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 «озон».
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.
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.