ЧАСТЬ ПЯТАЯ

ОЗОННЫЙ СЛОЙ И

БИОСФЕРА

МАЛЫЕ ПРИМЕСИ В СТРАТОСФЕРЕ

Вещества, которых в атмосфере во много раз меньше, чем основных газов (кислорода, азота и др.), называют малыми примесями. Большинство из них играет очень важную роль в жизни атмосферы, несмотря на то, что их там относительно мало. Малые примеси оказывают влияние на тепловой режим атмосферы, на ее состав. Они участвуют в разрушении озона. Некоторые из малых примесей атмосферы увеличиваются за счет выбросов промышленных и бытовых установок. Поскольку они связаны с деятельностью человека, то говорят, что эти примеси имеют антропогенное, то есть связанное с деятельностью человека происхождение.

Малые примеси в стратосфере естественного происхождения следующие: молекулярный водород, водяной пар, гидроксил, метан, закись азота, окись азота, двуокись азота, азотная кислота, хлористый водород и др. Эти же примеси имеют и антропогенное происхождение. Что мы знаем о них?

Молекулярный водород содержится в тропосфере и стратосфере в незначительных количествах. В тропосфере северного полушария молекулярного водорода несколько больше, чем в южном полушарии. Видимо, это обусловлено искусственными выбросами в атмосферу (в северном полушарии таких выбросов больше). В течение года количество молекулярного водорода в тропосфере меняется незначительно, не более чем на 10 %. Концентрация молекулярного водорода увеличивается в стратосфере на высотах 27–28 км. Здесь молекулярный водород образуется в результате окисления метана. Отношение смеси его достигает (0,6–0,8) × 10^-8. Глобально осредненная величина отношения смеси молекулярного водорода в тропосфере составляет 0,503 × 10^-6.

В нижней стратосфере и тропосфере отношение смеси молекулярного водорода примерно одинаковое. Это значит, что на этих высотах отсутствуют высотные перепады отношения смеси молекулярного водорода.

Очень важную роль в разрушении озона играет водяной пар. Эта роль реализуется через молекулы гидроксила ОН, которые рождаются из молекул воды и в конце концов превращаются в них. Поэтому от количества водяного пара (воды) в стратосфере зависит количество молекул гидроксила ОН, от которого в свою очередь зависит скорость разрушения озона.

Водяной пар поступает в стратосферу снизу, из тропосферы. Наиболее эффективно это происходит в низких (тропических) широтах. Здесь тропосфера простирается значительно выше, чем в средних и тем более в высоких широтах. Ее верхняя граница (тропопауза) в тропических широтах достигает высоты 17–18 км. На полюсах тропосфера заканчивается на высоте около 8 км. Выше этого уровня находится стратосфера. Поскольку в тропиках стратосфера находится очень высоко, водяной пар здесь эффективно проникает в стратосферу. Таким путем, то есть из тропосферы в стратосферу, поступает в продолжение года от 0,33 до 1,13 миллиарда тонн воды.

На высотах 17–18 км, где находится граница между тропосферой и стратосферой в тропиках, температура воздуха понижается до — 80^оС и ниже. Воздух может содержать только такое количество водяного пара, при котором достигается условие насыщения. Остальной водяной пар вынужден образовывать водяные капли, то есть конденсироваться. Это значит, что излишки воды в тропической тропосфере выпадают в виде осадков. Это особые условия, лимитирующие количество воды в воздухе. Они реализуются именно в тропиках потому, что здесь тропосфера поднимается очень высоко, в область очень низких температур. Поэтому здесь образуется своего рода «холодная ловушка» для водяного пара. Он не только «отлавливается», но и удаляется из тропосферы в виде осадков. Но того водяного пара, который там остается, вполне достаточно, чтобы обеспечить непрерывное снабжение им стратосферы. Надо иметь в виду, что мощные конвективные облака, содержащие большое количество воды, проникают своей верхней частью в стратосферу (примерно на 4 км). Так водяной пар эффективно заносится в стратосферу.

Наиболее эффективно переносится водяной пар снизу вверх, то есть из тропосферы в стратосферу, в тех местах, где разграничивающая их тропопауза разрушена. Как известно, разрушают тропопаузу струйные течения. В этих местах водяной пар эффективно поступает в стратосферу снизу. В этих областях скорость поступления водяного пара примерно втрое больше, чем в других местах, где тропопауза цела, не разрушена.

