Как движения воздушных масс (циклоны, антициклоны, струйные течения и т. д.) связаны с озоном, мы детально рассмотрим позднее. Вначале рассмотрим, как распределен по высоте озон в тропосфере.

От распределения озона зависит, куда он будет двигаться. В каждом случае он (как и любой другой газ) будет двигаться так, чтобы распределение стало равновесным. Если бы силы везде действовали одинаково, то это равновесие достигалось бы при однородном, равномерном распределении озона (газа). Если силы действуют неравномерно (одна из сил — сила притяжения — направлена вниз, к Земле), то равновесное распределение не будет однородным. Кроме силы притяжения к Земле на озон (как и на любой газ в атмосфере Земли) будут действовать и другие силы. Главная сила связана с неоднородностью давления. Чем больше частиц газа (в данном объеме), тем больше их давление. Кроме того, чем больше температура газа в данном объеме, тем больше давление газа. Естественно, что газ будет устремляться от того места, где давление больше, к тому месту, где оно меньше. Этот процесс идет до тех пор, пока не наступит равновесие.

Поток озона в вертикальном направлении тем больше, чем более резко с высотой меняется плотность озона, или, другими словами, чем больше перепад плотности озона по высоте.

В средних широтах сезонные изменения тропосферного озона выглядят так. В июне — июле (летом) в северном полушарии наблюдается максимум как парциального давления озона, так и отношения его смеси. Но наступление этого максимума зависит от высоты в тропосфере, где он наблюдается. Чем выше, тем годичный максимум указанных характеристик озона наблюдается раньше. Это логично, поскольку первопричина этих изменений находится вверху и требуется определенное время для того, чтобы последствия ее действия сказались на определенном уровне. Чем ниже этот уровень, тем это время, естественно, дольше. Минимальные величины парциального давления озона и отношения смеси в году в нижней части тропосферы и в приземном слое воздуха наблюдаются в декабре — январе. В верхней тропосфере они наблюдаются раньше — в октябре — ноябре. Минимум в общем запасе озона в стратосфере наблюдается еще раньше. Так прослеживается причинно-следственная связь этих минимумов, которая имеет свое начало вверху, в стратосфере. Ясно, что запаздывание изменений озона внизу по отношению ко времени его изменения вверху зависит от времени жизни озона на этих уровнях. Если бы озон поступал сверху вниз моментально и очень быстро внизу исчезал (так же быстро, как и вверху), то никакого временного запаздывания в изменениях озона внизу по отношению к изменениям его вверху не было бы. Таким образом, чем медленнее разрушается озон в тропосфере, тем больше запаздывание. Время жизни озона (время его релаксации) зависит от физических условий. Поэтому оно различно на разных широтах. Например, в высоких широтах северного полушария это время равно примерно 40 суткам. По мере удаления от высоких широт к низким это время удлиняется. Этот рост времени жизни озона резко увеличивается, когда мы переходим из средних широт в приэкваториальную зону (30^о северной широты — 0^о северной широты). При переходе через экватор по направлению к Южному полюсу эти изменения времени жизни озона продолжаются. Выделяется полоса в южном полушарии между 30 и 60^о южной широты. Здесь время жизни озона растет по сравнению с таковым в высоких широтах медленнее, чем в экваториальной зоне. Оно достигает 90 суток, то есть более чем в 2 раза превышает время жизни в северных высоких широтах.

Сезонные изменения озона в тропосфере зависят от поступления озона сверху, из стратосферы, а также от того, как этот уже тропосферный озон перераспределяется горизонтальными движениями. Тут работают два фактора. Во-первых, в продолжение года меняется количество озона в стратосферном резервуаре. Если его там больше, то больше его поступит и в тропосферу. Во-вторых, канал стратосфера — тропосфера работает не одинаково эффективно в разные сезоны. Так, летом обмен воздухом (а значит, и озоном) между стратосферой и тропосферой усиливается. Зимой он меньше.

