ОЗОН В АТМОСФЕРЕ ЗЕМЛИ. ОТКРЫТИЕ ОЗОНА

Озон был открыт химиком Шенбейном в 1840 г. Пять лет спустя Шенбемн доказал, что озон постоянно имеется в атмосфере, хотя и в очень малых количествах. Как известно, молекула этого газа состоит из трех атомов кислорода. Обычный двухатомный кислород воздуха может частично превращаться в озон под действием некоторых химических веществ, электрических разрядов или ультрафиолетовых лучей.

Если бы весь озон атмосферы собрать в один слой, сжав его до давления в 1 атмосферу, то этот слой имел бы толщину не более 3 мм и составил бы, лишь 0,00004% объема всего воздуха. Тем не менее, значение этого газа в жизни нашей планеты очень велико.

Помимо той роли, которую играет озон в ряде атмосферных процессов, о чем речь будет ниже, он имеет еще крупное биологическое значение. В нижних слоях атмосферы озон способствует уничтожению микроорганизмов, и поэтому озонированный воздух более свободен от болезнетворных начал. Но несравненно важнее для нас, то обстоятельство, что озон является светофильтром, задерживающим ультрафиолетовые лучи. Коротковолновые ультрафиолетовые лучи имеют очень важное значение для всего живого. Их действие аналогично действию лучей кварцевой лампы. Именно они вызывают загар и усиливают жизнедеятельность человеческого организма. Еще существеннее то, что они убивают многие микроорганизмы, в том числе туберкулезную палочку, и таким образом служат мощным средством излечения туберкулеза. В то же время избыток ультрафиолетовых лучей вреден, в частности для зрения человека. Поэтому присутствие озона в воздухе очень важно, ибо он регулирует приток ультрафиолетовой радиации (излучения).

Так как концентрация озона в воздухе вблизи поверхности земли еще меньше, чем было указано выше для всей атмосферы в целом, то после многочисленных измерений Фабри и Бюиссона пришлось предположить, что этот газ находится, главным образом, в верхних слоях атмосферы. Их измерения показали, что середина слоя озона находится на высоте 20—25 км (см. ниже).

В СССР спектроскопические наблюдения над озоном велись с 1933 г. проф. С. Ф. Родионовым и его сотрудниками. Они применили счетчик света, позволивший регистрировать самые слабые интенсивности ультрафиолетовых лучей с большой точностью. В 1934—1936 гг. эти измерения велись на Эльбрусе на высотах 2200 и 4250 м, для того чтобы избежать поглощения ультрафиолетовых лучей в запыленных нижних слоях атмосферы. С. Ф. Родионов определил количество озона в 2,2—2.5 мм толщины условно-сжатого озона (как сказано выше).

Исследование озона не ограничилось наблюдениями солнечного спектра посредством приборов, находящихся на поверхности земли. Такие наблюдения делались не раз и в свободной атмосфере, например во время полетов американских стратостатов «Эксплорер I» в 1934 г. (полет окончился катастрофой) и «Эксплорер II» в 1935 г. На последнем работали два спектрографа, снимавших спектры солнца. Обработка снимков показала, что количество озона, находившегося над стратостатом, было почти одно и то же, пока последний поднимался до высоты 15 км. Затем это количество стало постепенно убывать — признак того, что стратостат прошел часть слоя озона. До высоты 22 км, таким образом, было пройдено 0,4 мм озона из общего количества около 1,9 мм.

Для исследования озона употребляли также специально построенные приборы (спектрографы), которые могли подниматься в свободную атмосферу на небольших воздушных шарах и работать там без участия человека. Подъемы таких приборов до высоты 31 км производил, например, в 1934 г. Регенер.

В 1939 г. Кобленц и Стейр в США разработали конструкцию «озонового радиозонда», поднимавшегося также без наблюдателя на большие высоты. Прибор включал в себя кадмиевый фотоэлемент, чувствительный главным образом к ультрафиолетовым лучам. При помощи небольшого коротковолнового модулированного радиопередатчика радиозонд посылал радиосигналы, причем частота колебаний изменялась с изменением интенсивности ультрафиолетовых лучей солнца, падающих на фотоэлемент. Сигналы эти принимались на поверхности земли. Таким образом, можно было воспользоваться данными прибора, даже если бы он при спуске потерян. Этим прибором были достигнуты высоты в 25—27 км.

Особый интерес представляют прямые наблюдения количества озона как в воздухе у поверхности земли, так и в пробах воздуха, взятых с больших высот. Для определения содержащихся в воздухе незначительных количеств озона необходимы точнейшие химические методы. Из них одним из наиболее чувствительных оказался так называемый флуоресцентный метод, предложенный в Физическом институте Академии Наук М. Константиновой-Шлезингер в 1934—1935 гг. Впервые этот способ был с успехом применен во время Эльбрусских экспедиций Академии Наук.

