Озон в атмосфере. Подробное описание

Озон занимает почти всю стратосферу. Он является самым важным газом в этой сфере. Молекула озона состоит из трех атомов кислорода. Образуется озон преимущественно в верхней стратосфере под действием ультрафиолетовой солнечной радиации. В нижней стратосфере содержание озона связано с поступлением его из верхних слоев путем диффузии, а в основном — в результате вертикальных движений воздуха.

Общее содержание озона в атмосфере невелико. Весь озон в атмосфере определяется слоем толщиной 2—3 мм. Наибольшая его концентрация в среднем приходится на слой 20—30 км. Озон играет ведущую роль в формировании сезонного режима температуры и циркуляции воздуха в стратосфере. Количество озона неодинаково над различными широтами Земли. В средней и нижней стратосфере его больше, чем в верхней (рис. 2).

Рис. 2. Среднее вертикальное распределение озона (мкмб) на земном шаре за 1956—1966 гг.

Наибольшее его количество наблюдается весной в высоких широтах. На рис 2—4 изображено среднее годовое количество озона по вертикали в мкмб за 1956—1966 гг. по Р. Д. Божкову. Как следует из рис. 2, в тропосфере и верхней стратосфере его мало. Наибольшая концентрация озона приходится на слой вблизи 25 км высоты.

В весенние месяцы озона много в нижней стратосфере обоих полушарий (рис. 3), осенью, наоборот, меньше (рис. 4). Кроме сезонных, характерны и непериодические колебания, которые, по-видимому, зависят от горизонтальной и вертикальной составляющих атмосферной циркуляции.

Рис. 3. Среднее вертикальное распределение озона на земном шаре в марте—апреле

До последних лет удавалось измерять лишь общее количество озона, но уже создана аппаратура для измерения распределения количества его на различных высотах. На рис. 5 приведены примеры изменения количества озона и температуры с высотой в Нью-Мексико осенью в тропической зоне и Черчилле на севере умеренной зоны в начале марта.

Рис. 4. Среднее вертикальное распределение озона на земном шаре в сентябре—октябре

В соответствии с широтой и временем года общее содержание озона в Нью-Мексико составляло 242 мкмб, а в Черчилле- 520 мкмб. Интересно также, что наибольшая концентрация озона в тропической зоне находилась на высотах 23— 25 км, а в умеренной зоне на 17—18 км. На рис. 5 приведены также кривые изменения температуры с высотой. Первая типична для тропической зоны на материках в зимние месяцы.

Рис. 5. Распределение количества озона и температуры с высотой в Нью-Мексико, 9 октября 1963 г. (а) и в Черчилле, 4 марта 1964 г. (б)

С измерением количества озона на различных высотах появилась новая возможность изучения причин его повседневных изменений. Очевидно, изменение количества озона сопровождается изменениями температуры и находится в зависимости от горизонтальной и вертикальной циркуляции воздуха. В частности, при северном ветре количество озона возрастает, а при южном — убывает. Однако, как показывают наблюдения, не во всех случаях изменение общего количества озона можно объяснить горизонтальной адвекцией воздуха.

Причины образования озона, по-видимому, нельзя считать окончательно выясненными. Как было сказано выше, максимум концентрации озона расположен в среднем на высотах 20—24 км. Общее количество озона и его годовой ход возрастает от экваториальной зоны к высоким широтам.

При этом максимумы концентрации озона у экватора и в полярной зоне расположены на разных высотах. Некоторые исследователи считают, что ультрафиолетовая радиация не достигает уровня 20—24 км, где расположен максимум озона, и делают вывод, что образование озона вызвано не ультрафиолетовой радиацией Солнца. Приводятся и другие доводы против влияния ультрафиолетовой радиации на образование озона и высказано предположение, что в создании озона большую роль играют космические лучи.

В последнее время выдвинута гипотеза о возможности образования озона в мезосфере и сделано предположение, что большое его количество содержится вблизи мезопаузы. Предполагается также, что в этом слое он играет важную роль в балансе энергии в нижней термосфере. Если это правильно, то возможно, что большие вертикальные движения воздуха в стратосфере—мезосфере оказывают немалое влияние на распределение озона по вертикали.