Сами сезонные изменения озона наиболее ощутимы в самой нижней части тропосферы. С ростом высоты (примерно до уровня 700 мбар) сезонное различие уменьшается. Но еще выше оно увеличивается.

Если учесть указанные выше факторы, от которых зависит сезонное изменение количества озона на разных высотах в тропосфере, и воспользоваться экспериментальными данными в годовых изменениях озона на этих высотах, то можно оценить, сколько озона приходит сверху. Оказалось, что поток приходящего сверху озона имеет наибольшую величину примерно около 40–50^о северной широты. Он составляет около 9 × 10¹⁰ молекул/см². По мере продвижения к экватору, а затем и к высоким широтам южного полушария этот поток уменьшается. Так, на широтах 60–70^о южной широты он почти в 4 раза меньше. Но это только оценка. Точно определить этот поток не просто. Тем более, что он не является постоянным.

Озон в тропосфере распределяется не только в результате указанных выше движений сверху вниз и снизу вверх. На его распределение оказывают влияние и местные, локальные условия. Свидетельством этого является слоистая структура озона в тропосфере. Сильное убывание озона наблюдается под слоями инверсии температуры. Такие наблюдения проводились с помощью аппаратуры, установленной на самолетах. Аппаратура регистрировала в области обширного антициклона на высоте 500 м очень плотный слой озона. Плотность озона в слое составляла 440 мкг × м^-3. Такая стратификация в нижней тропосфере регистрировалась довольно часто. В самолетных измерениях были обнаружены не просто тонкие слои, а пятна озона.

В настоящее время имеются различные мнения относительно стоков и истоков озона непосредственно в тропосфере. Что касается приземного озона, то тут такой вопрос не возникает. Здесь имеются как явные и весьма эффективные источники озона, так и ловушки для него, в результате существования которых он разрушается и выходит из игры. Рассмотрим это подробнее.

ОБЩЕЕ СОДЕРЖАНИЕ ОЗОНА

Этот термин не очень удачный. Неискушенный читатель может подумать, что речь идет об общем содержании озона во всей атмосфере Земли. Но это не так. Речь идет о содержании озона от поверхности Земли до верхней границы, но не во всей атмосфере, а только в цилиндрическом столбе, сечение которого равно всего 1 см². Поэтому лучше было бы это количество озона назвать не общим, а суммарным по высоте. Но термин есть термин. Его менять нельзя. Самое главное — знать и не забывать, что он обозначает.

Чтобы иметь все же представление о количестве молекул озона в столбе сечением 1 см², укажем, что для средних широт высота столба (при нормальных условиях) составляет 3,45 мм, или 345 мсм. Это значит, что общее содержание озона равно 345 Д.Е. (единиц Добсона). В этом столбе содержится 7,39 г озона, или 9,27 × 10²² молекул озона. Несложно определить (оценить) и общее количество озона во всей атмосфере Земли. Эта оценка дает величину 3,267 миллиарда тонн озона. Для наглядности скажем, что это приблизительно соответствует массе 3,2 км³ воды океана. Водяного пара в атмосфере содержится по массе в 3800 раз больше, чем озона. Правда, в самой стратосфере озона на 60 % больше, чем водяного пара.

На каждой высоте в атмосфере имеются свои источники озона и свои стоки. Молекулы озона живут на разных высотах разное время. Кроме того, идет непрерывный обмен озоном между разными уровнями (стратосферный озон опускается даже к поверхности Земли, и, наоборот, приземный озон поднимается в стратосферу и выше) и между разными широтами. Зная такую сложную мозаику жизни озона, можно спросить: что полезного в такой обезличенной величине, как общее содержание озона? Вопрос в определенной мере законный. Но многолетний опыт исследований показывает, что знание общего содержания озона вместе со знанием его вертикального распределения дает очень много для понимания природы атмосферного озона.