Были произведены многочисленные измерения количества атмосферного озона в различных местах земного шара. Суммарное количество озона в атмосфере оказалось наименьшим над экваториальными странами (около 1,6 мм в тех единицах измерения, которые мы принимали выше), причем здесь оно мало изменяется в течение года, и наибольшим над полярными широтами, там оно достигает максимума после окончания полярной ночи, доходя в феврале — марте до 3,4 мм.

Такое распределение озона по широтам вначале представлялось загадочным. Один из известных исследователей этого вопроса, Гетц, говорил по этому поводу, что «знать годовой ход количества озона над полюсом с его полугодовой ночью — это значит решить всю проблему озона». Нелегко, казалось, объяснить и большие колебания количества озона, наблюдаемые ото дня ко дню в полярных и умеренных широтах. Сейчас уже нет сомнения, что эти колебания тесно связаны с изменениями погоды. Можно думать, что воздушные массы, постоянно перемещающиеся в земной атмосфере в разнообразных направлениях и имеющие большие размеры и мощность, переносят с собой значительные количества озона. Весьма заманчива идея, что изменения концентрации озона сами могут оказывать большое влияние на погоду. Действительно, озон поглощает около 4—6% всего солнечного тепла — так мало он прозрачен для ультрафиолетовых лучей, несмотря на свою крайнюю разреженность. Заметим кстати, что он частично поглощает также желтые лучи спектра и некоторое количество инфракрасных — тепловых невидимых лучей. Слой атмосферы, в котором происходит это поглощение, заметно нагревается, и степень этого нагревания, очевидно, должна зависеть от концентрации озона.

Очень важно знать, на каких именно высотах находится озон. В течение долгого времени (до 1930-х гг.) полагали, что наибольшее количество этого газа находится на высотах 22—24 км. Об этом говорили как данные американских стратостатов, так и наблюдения Регенера и т. п. Подобное утверждение вошло во все учебники метеорологии. Полагали, что высота главного слоя озона изменяется очень мало со временем, слегка лишь увеличиваясь с ростом общего количества озона. Новейшие исследования отвергли эти слишком упрощенные взгляды. Гетц в Арозе (Швейцария), разработав особый метод оптического определения озона, обнаружил, что имеется два главных слоя озона — один на высоте 29 км и другой, несколько менее мощный,— на сравнительно небольшой высоте в 11 км. Это открытие представляет одно из важных достижений новейшей метеорологии. Оно показывает, что вполне возможно и необходимо изучать распределение озона непосредственно, при помощи стратостатов и взятия химических проб воздуха.

Можно полагать, что озон, наблюдаемый нами в самом незначительном количестве у поверхности земли, приходит из верхних слоев атмосферы. Благодаря непрерывному перемешиванию в атмосфере, частицы воздуха из нижних слоев поднимаются вверх, а на их место опускаются частицы из верхних слоев, неся с собой повышенное количество озона. Поэтому усиленное перемешивание атмосферы (например, во время бурь) должно сопровождаться уменьшением количества озона, наверху и увеличением внизу. А так как в нижних слоях атмосферы озон довольно быстро разрушается (под действием более высокой температуры, а также вследствие того, что он окисляет органические вещества, пыль и пр.), то перемешивание ведет к общему уменьшению количества озона В этом состоит, очевидно, одна из связей между озоном и погодой.

Замечательно, что ветры горных стран, так называемые фены, резко увеличивают количество озона у поверхности земли (в долинах). Это наблюдал, например, Ауэр в Фридрихсгафене, на Боденском озере 21 ноября 1938 г. Здесь с окончанием фена содержание озона упало резко с 2 мм до 1,1 мм. Если мы вспомним, что фен представляет собой нисходящее движение воздуха, приносящее в долину потоки с высоты больших горных хребтов, то нам станет ясным, откуда берется при фене это повышенное количество озона.

Всякое вторжение воздушных масс из арктических стран несет с собой увеличение содержания озона в атмосфере. Уменьшение же очень часто совпадает с приходом тропического воздуха. После того, что мы сказали выше о географическом распределении озона, оба этих факта не нуждаются в особом объяснении.

Несколько сложнее то обстоятельство, что при образовании циклонов количество озона в атмосфере повышается, особенно в средиземноморских циклонах. Приходится думать, что в циклоне (особенно в его «тыловой», западной части) происходит всасывание воздуха из верхних слоев атмосферы. Как известно, в этой части циклона происходит обычно также опускание границы стратосферы, иногда до 6—7 км вместо нормальных у нас 10— 12 км. Напрашивается мысль, что с понижением стратосферы связано и увеличение количества озона — нисходящий воздушный поток ведет к тому же самому следствию, как и в случае фена.

Многие на первый взгляд загадочные свойства озоновых слоев разъясняет нам фотохимическая теория образования озона. Согласно этой теории, озон образуется из кислорода под действием ультрафиолетовых лучей очень малой длины волны — около 0,2 микрона. Более длинные волны — примерно до 0,29 микрона — энергично поглощаются озоном и сильно нагревают озоносодержащий слой атмосферы. Повышение температуры содействует обратному быстрому распаду озона. Таким образом, в верхних слоях существует подвижное равновесие — озон постоянно образуется под действием одних лучей и распадается под влиянием других. Теорию этого равновесия впервые дал Мекке в 1931 г.

