы достаточно хорошо оправдываются. Собственно, можно прогнозировать не только среднемесячное значение озона, но и мгновенные его значения в данном пункте или регионе. Для этого надо располагать информацией об атмосфере на уровнях 300 и 200 гПа. По этим синоптическим картам можно восстановить распределение общего содержания озона в тропосфере в данном регионе.
РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ОЗОНА В АТМОСФЕРЕ
Теперь мы подошли к главному вопросу, который нас волнует, — как распределен озон в атмосфере Земли и в каких пределах меняется это распределение в разные часы суток, в разные сезоны года и т. д. Этот вопрос очень непростой. Сложность его возникает по нескольким причинам. Во-первых, озон имеется в разных слоях атмосферы — приземном слое, тропосфере, стратосфере, мезосфере. В каждом из этих слоев он рождается и погибает по своим законам. Так, в стратосфере он погибает быстро, а ниже, в тропосфере, он живет долго. Другими словами, в стратосферном озонном слое озон образуется эффективнее всего, но здесь же он и исчезает быстро. Тропосферный озон называют консервативным. Он существует значительно дольше. Озон в приземном слое воздуха имеет свои стоки и истоки. Образование его зависит как от подстилающей поверхности Земли, характера местности, так и от деятельности человека. То же относится и к скорости исчезновения озона в приземном слое воздуха. Положение усложняется еще и тем, что озон непрерывно перебегает от одного слоя к другому (как вниз, так и вверх). В результате озон, образовавшийся в стратосфере, достигает земной поверхности. С другой стороны, приземный озон поднимается вверх, в стратосферу. Конечно, не весь стратосферный озон попадает к Земле и не весь озон, образованный в приземном слое воздуха, поднимается вверх, в стратосферу и мезосферу. Часть его на различных этапах этого путешествия погибает.
Значит, нельзя рассматривать отдельно вертикальное распределение озона в каждом отдельном слое атмосферы. Надо всю атмосферу с озоном рассматривать как единое целое, единую систему, в которой отдельные слои и прослойки являются своего рода сообщающимися сосудами.
Необходимо рассматривать сразу всю атмосферу, поскольку озон (как и весь атмосферный газ) движется не только вверх-вниз, но и горизонтально и, что еще более важно, наклонно вверх и наклонно вниз. В разных местах на земном шаре атмосферный газ находится в различных физических условиях. Метеорологи говорят, что имеются различные воздушные массы (тропические, арктические и т. д.). Поэтому ни в коем случае нельзя не учитывать глобальное движение воздушных масс. Без этого мы не сможем получить глобальное распределение озона.
Тут же может возникнуть вопрос, как же могут образовываться области, в которых озона меньше, чем в соседних областях, или, другими словами, как при непрерывном движении озона и всего воздуха могут образовываться озонные дыры, как сейчас стали называть эти области. Могут. Одно другому здесь не противоречит. Но это будет рассмотрено позднее. Сейчас же рассмотрим, что нам известно о распределении озона в атмосфере.