Что характерно для высотного распределения озона в различных зонах? В тропической зоне стратосферный слой озона находится на сравнительно большой высоте. Его максимум по парциальному давлению, равный примерно 130–160 нбар, приходится на высоты между 24 и 27 км. Общее количество озона в этой зоне небольшое — всего около 260–270 Д. Е. Здесь также нет существенных изменений озона с сезоном.
В полярной области слой озона в стратосфере расположен значительно ниже, его максимум приходится на 13–18 км. Общее содержание озона здесь значительно больше, оно может достигать или даже превышать 600 Д. Е. Имеется еще одна особенность озонного слоя в полярной области: он часто очень изрезан, то есть как будто состоит из отдельных тонких подслоев. Об этом свидетельствуют резкие изломы на высотном профиле парциального давления озона, тогда как слой озона в тропической зоне является однородным образованием. Максимальное парциальное давление озона составляет примерно 200 нбар.
Тропосфера в высоких широтах сильно прижимается. Она может оказаться ограниченной сверху уровнем 5–6 км. Парциальное давление озона в тропосфере при этом повышается.
Высотные профили парциального давления в умеренных широтах характеризуются меньшими высотами максимума слоя, чем в тропиках. Иногда появляется изрезанность слоя, то есть он становится стратифицированным, как и в полярной области. Иногда четко наблюдается второй максимум парциального давления озона, который расположен ниже основного, сразу выше тропопаузы, то есть в нижней части стратосферы. Общее содержание озона в промежуточной зоне, то есть в умеренных широтах, больше, чем в тропиках, и меньше, чем в полярных областях. Оно составляет примерно 340 Д.Е. В промежуточной зоне заметны сезонные изменения озона: к весне общее содержание озона увеличивается, а к осени — убывает.
Противоборство двух главных воздушных масс (полярной и тропической) и определяет, какие именно характеристики озона наблюдаются в данном месте. Ясно, что это противоборство скажется прежде в местах, где эти воздушные массы соприкасаются, то есть в промежуточной зоне. Здесь в моменты смены тропической массы воздуха полярной или наоборот наблюдаются очень существенные изменения озона. Они намного больше, нежели изменения, которые обусловлены изменением условий в продолжение суток, но при неизменной воздушной массе.
Положение слоя озона зависит от сезона. Ниже всего слой озона опускается в феврале. Высота максимального значения парциального давления озона в это время в Европе составляет 20,8 км, а в Северной Америке — 22,0 км. Средняя максимальная величина парциального давления на обеих станциях была равна 189 нбар. Эта величина может быть и значительно больше. Например, она составила 277 нбар на высоте 21 км над Флоридой в январе 1965 года. В это же время (спустя сутки) на другой станции США (Бедфорд) парциальное давление озона в максимуме достигло даже 298 нм. Высота максимума была значительно ниже, чем над Флоридой. Она наблюдалась на 13 км.
С приближением лета в северном полушарии высота максимума парциального давления озона постепенно увеличивается. Величина давления в максимуме при этом уменьшается. Этот подъем заканчивается к осени. Слой озона оказывается на высоте около 24 км, а парциальное давление в максимуме составляет всего 137 нбар. Это по данным европейской станции Хоэнпейссенберг. Судя по такому характеру высотных профилей парциального давления озона, можно считать, что летом преобладают тропические профили с высоко поднятым максимумом озона, но с малой абсолютной величиной парциального давления в максимуме. Зимой в промежуточной зоне часто преобладают высотные распределения озона, больше характерные для арктических воздушных масс, то есть с низким расположением максимума, но с большим абсолютным значением парциального давления в самом максимуме.
Станции, расположенные в тропической зоне, регистрируют высотные профили с высоко поднятыми максимумами и малыми величинами парциального давления в них. Так, на панамской озонометрической станции Бальбоа высота максимума почти всегда приходилась на высоту около 26 км, а парциальное давление в максимуме составляло всего 136–139 нбар. То, что здесь в характере высотного распределения озона не проявляется сезонный ход, не должно удивлять. Ведь в течение года практически не меняется циркуляция всей атмосферы. Не меняется и высота тропопаузы. Поэтому остается в продолжение года неизменным и озон. Конечно, это не значит, что высота максимума всегда равна непременно 26 км. Она может быть несколько меньше или больше этой величины. Само парциальное давление озона в максимуме, как правило, остается небольшим. Но регистрировались (правда, редко) и величины, которые превышали обычную среднюю величину.
Чем дальше от экватора, тем больше ощущается сезонное различие обоих полушарий. Наибольшим оно является в полярных областях. Это отличие касается всего. В зависимости от сезона меняется в полярной атмосфере и динамический режим, и в определенной мере состав, и температура и т. д. Естественно, что меняется и распределение озона с высотой. Летом высота максимума озонного слоя больше, чем зимой, а величина парциального давления озона в максимуме уменьшается. Такие изменения озона с сезоном характерны только для высот ниже 25–26 км. Выше этого уровня в результате движения атмосферного газа озон переносится из низких широт в высокие. Поэтому выше этого уровня (который был назван «высотой обращения») сезонный ход озона обращен относительно сезонного хода озона ниже этого уровня. Это значит, что в высоких широтах выше этого уровня зимой парциальное давление озона уменьшается, а летом увеличивается.
Большой массив экспериментальных данных в высотном распределении озона (сотни подъемов озонозондов) привел Хргиана к мысли, что уровень, где резко меняется перепад парциального давления озона с высотой, имеет особый физический смысл. Впоследствии выяснилось, что это действительно так — этот уровень очень хорошо соответствует высоте, на которой кончается тропосфера. Как известно, эта высота называется тропопаузой. Чаще всего абсолютное совпадение тропопаузы с озонопаузой (так был назван этот уровень) отсутствует. Один уровень может отличаться от другого в пределах 1 км.
Было показано, что более чем в половине случаев (56,5 %) в умеренных широтах озонопауза находится ниже тропопаузы. В тропической зоне она всегда ниже тропопаузы. В высоких же широтах чаще реализуется обратная ситуация: озонопауза выше тропопаузы.
Какой же это имеет физический смысл? Тропопауза поддерживается на постоянной высоте благодаря лучистому равновесию на этом уровне. Через этот уровень (плоскость) могут просачиваться как вверх, так и вниз воздух, а значит, и озон. В тропической зоне воздух нагревается и медленно движется вверх, в том числе и через уровень тропопаузы. Озон более консервативен и чуть-чуть отстает в этом движении. Поэтому в низких широтах тропопауза оказывается чуть-чуть (примерно на 1 км) выше озонопаузы. В высоких широтах охлажденный вверху воздух опускается медленно вниз, проходя также уровень турбопаузы. Поскольку озон в этом движении чуть-чуть отстает, то озонопауза оказывается несколько выше, чем тропопауза.
Наблюдения показывают, что в летний сезон меньше всего различие между тропопаузой и озонопаузой. Это можно понять так, что летом вертикальная циркуляция озона значительно меньше, чем зимой и весной.
Слой озона далеко не всегда характеризуется одним максимумом. Довольно часто кроме основного максимума на высоте 22–25 км имеется и второй, немного меньший, на высоте 12–13 км. Это расслоение слоя озона наиболее характерно для промежуточных широт в сезоны наибольшей изменчивости озонного слоя (зимой и весной). В экваториальных широтах такое расслоение практически наблюдается очень редко. В высоких широтах основной максимум озонного слоя, как и тропопауза, значительно прижат вниз, и второй максимум озона не наблюдается (формально можно считать, что оба максимума сливаются).