Роль озона в атмосфере


Составляющие атмосферу газы имеют разный удельный вес. Самым тяжелым является азот, самым легким — водород. Теоретические расче­ты показали, что в газовой смеси, которую представляет атмосфера, каж­дый газ ведет себя так, как если бы он один окружал земной шар. Это побудило считать, что с высотой состав земной атмосферы должен сильно меняться: внизу, у поверхности Земли, в наибольшем количестве должен находиться азот (так оно и есть на самом деле), а по мере поднятия вверх его должно становиться все меньше и меньше и во все больших ко­личествах должны встречаться легкие газы. По этим предположениям на больших высотах атмосфера должна целиком состоять из во­дорода.

Для подтверждения этого и для определения изменения состава воз­духа с высотой при подъеме стратостатов брались пробы воздуха в спе­циальные аппараты. Первый же подъем стратостата «СССР-I» в 1933 го­ду дал такие неожиданные результаты, что даже конструктор этих аппа­ратов решил, что в баллон для взятия проб случайно попал воздух еще на Земле; оказалось, что состав воздуха в баллоне ничем не отличался от обычного его состава у поверхности Земли. Подъемы других стратостатов, взятие проб воздуха с больших высот с помощью зондов, исследования другими методами подтвердили, что приборы на стратостате «СССР-I» ра­ботали исправно. Теперь с большой достоверностью установлено, что атмосфера перемешана не только до высот, достигнутых стратостатами, но и во много раз их превосходящих, во всяком случае до 150-200 кило­метров. Недавно получены сведения, что состав атмосферы существенно не изменяется и до ее верхних пределов.

Но есть один газ в атмосфере, который ведет себя несколько по-ино­му, и хотя находится в ней в ничтожных количествах, но играет очень большую роль в развитии многих совершающихся в ней процессов. Речь идет об озоне.

Для того чтобы нам легче было разобраться в связанных с ним яв­лениях, нужно вспомнить о структуре солнечного спектра, распределении в нем лучей с различной длиной волн, существовании инфракрасных и ультрафиолетовых лучей.

Ученые давно установили, что солнечный спектр постоянно обрывает­ся в ультрафиолетовой части на одной и той же длине волны. Атмосфера оказалась непрозрачной для еще более коротких волн. Причина этого долго оставалась непонятной, так как внизу в составе атмосферы не был известен газ, который не пропускал бы ультрафиолетовых лучей. Наконец, в 1840 году в одной из физических лабораторий такой газ был найден. Разлагая воду на ее составные части — кислород и водород, удалось по­лучить новый газ, обладающий чрезвычайно сильным характерным запа­хом. Его так и назвали «сильно пахнущим», по-гречески «о з о н».

Известно, что атомы различных веществ могут входить в соединения между собой точно так же, как и атомы одного вещества. Образуются более крупные частицы — молекулы. Например, два атома водорода, сое­диненные вместе, дают молекулу водорода. Если к ним прибавить еще один атом кислорода, то получается молекула обычной воды. Два атома кислорода, соединившись вместе, дают молекулу «обычного» кислорода, известного нам вблизи поверхности Земли.

Но при некоторых процессах молекула кислорода распадается на два самостоятельных атома. Если после этого они опять соединятся вместе, восстанавливается молекула кислорода. В некоторых же условиях отде­лившийся атом кислорода соединяется с целой, «нормальной» его моле­кулой, имеющей, как мы знаем, два атома. Образуется новая молекула, состоящая из трех атомов. Этот трехатомный кислород и есть озон, обла­дающий значительно большей окисляющей способностью, чем обычный двухатомный кислород.

Каковы же причины, вызывающие дробление молекул кислорода? Одна из причин была указана выше — это электрический разряд. В тро­посфере образование озона часто действительно вызывается грозовым разрядом (молнией).

Второй причиной являются ультрафиолетовые лучи Солнца. Они разъединяют молекулы кислорода на составляющие их атомы; последние, соединяясь порознь с сохранившимися двухатомными молекулами, об­разуют молекулы озона.

Этот сложный процесс происходит в слоях атмосферы, расположен­ных на высоте 20-55 километров. Оказывается, что основная доля энер­гии ультрафиолетовых лучей расходуется на образование озона, другая поглощается, поэтому к поверхности Земли ультрафиолетовые лучи про­никают в ничтожном количестве. Вот почему озона так мало у поверхно­сти Земли и значительно больше в высоких слоях атмосферы, вот почему спектр Солнца постоянно обрывается в его коротковолновой части на од­ной и той же длине волны.

Самую большую плотность озона мы находим на высоте 25-30 кило­метров. Правда, и здесь его очень немного. Если бы с поверхности Зем­ли убрать все другие газы и оставить один озон, то он смог бы окутать весь земной шар тонкой пленкой толщиной всего в 3 метра. И все же значение его огромно. Если бы весь озон внезапно исчез из атмосферы, то все растения и животные были бы сожжены ультрафиолетовыми лу­чами Солнца.

