Описанные изменения как циркуляции в стратосфере, так и количества озона не являются строго периодическими. Собственно, это можно сказать и обо всех других процессах в околоземном пространстве и на Солнце. Поэтому такие изменения называют не периодическими, а циклическими. Цикличность в данном случае вопреки самому термину разрешает периоду изменять свою продолжительность (в некоторых пределах).
Анализ данных одной из самых долго работающих озонометрических станций — Ароза (Швейцария) показывает, что каждый год, начиная с 1980 года, среднегодовые значения общего содержания озона меньше, чем были за 60-летний период до этого. Это понижение в среднем составляет 4 Д. Е. Основное уменьшение озона происходит на высотах 18–22 км. Об этом свидетельствуют измерения над Пайерне. Одновременно содержание озона в тропосфере и на тропопаузе увеличивалось.
ЦИРКУЛЯЦИЯ АТМОСФЕРЫ И ОЗОН
Прежде чем рассмотреть, как движется воздух в земной атмосфере, полезно рассмотреть такой опыт. Наполним комнату или какую-нибудь камеру дымом для того, чтобы можно было наблюдать за движением воздуха (дым будет двигаться вместе с воздухом). Затем в одной части комнаты создадим вихри воздуха (дыма), закрученные в одну сторону, а в другой части комнаты — вихри дыма, закрученные в противоположную сторону. Известно, что движение воздуха (или другого газа), которое состоит из вихрей (вихри могут иметь разные размеры), является турбулентным. Имеется и другой тип движения газа — когда он движется ровной струйкой, без каких-либо завихрений. Такое движение называют ламинарным. Если скорость ламинарного движения увеличивается, то оно может превратиться в турбулентное. При этом ровная струйка дыма будет распадаться на отдельные колечки, завихрения. Установлен точный критерий тех условий, при которых совершается такой переход. Этот критерий записывают или так называемым числом Рэлея, или числом Ричардсона. Если число Рэлея превышает определенное критическое значение, то ламинарное течение превратится в турбулентное. Это критическое состояние перехода ламинарного течения в турбулентное определяется не только скоростью движения газа, но и его вязкостью. Если вязкость газа велика, то, естественно, образование вихрей происходит при меньших скоростях движения, нежели в тех случаях, когда вязкость газа мала.
Теперь вернемся к рассмотрению опыта с турбулентными движениями в комнате. Создадим посередине между двумя областями вихревых (турбулентных) движений движение воздуха в виде струи. Это струйное ламинарное течение воздуха будет разделять части комнаты, в которых имеется вихревое движение воздуха с противоположно закрученными вихрями. Затем будем поддерживать такую ситуацию как можно дольше, изменяя в возможных пределах скорости турбулентных движений и скорость воздушного струйного течения (но она все время должна быть меньше некоторого критического значения, чтобы не распасться и не образовать вихри).
Что дадут нам такие наблюдения? Главное из того, что мы увидим, — никогда воздушные вихри не пересекают ламинарного струйного течения воздуха. Эти течения являются своего рода неприкосновенными барьерами для турбулентных движений воздуха (или другого газа).
Какое это имеет отношение к озону? Самое прямое, поскольку он переносится в глобальном масштабе воздушными массами. Если где-либо в атмосфере существуют ламинарные струйные течения, то они ограничивают турбулентное движение воздушных масс, а значит, они ограничивают и перенос озона.
Ламинарные потоки воздуха в атмосфере создаются в том случае, если скорость воздушного потока не меняется (или очень мало меняется) поперек самого потока. Если вы находитесь в центре воздушного ламинарного потока и смотрите точно вслед уходящему от вас воздуху, то и слева и справа от вас скорость такая же (или почти такая же), как и в том месте, где вы находитесь. То, что такие струйные потоки воздуха в атмосфере имеются, метеорологи знают давно. На любой синоптической карте они прежде всего ищут, где проходят струйные течения воздуха. По обе стороны от этих течений (мы рассматриваем картину в плоскости карты, то есть в горизонтальной плоскости) ситуация в атмосфере принципиально отличается. В области струйного течения (по оси) скорость ветра максимальна и мало меняется по мере удаления от оси струйного течения (то есть перпендикулярно оси).
Но за его пределами скорость ветра по мере удаления от струйного течения падает. Это значит, что если течение направлено с востока на запад или наоборот, то в направлении север — юг перепад скорости ветра по направлению к югу от течения будет иметь один знак (она будет уменьшаться), а севернее течения в том же южном направлении перепад скорости будет иметь противоположный знак. Эта разница в перепадах (градиентах) скорости ветра севернее и южнее струйного течения является определяющей для воздушных масс в этих регионах. Фактически именно из-за нее образуются две очень отличающиеся по свойствам воздушные массы.