Мезосфера. Наблюдениями с помощью метеорологических ракет, как и косвенными методами, установлено, что общее повышение температуры, наблюдающееся в стратосфере, заканчивается на высотах 50—55 км. Выше этого слоя температура вновь понижается и у верхней границы мезосферы (около 80 км) достигает —60, —100° С. Далее вновь происходит повышение температуры с высотой.

Интересно отметить, что характерное для мезосферы понижение температуры с высотой происходит неодинаково на различных широтах и в течение года. В низких широтах температура падает медленнее, чем в высоких: средний для мезосферы вертикальный градиент температуры равен соответственно 0,23° и 0,З1 на 100 м или 2,3° и 3,1° на 1 км. Летом он значительно больше, чем зимой.

Как показали новейшие исследования в высоких широтах, температура на верхней границе мезосферы летом на несколько десятков градусов ниже, чем зимой.

В соответствии с меридиональным распределением температуры, в нижней мезосфере в течение всего года наблюдается термический ветер восточной четверти. В результате действия термического ветра, в этом слое западные ветры зимой с высотой ослабевают, а восточные ветры летом усиливаются. Характер циркуляции воздуха в нижней мезосфере мало отличается от циркуляции его в стратосфере.

На высоте 80 км расположена мезопауза — переходный слой между стратосферой и мезосферой. На этой высоте иногда наблюдаются облака, носящие название серебристых. Они чаще всего появляются летом. Природа их еще недостаточно изучена. Предполагается, что они состоят из пылевых частиц.

Термосфера. В этой сфере происходит интенсивное поглощение ультрафиолетового излучения Солнца, нагрев и ионизация атмосферы. В термосфере характерно быстрое повышение температуры с высотой. Уже на высоте около 100 км температура переходит через 0°С, в слое 150—200 км она достигает 500° С, а на-уровне 500—600 км превышает 1500° С. На основе данных, полученных при запусках искусственных спутников Земли, найдено, что в верхней термосфере температура достигает почти 2000° С.

Такая высокая температура в термосфере определяется большой скоростью движения молекул. В нижней, наиболее плотной части атмосферы молекулы газов, составляющих воздух, при движении часто сталкиваются между собой и мгновенно передают друг другу кинетическую энергию. Поэтому кинетическая энергия в плотной среде в среднем одна и та же.

В высоких, слоях, где плотность воздуха очень мала, столкновения между молекулами, находящимися на больших расстояниях, происходят реже. При поглощении энергии скорость молекул в промежутке между столкновениями сильно изменяется, к тому же молекулы более легких газов движутся с большой скоростью, чем молекулы тяжелых газов. Вследствие этого температура газов может быть различна.

В разреженной газовой среде сравнительно немного молекул, и если они движутся с большими скоростями, то и температура в данном объеме воздуха будет велика. В термосфере на высоте 300 км в 1 см³ воздуха содержится только 27 • 10⁸ молекул различных газов, в то время как у поверхности земли — около 27 х 10¹⁸ молекул. Иначе говоря, плотность воздуха, как и давление его, быстро убывает с высотой. Если принять плотность у поверхности земли за единицу, то на высоте 50 км она равна 1 • 10^-6, на 500 км 1 • 10^-12, а на 1000 км практически она равна 0.

Вблизи поверхности земли в 1 см³ воздуха происходит в секунду 100 млн. соударений частиц, а в термосфере свободный пробег частицы без столкновения с другими определяется сотнями километров.

Имеющиеся сведения о термосфере еще недостаточны для выводов о ее строении, режиме и процессах, развивающихся в ней. Однако уже известно, что на режим температуры термосферы большое влияние оказывает ультрафиолетовая, корпускулярная и рентгеновская радиация Солнца.

Предполагается, что колебания температуры в этой сфере связаны с изменением солнечной активности и что при максимальной и минимальной активности Солнца разность температуры достигает сотен градусов. Температура в термосфере изменяется и в течение суток. В верхней термосфере разность температуры в светлое и темное время суток достигает около 100°. В соответствии с колебаниями температуры неустойчивы здесь и ветры.

Поверхность, отделяющая термосферу от вышележащей экзосферы, называется термопаузой. Она испытывает большие колебания в зависимости от изменения солнечной активности и других факторов. По вертикали эти колебания достигают 100—200 км и более.