Озонные дыры и гибель человечества

Особую роль в обмене воздухом (а значит, и озоном) между стратосферой и тропосферой играют струйные течения в атмосфере. Двигаясь наклонно из стратосферы в тропосферу с огромными ускорениями и скоростями, сравнимыми со скоростью звука, они «разрывают» тропопаузу. В результате в этом месте значительно облегчается обмен воздухом между тропической и полярной стратосферой. Естественно, что при этом озон из полярной стратосферы успешно переносится в тропосферу более низких широт. В самой тропической тропосфере преобладают восходящие воздушные движения, поэтому ожидать, что здесь тропосферный озон будет переноситься вниз, в тропосферу, не приходится.

Как движения воздушных масс (циклоны, антициклоны, струйные течения и т. д.) связаны с озоном, мы детально рассмотрим позднее. Вначале рассмотрим, как распределен по высоте озон в тропосфере.

От распределения озона зависит, куда он будет двигаться. В каждом случае он (как и любой другой газ) будет двигаться так, чтобы распределение стало равновесным. Если бы силы везде действовали одинаково, то это равновесие достигалось бы при однородном, равномерном распределении озона (газа). Если силы действуют неравномерно (одна из сил — сила притяжения — направлена вниз, к Земле), то равновесное распределение не будет однородным. Кроме силы притяжения к Земле на озон (как и на любой газ в атмосфере Земли) будут действовать и другие силы. Главная сила связана с неоднородностью давления. Чем больше частиц газа (в данном объеме), тем больше их давление. Кроме того, чем больше температура газа в данном объеме, тем больше давление газа. Естественно, что газ будет устремляться от того места, где давление больше, к тому месту, где оно меньше. Этот процесс идет до тех пор, пока не наступит равновесие.

Поток озона в вертикальном направлении тем больше, чем более резко с высотой меняется плотность озона, или, другими словами, чем больше перепад плотности озона по высоте.

В средних широтах сезонные изменения тропосферного озона выглядят так. В июне — июле (летом) в северном полушарии наблюдается максимум как парциального давления озона, так и отношения его смеси. Но наступление этого максимума зависит от высоты в тропосфере, где он наблюдается. Чем выше, тем годичный максимум указанных характеристик озона наблюдается раньше. Это логично, поскольку первопричина этих изменений находится вверху и требуется определенное время для того, чтобы последствия ее действия сказались на определенном уровне. Чем ниже этот уровень, тем это время, естественно, дольше. Минимальные величины парциального давления озона и отношения смеси в году в нижней части тропосферы и в приземном слое воздуха наблюдаются в декабре — январе. В верхней тропосфере они наблюдаются раньше — в октябре — ноябре. Минимум в общем запасе озона в стратосфере наблюдается еще раньше. Так прослеживается причинно-следственная связь этих минимумов, которая имеет свое начало вверху, в стратосфере. Ясно, что запаздывание изменений озона внизу по отношению ко времени его изменения вверху зависит от времени жизни озона на этих уровнях. Если бы озон поступал сверху вниз моментально и очень быстро внизу исчезал (так же быстро, как и вверху), то никакого временного запаздывания в изменениях озона внизу по отношению к изменениям его вверху не было бы. Таким образом, чем медленнее разрушается озон в тропосфере, тем больше запаздывание. Время жизни озона (время его релаксации) зависит от физических условий. Поэтому оно различно на разных широтах. Например, в высоких широтах северного полушария это время равно примерно 40 суткам. По мере удаления от высоких широт к низким это время удлиняется. Этот рост времени жизни озона резко увеличивается, когда мы переходим из средних широт в приэкваториальную зону (30^о северной широты — 0^о северной широты). При переходе через экватор по направлению к Южному полюсу эти изменения времени жизни озона продолжаются. Выделяется полоса в южном полушарии между 30 и 60^о южной широты. Здесь время жизни озона растет по сравнению с таковым в высоких широтах медленнее, чем в экваториальной зоне. Оно достигает 90 суток, то есть более чем в 2 раза превышает время жизни в северных высоких широтах.

Сезонные изменения озона в тропосфере зависят от поступления озона сверху, из стратосферы, а также от того, как этот уже тропосферный озон перераспределяется горизонтальными движениями. Тут работают два фактора. Во-первых, в продолжение года меняется количество озона в стратосферном резервуаре. Если его там больше, то больше его поступит и в тропосферу. Во-вторых, канал стратосфера — тропосфера работает не одинаково эффективно в разные сезоны. Так, летом обмен воздухом (а значит, и озоном) между стратосферой и тропосферой усиливается. Зимой он меньше.

Сами сезонные изменения озона наиболее ощутимы в самой нижней части тропосферы. С ростом высоты (примерно до уровня 700 мбар) сезонное различие уменьшается. Но еще выше оно увеличивается.