Рассматривая картину только в горизонтальной плоскости, мы всю ситуацию значительно упростили (ради более четкого выделения ее особенностей). Но синоптики располагают не одной картой для всей атмосферы. У них имеются синоптические карты, показывающие ситуацию на разных уровнях в атмосфере. Эти уровни более логично определять не высотой над поверхностью Земли, а величиной атмосферного давления, которое определенным образом зависит от высоты. Просматривая такие карты для уровней, которые соответствуют атмосферному давлению, равному 500, 300 и 200 гПа (гектапаскаль), можно видеть, что никогда горизонтальные воздушные течения, скорость которых максимальна, не пересекают атмосферные вихри. Эти течения разделяют области атмосферы с вихрями, как это мы наблюдали в комнате с вихрями из дыма.
Карты (специалист сказал бы: «карты барической топографии поверхностей 500, 300 и 200 гПа») свидетельствуют о том, что ламинарное воздушное течение существует не только на определенной широте, но и на разных высотах. С изменением долготы может меняться и широта, то есть течение отнюдь не обязательно проходит вдоль линии постоянной широты, то есть вдоль параллели. Но это ламинарное течение воздуха имеет определенную структуру и по высоте: на разных высотах оно имеет разные характеристики. Для того, чтобы представить себе трехмерную, пространственную структуру ламинарных потоков в атмосфере, проследим, как изменяется скорость воздушных потоков с высотой. Если двигаться вверх от поверхности Земли, то скорость ветра растет. Максимальной величины скорости ветра достигают там, где кончается тропосфера и начинается стратосфера, то есть на границе тропосферы — в тропопаузе. Напомним, что этот уровень — это не просто игра в термины, а высота, ниже которой температура с ростом высоты уменьшается, а выше которой она с ростом высоты увеличивается. Кстати, этот перелом в высотном ходе температуры обусловлен только наличием озона выше этого уровня, то есть в стратосфере. Озон ловит солнечное излучение и превращает его в тепло, нагревая атмосферу на этих высотах.
Таким образом, факты говорят за то, что на этом переломном уровне в атмосфере (на тропопаузе) скорость ветра, направленного горизонтально, наибольшая, максимальная. Здесь, на тропопаузе, скорость поперек воздушного потока (в направлении вверх-вниз) меняется очень мало или вообще не меняется. Значит, условие образования ламинарного воздушного потока выполняется, поэтому на высоте тропопаузы должен существовать ламинарный воздушный поток, который препятствует турбулентному движению поперек себя, то есть через тропопаузу, или, другими словами, турбулентному обмену между стратосферой и тропосферой.
Метеорологи различают в каждом полушарии три различные воздушные массы: тропическую, умеренную (то есть умеренных, средних широт) и полярную (арктическую или антарктическую). На первый взгляд, это логично, поскольку в разных широтных поясах атмосфера по-разному нагревается солнечным излучением, поэтому должны быть разными и ее свойства, в том числе и характер движения. Но из этого факта отнюдь не следует, что должны быть резкие границы между воздушными массами на указанных широтах (низких, средних и высоких). Правда, по наблюдениям, эти границы почти непрерывно смещаются туда и обратно от некоторого среднего значения. Что это за границы, чем они создаются и чем регулируются? Они образуются ламинарными потоками воздуха (струйными течениями), о которых говорилось выше. Таким образом, в каждом полушарии имеются три «сосуда» с воздухом, которые отделены друг от друга подвижными перегородками — ламинарными потоками. Эти «перегородки» почти непроницаемы для турбулентных вихрей различных размеров (от сотен до тысяч километров). Эти сосуды (широтные воздушные массы) имеют определенную автономию. Не показательно ли, что пыль (аэрозоли), выброшенная в стратосферу после извержения вулкана Святая Елена (Сент-Хеленс) 18 мая 1980 года, в продолжение нескольких месяцев находилась в пределах своего широтного пояса (между 25 и 55о северной широты). Она не могла выйти за пределы ламинарных потоков, которые ограничивали этот пояс с юга и севера. Кстати, ламинарные потоки не пропускают через себя не только турбулентные потоки, но и диффузионные, то есть перемещение вещества (той же вулканической пыли) путем диффузии. То же самое продемонстрировало и взрывное облако пыли, выброшенное в стратосферу вулканом Эль-Чичон (Мексика) 4 апреля 1982 года. Это облако, в отличие от описанного выше, находилось в тропической воздушной массе, за пределы которой пыль этого облака так и не вышла, хотя за три недели облако обошло весь земной шар.