Чтобы установить, сколько разрушается озона у всей земной поверхности, надо знать скорость его разрушения на каждом клочке земной поверхности. Поскольку скорость разрушения озона зависит от характера местности, растительности, ветров, температуры и т. д., то ясно, что она в разных местах может сильно отличаться. Надо еще добавить, что зимой значительная часть континентов и замерзшего океана покрыта снегом. Но мы мало знаем о скорости разрушения озона над снежной поверхностью, как и надо льдом. Поэтому провести достоверные оценки того количества озона, которое разрушается у поверхности Земли, пока не представляется возможным.
По-видимому, говоря о скорости разрушения озона, надо учитывать не только его разрушение при его соприкосновении с поверхностью Земли, но и разрушение в других процессах. Об этом косвенно говорит и тот факт, что хотя скорость разрушения озона над водной поверхностью значительно меньше, чем над сушей, все же не наблюдается столь огромного различия в концентрации озона, которое можно было бы ожидать, если бы играла роль только подстилающая поверхность. К исчезновению озона причастно и что-то другое. Это может быть влияние повышенной температуры, какие-либо фотохимические реакции или же взаимодействие озона с частицами аэрозоля и другими газами. В этом плане очень интересны наблюдения, которые показывают, что плотность озона в приземном слое воздуха изменяется так же, как и радиоактивность приземного воздуха. Радиоактивность приземного воздуха создается эксхаляцией почвенного воздуха, который содержит торон, радон и др. Любопытно, что плотность озона меняется обратно пропорционально запыленности воздуха. Чем больше запыленность воздуха, тем меньше его электропроводность, а значит, и меньше скорость образования озона. Все это говорит о том, что необходимо учитывать все факторы, которые могут оказывать влияние на образование и разрушение озона. При этом само собой должны учитываться загрязненность воздуха, обмен воздуха между почвой и атмосферой, а также изменчивость приземного слоя воздуха, которая происходит по той или иной причине, в частности вследствие местных ветров.
Все знают, что хвойные леса на удалении воспринимаются как голубые. Голубая дымка образуется не без участия озона. Ставились различные эксперименты, подтверждающие это. Например, в камеру помещали измельченные сосновые иглы и немного озона. При этом наблюдалось образование голубой дымки.
Дымка сосновых лесов содержит частицы с радиусом, равным примерно 0,2 мкм. Хвойные растения выделяют пары органических веществ, которые называют терпенами. В растительном мире эти вещества очень распространены. Больше всего их содержится в хвойных растениях разных видов. Наиболее распространен пинен. Плотность его равна 0,86, точка кипения равна 156оС. Пинен легко взаимодействует с кислородом воздуха, а также с водяным паром, галогенами, активной глиной, соединениями серы и т. д. Терпены, выделяемые хвойными растениями, окисляются и образуют частицы твердого аэрозоля. Эти частицы по-разному рассеивают свет с различными длинами волн, а значит, и различным цветом. Фиолетовые лучи они рассеивают примерно в пять раз более эффективно, чем красные. Поэтому мы видим преимущественно рассеянный свет почти такого же голубого цвета, как и само небо. Кстати, наблюдения подтверждают, что при образовании голубой дымки количество озона в приземном слое воздуха уменьшается — часть озона расходуется на образование аэрозолей, которые и создают голубую дымку.
Заканчивая обсуждение этого вопроса, можно указать еще и на то, что в больших городах озон образуется из выхлопных автомобильных газов, а точнее, содержащейся в них перекиси азота. Если перекиси азота не очень мало (больше, чем 10-7, но не больше, чем 10-11), то она при облучении солнечным ультрафиолетом вступает в реакции с ненасыщенным углеводородом и образует озон. В этом смысле печально известным раньше всех городов стал Лос-Анджелес. Здесь еще до 1950 года образованный таким образом озонный смог приводил в негодность провода городской сети электропередач. Особенно высокое содержание озона наблюдается во время туманов. Озонный смог действует раздражающе на глаза. Он повреждает сельскохозяйственные культуры (виноград, табак и др.).
В тех городах, где выхлопных автомобильных газов меньше, меньше и озонного смога. Примером благополучного в этом отношении города может служить Париж. В нем воздух пока что беден озоном, поскольку перекись азота здесь имеется в количествах, меньших тех, которые необходимы для протекания указанных выше реакций с образованием озонного смога.