Водяной пар не только поступает в стратосферу снизу, из тропосферы. Он также образуется непосредственно в стратосфере. Как уже было сказано, он образуется в процессе окисления метана. Таким путем образуется в стратосфере до 0,5 миллиарда тонн водяного пара ежегодно. Роль водяного пара в стратосфере очень велика. Поэтому проводятся непрерывные измерения его количества на разных высотах различными методами. Эти измерения позволяют нарисовать общую картину распределения водяного пара в стратосфере. Наиболее любопытной оказалась слоистая структура распределения водяного пара около высоты 25 км. Здесь были обнаружены слои толщиной в 1–2 км, в которых влажность значительно (в 2–3 раза) повышена. В полярных районах создаются условия, при которых образуются стратосферные облака.

В высоких и средних широтах водяной пар распределен по высоте по-разному. В полярных районах большое его количество находится в самой нижней части стратосферы на высотах 10–11 км. Здесь его в несколько раз больше, чем в нижней части стратосферы средних широт.

Распределение водяного пара зависит от широты не только в нижней стратосфере. Наибольшее количество водяного пара во всей стратосфере имеется в экваториальной зоне. Это естественно, поскольку здесь он наиболее эффективно поступает снизу, из тропосферы. Имеются еще две зоны, в которых водяного пара в стратосфере больше. Они расположены примерно на широтах 40^о в северном и южном полушариях. Именно на этих широтах наиболее интенсивные струйные течения. Они-то и способствуют проникновению водяного пара из тропосферы в стратосферу через разрушенную ими тропопаузу.

Количество водяного пара в стратосфере меняется также с сезоном. В северном полушарии наибольшая величина отношения смеси водяного пара наблюдается в октябре (на высотах с давлением 100 — 80 мбар) и в марте на уровне 70–50 мбар. Собственно, такое изменение вполне объяснимо. Оно вызвано сезонным изменением высоты тропической тропопаузы, а также изменением с сезоном температуры в верхней части тропической тропосферы.

Водяной пар переносится от тропической зоны к средним и высоким широтам (то есть по меридиану) очень медленно. Скорость этого переноса составляет всего около 20 см/с. Поэтому на «путешествие» водяного пара от тропической зоны к средним широтам уходит несколько месяцев.

Так, в августе в тропической зоне водяного пара больше потому, что температура тропосферы на высотах 27–28 км в это время там достигает — 80^оС. Но это изобилие водяного пара будет ощущаться на малых высотах в средних широтах только в октябре. На больших высотах, где атмосферное давление меньше, скорость распространения водяного пара по меридиану меньше. Поэтому на уровнях, где давление равно 70–50 мбар, августовское увеличение водяного пара в тропиках дойдет до средних широт только через полгода, то есть оно будет ощущаться только в марте. Измерения это подтверждают.

Во всех атмосферных процессах четко выявляется период, равный двум годам, то есть двухлетний период (цикл). С таким двухлетним периодом меняется высота тропопаузы. Соответствующим образом изменяется и количество водяного пара в стратосфере. Измерения водяного пара в стратосфере над Вашингтоном, начатые в 1964 году, показали, что за период до 1969 года количество водяного пара здесь увеличилось примерно в полтора раза. После 1970 года оно менялось. Увеличение водяного пара автоматически означает увеличение гидроксила ОН, который образуется из водяного пара. Далее, чем больше гидроксила, тем должно быть меньше озона, поскольку озон разрушается гидроксилом. Значит, озона должно было наблюдаться тем меньше, чем больше наблюдалось водяного пара. Однако измерения дали парадоксальные факты: количество общего содержания озона не только не уменьшилось, но даже увеличилось. Это значит, что в наших расчетах разрушения озона что-то еще не учитывается. Кстати, в тех местах на земном шаре, где на высотах 16–28 км водяного пара было больше, общее содержание озона было также увеличено. Это требует пересмотра наших представлений о механизмах разрушения озона, а главное, указывает на необходимость пополнения наших знаний о всех составляющих атмосферы и процессах, которые в ней протекают. Молекулы воды живут в тропосфере и стратосфере долго. Они за время своей жизни успевают преодолевать огромные расстояния. Образованный из молекулы воды гидроксил ОН (это своего рода «обломок» молекулы воды) живет очень недолго, всего несколько секунд. В этом виноват он сам, его чрезмерная активность, которая стоит ему жизни. Вступая в реакции с другими составляющими атмосферы, он перестает существовать как таковой — образуются новые соединения. Естественно, что в результате этого количество гидроксила меняется очень сильно и очень быстро в зависимости от условий в атмосфере и от ее состава.