Озонные дыры и гибель человечества

Прежде чем рассмотреть, как движется воздух в земной атмосфере, полезно рассмотреть такой опыт. Наполним комнату или какую-нибудь камеру дымом для того, чтобы можно было наблюдать за движением воздуха (дым будет двигаться вместе с воздухом). Затем в одной части комнаты создадим вихри воздуха (дыма), закрученные в одну сторону, а в другой части комнаты — вихри дыма, закрученные в противоположную сторону. Известно, что движение воздуха (или другого газа), которое состоит из вихрей (вихри могут иметь разные размеры), является турбулентным. Имеется и другой тип движения газа — когда он движется ровной струйкой, без каких-либо завихрений. Такое движение называют ламинарным. Если скорость ламинарного движения увеличивается, то оно может превратиться в турбулентное. При этом ровная струйка дыма будет распадаться на отдельные колечки, завихрения. Установлен точный критерий тех условий, при которых совершается такой переход. Этот критерий записывают или так называемым числом Рэлея, или числом Ричардсона. Если число Рэлея превышает определенное критическое значение, то ламинарное течение превратится в турбулентное. Это критическое состояние перехода ламинарного течения в турбулентное определяется не только скоростью движения газа, но и его вязкостью. Если вязкость газа велика, то, естественно, образование вихрей происходит при меньших скоростях движения, нежели в тех случаях, когда вязкость газа мала.

Теперь вернемся к рассмотрению опыта с турбулентными движениями в комнате. Создадим посередине между двумя областями вихревых (турбулентных) движений движение воздуха в виде струи. Это струйное ламинарное течение воздуха будет разделять части комнаты, в которых имеется вихревое движение воздуха с противоположно закрученными вихрями. Затем будем поддерживать такую ситуацию как можно дольше, изменяя в возможных пределах скорости турбулентных движений и скорость воздушного струйного течения (но она все время должна быть меньше некоторого критического значения, чтобы не распасться и не образовать вихри).

Что дадут нам такие наблюдения? Главное из того, что мы увидим, — никогда воздушные вихри не пересекают ламинарного струйного течения воздуха. Эти течения являются своего рода неприкосновенными барьерами для турбулентных движений воздуха (или другого газа).

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.