Над разными широтами количество озона в атмосфере различно. Меньше всего озона в атмосфере над экватором и больше всего над по­лярными районами. Количество озона меняется и по сезонам: весной его больше, осенью — меньше.

Но значение озона не ограничивается тем, что он служит «преградой» для проникновения солнечных лучей к земной поверхности. Его присутствие обеспечивает то распределение температуры в стратосфере, которое оказалось таким неожиданным при первых наблюдениях, а именно — ее повышение в слоях от 30 до 40-55 ки­лометров.

Как мы знаем, тепловое излучение Земли поглощается водяным паром и углекислотой. В достаточном количе­стве водяной пар имеется только в тропосфере, но и здесь он поглощает земное излучение не полностью. На рис. 17 показано распределение энергии, приходящей с солнечными лучами и идущей от поверхности Земли, а так­же величина поглощения последней в стратосфере водяным паром и углеки­слотой. На графике указано также по­глощение озоном длинноволнового из­лучения Земли. Мы видим, что поглощение озоном очень велико и при­ходится оно на участки наибольшей энергии в спектре; это сразу объяс­няет многое в температурном режиме стратосферы.

В тропосфере водяного пара много, а озона мало. В стратосфере водяной пар находится в ничтожном количестве, а озона выше тропопа­узы постепенно становится «много». Это слово взято нами в кавычках, так как вообще-то количество озона ничтожно.

Только что мы выяснили, что именно озон сильно поглощает в стратосфере те тепловые лучи, которые пропускают водяной пар и угле­кислота в тропосфере. Это и является источником нагревания стратосфе­ры. Наблюдаемая более высокая температура стратосферы над полярны­ми областями и низкая над экватором, точно так же как и ее сезонный ход, объясняются соответствующим распределением озона.

Повышение температуры, начинающееся приблизительно от 30 кило­метров, продолжается до 40—55 километров, где находится верхняя часть озонного слоя. Хотя здесь озона и меньше, чем на более низких уровнях, но именно эта часть слоя, обращенная к Солнцу, нагревается сильно по­глощаемыми ею ультрафиолетовыми лучами.

Повышение температуры в озонном слое стратосферы достигает очень большой величины. Если в тропопаузе и в нижних слоях стратосферы температура близка к минус 50-60 градусам, то на высоте около 40-50 километров она повышается до плюс 40-50 градусов. Выше 50 километров температура вновь падает, достигая самых низких во всей земной атмосфере значений минус 70-80 градусов у верхней границы; стратосферы.

Повышение температуры на высоте около 40-50 километров под­тверждается еще и другими данными. 9 мая 1920 года в Москве произошел сильный взрыв артиллерийских складов. Звук от взрыва был хорошо слышен вблизи Москвы — на расстоянии до 60 километров, и затем снова на большом расстоянии в пунктах, расположенных кольцом вокруг горо­да. Между этими двумя зонами слышимости имелась «зона молчания» шириной около 100 километров, где взрыв совсем не был слышен (рис. 18).

Профессор В. И. Виткевич исследовал это явление и пришел к вы­воду, что такое распределение слышимости звука может наблюдаться только при условии его отражения от слоев атмосферы, расположенных на высоте 40-50 километров (нижняя часть рисунка). Но при этом темпе­ратура отражающих слоев должна быть около плюс 40-50 градусов по Цельсию или более. Таким образом, подтвердилось описанное ранее рас­пределение температуры в стратосфере.

Впоследствии для исследования этого явления сильные взрывы де­лались умышленно, изучалась слышимость артиллерийской стрельбы и во всех случаях получались такие же результаты.

Уже не раз говорилось о совершенно ничтожных количествах водяно­го пара в стратосфере. И все же изредка в ней появляют­ся облака. Наиболее низ­кие из них располагают­ся на высоте 22-30 ки­лометров. Из-за их бле­стящей радужной окраски они были названы «перла­мутровыми». Богатство цве­тов перламутровых облаков и их блеск заставляют прийти к выводу, что они состоят из переохлажден­ных капелек воды или ледя­ных кристаллов, то есть сходны по строенью с вы­сокими облаками тропосфе­ры. Следовательно, и на этих высотах в страто­сфере не только есть во­дяной пар, но несомненны и подъемы воздуха, вызывающие его дополнитель­ное охлаждение и конден­сацию содержащегося в нем водяного пара. Скорость дви­жения перламутровых обла­ков различна. Иногда они почти неподвижны, иногда несутся по небу со скоростью до 75 метров в секунду (270 километров в час). Летом преобладают движения с востока, зимой с запада.