Скорость распада озона мала при низких температурах, и велика при высоких. Последнее замечание относится и к приземным слоям воздуха, в особенности в тропических странах, и объясняет, по крайней мере отчасти, почему концентрация озона в атмосфере этих стран низка. Наоборот, в полярных странах с их суровой зимой разрушение образующегося озона идет медленно. Первое появление солнца после полярной ночи дает там начало усиленному образованию озона — до тех пор, пока постепенное весеннее повышение температуры не затормозит этот процесс.

Можно было бы подумать, что значительные трудности вызовет вопрос о большой разнице в количестве озона между полярными и экваториальными странами. Действительно, в верхних слоях атмосферы, на высотах около 20 км, количество озона над экватором примерно вдвое меньше, чем над полярным кругом, несмотря на то, что эти высокие слои атмосферы именно над полярными широтами теплее (около —55°), чем над экватором (около —70°). Таким образом, для этих высот влияние температуры непосредственно ничего не объясняет. На помощь нам приходит представление о вертикальном перемешивании в атмосфере. Как известно, вертикальные воздушные потоки, направленные вверх и дающие начало кучевым и грозовым облакам, особенно сильны в тропических странах. Достаточно сказать, что грозовые облака, например в США, достигают высоты 12—13 км, а в тропических странах—16—17 км. Такой большой высоты достигают восходящие токи, а следовательно, и общее перемешивание атмосферы. На место поднимающихся масс воздуха между отдельными облаками опускаются нисходящие потоки, переносящие озон сверху вниз и содействующие тем самым его разрушению вблизи нагретой земной поверхности. Поэтому экваториальная атмосфера в целом бедна озоном. Над полярными странами теплые восходящие токи представляют большую редкость. Вертикальные движения в холодной атмосфере, особенно в ее нижних слоях, скованы, и озон беспрепятственно накопляется в верхних слоях. Этим и объясняется высокое содержание озона в верхних слоях атмосферы над высокими широтами.

Верхняя граница слоя озона находится примерно на высоте 55 км. Ее высота не имела бы большого значения для метеорологических явлений, если бы присутствие озона не повышало температуры верхних слоев атмосферы.

Как известно, температура атмосферы постепенно понижается по мере подъема. В нижней части воздушной оболочки Земли, в так называемой тропосфере, это понижение идет довольно правильно до высоты 10—11 км в наших широтах и до высоты 16—17 км — в широтах тропических. Выше этой границы находится стратосфера — слой атмосферы с довольно однородной температурой на всех высотах. Как мы уже упоминали, температура стратосферы, особенно низка над экватором.

В наших руках имеются надежные наблюдения над температурой стратосферы при помощи радиозондов, поднимающихся до 30 км. Радиозонды, как правило, отмечают на таких больших высотах низкие температуры, не выше —35°. О температуре более высоких слоев мы имеем лишь косвенные данные. Ее можно вычислить по явлениям распространения звука в земной атмосфере, по наблюдениям возгорания метеоров. Озон дает нам определенные способы вычисления температуры на больших высотах, и вот каким образом. Поглощение ультрафиолетовых лучей озоном резко увеличивается с повышением температуры. Так, например, при длине волны светового луча в 319,9 миллимикрона слой в 10 мм озона с температурой —50° поглощает 54% всей энергии луча, а при температуре+95°—70,5%. Таким образом, наблюдая поглощение лучей озоном, можно оценить температуру озоносодержащего слоя. Этот способ измерения температуры привел к замечательному результату. Оказалось, что на высотах 40—50 км преобладают уже не отрицательные, а положительные температуры -(-10°, -{-70°. Такой несколько парадоксальный вывод хорошо подтверждается наблюдениями за ходом звуковых лучей в атмосфере. Вследствие того, что звуковые лучи отражаются от этого теплого слоя стратосферы, возникает так называемая аномальная зона слышимости. Давно уже известно, что сильные звуки (например, взрывы) на земной поверхности слышны в некоторой области вокруг источника звука и затем в некоторой кольцеобразной зоне (с внутренним радиусом 110—190 км), отделенной от внутренней области зоной молчания.

Самая верхняя часть слоя озона, первая, которую на своем пути встречают лучи солнца, нагревается этими лучами очень сильно. В глубь слоя озона проникает гораздо меньшее количество ультрафиолетовых лучей. Следовательно, область наибольшего нагревания не совпадает с областью наибольшей концентрации озона, а лежит у верхней поверхности озонового слоя

Таковы основные выводы, к которым нас приводит изучение атмосферного озона. Как мы видим, свойства этого газа тесно связаны со всеми процессами в верхних слоях атмосферы.