Распределение приземного озона по высоте зависит от высотного профиля температуры. Обычно с ростом высоты температура уменьшается. Но наблюдаются и такие условия, когда с ростом высоты температура увеличивается. При этом высотный профиль температуры по своей форме обращается (становится инверсным). Такое высотное распределение температуры предшествует притоку воздуха с вышележащих слоев. При этом притока озона сверху нет. В таких условиях (они в больших городах возникают довольно часто) усиливается загрязненность воздуха, а значит, и эффективнее образуется озонный смог. Инверсные профили температуры чаще всего наблюдаются ночью. Но увеличенная за ночь загрязненность воздуха с восходом Солнца приводит к усиленному образованию озонного смога. В таких условиях за 1 час может образоваться 20–30 мкг × м-3 озона.
Мы получили некоторое (пусть и не полное) представление о том, в результате каких процессов озон образуется и разрушается. Кроме того, мы знаем, что в зависимости от условий в атмосфере озон с той или иной скоростью переносится вниз, в тропосферу, и в приземный слой сверху, из стратосферы. Зная все это, нам будет легче понять, почему озон меняется в течение суток, в продолжение года, в зависимости от широты и т. д.
Когда были привлечены данные измерений озона, полученные на станциях, находящихся на разной высоте над уровнем моря, то оказалось, что суточные изменения озона на возвышенных станциях меньше, чем на равнинных. В приморском климате суточный ход плотности озона в приземном воздухе также небольшой. На равнинных станциях зимой максимум плотности озона наступает вскоре после полудня. Летом он наступает позднее, примерно около 16–17 часов местного времени. Минимум плотности озона как летом, так и зимой наблюдается перед восходом солнца. С восходом солнца озон начинает эффективно образовываться. С заходом солнца озон быстрее всего разрушается ближе к Земле. Если имеется инверсный слой, то приток воздуха (а значит, и озона) сверху затруднен. Это чаще бывает зимой. Тогда из-за затрудненного притока сверху в приземном слое озона остается мало еще в продолжение первой половины дня. Летом ситуация иная: после восхода солнца количество озона очень быстро увеличивается. Обращает на себя внимание четкая стратификация озона летней ночью. С восходом Солнца ситуация меняется — около 8 часов вторгаются долинные ветры и перемешивают приземный воздух. На всех указанных высотах (30, 70 и 115 км) парциальное давление озона сравнивается. Днем воздух на этих высотах оказывается включенным в толщу атмосферы, которая хорошо перемешана.
Существуют и такие наблюдения, которые показывают, что на некоторых обсерваториях максимум плотности озона имеется ранним утром. Что это за обсерватория? Одна из них находится на высоте 3389 м над уровнем моря, это станция Мауна-Лоа на Гавайских островах. Другая обсерватория, Литл-Америка, находится в Антарктиде. Такой особый суточный ход плотности озона связан с местными ветрами. Ранним утром ветер наиболее силен, он течет вниз по склону. Он и заносит большую порцию озона в приземный слой в окрестности обсерватории и тем самым образует утренний максимум плотности озона.
Изменение плотности приземного озона в продолжение года можно проиллюстрировать на основании измерений озона на станции Валь-Жуайе (Франция).
Станция Валь-Жуайе находится в средних широтах. Чем характерен годовой ход? Плотность озона в летние месяцы больше, чем в зимние. Однако в годовом изменении плотности озона наблюдаются кратковременные, очень сильные увеличения плотности озона. Плотность озона может превышать 150 мкг × м-3, тогда как обычно она не превышает 40 мкг × м-3. Существование этих выбросов можно объяснить только одним — резко усилившимся переносом озона сверху вниз. Любопытными представляются наблюдения таких выбросов на станции ФРГ Хоэнпейс-сенберг 26 февраля 1971 года. Первое кратковременное повышение плотности озона до 150 мкг × м-3 наблюдалось во время сильного ветра (до 20 м × с-1) и снегопада. В то время проходил над станцией первый холодный фронт. Со вторым холодным фронтом (главным), который сопровождался сильным ветром и даже ливневым снегом, было связано второе огромное увеличение плотности озона (до 830 мкг × м-3!). За вторым холодным фронтом последовал третий, несколько более слабый. Он также сопровождался значительным увеличением плотности озона (до 500 мкг × м-3). В этих случаях грозовые механизмы не работали: не было ни грозы, ни молнии, и градиент электрического поля оставался нормальным. Очень важно отметить, что в тропосфере количество озона не менялось или, точнее, не отличалось от нормального. Это не очень понятно, поскольку происходило вторжение холодного воздуха из верхней тропосферы в нижнюю.