Изменения атмосферного озона и их связь с общей циркуляцией атмосферы во время МГГ. тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, Кузнецов, Г. И.

• Кузнецов, Г. И.
• 1961

Оглавление диссертации Кузнецов, Г. И.

Введение I

Глава I Некоторые предыдущие исследования зависимостей между озоном х циркуляцией.

• Иеждусуточнне колебания количества озона» а) Влияние адвекции воздуяннх масс на содержание озона« б) Вопрос о влиянии вертикальных потоков на содержание озона в атмосфере« в) О влиянии турбулентности г) Весеннее нарастание озона д) Суточный ход озона 16 Б« Теории, объяснявшие сезонные н шрот* ные различия содержания озона в связи с общей циркуляцией атмосфер«

Глава П Распределение озона по земному вару в цериод НГГ

Глава 1 О связи между изменениями озона н колебаниями общей циркуляции атмосферы.

Глава ХУ Озон и меридиональная циркуляция атмосфера. 60 Л. Изменчивость озона 64 Б. Междусуточные колебания озона и меридиональная циркуляция

03 Стр.

Глава У

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Изменения атмосферного озона и их связь с общей циркуляцией атмосферы во время МГГ.»

Проблема атмосферного озона в последние годы все более привлекает к себе интерес геофизиков* Мы знаем теперь, что озон является деятельным фактором процессов теплообмена в атмосфере» Благодаря ему, например, возникает известный теплый слой в атмосфере на высотах 40-50 км, происходит быстрое про*» гревание стратосферы над Арктикой весной после восхода солнца и т.д.

В соответствии с консервативным характером озона на высотах до 30 км э!а весьма малая составляющая воздуха приобретает большое значение для динамики атмосферы, являясь участницей общей циркуляции атмосферы. Потоки воздуха содержат различное количество озона, в зависимости от того, приходят ли они с севера или с юга. Эти различия особенно велики весной, когда меридиональный градиент содержания озона наиболее велик. Как адвекция, так и вертикальные перемещения воздуха, словом, синоптические процессы нижней атмосферы сильно сказываются на изменениях озона. Таким образом, проблема озона перестала быть самостоятельным вопросом и тесно связана с процессами теплообме* на и движения в атмосфере.

В последнее время очень большое внимание было обращено на исследование различных частей слоя атмосферного озона. При этом выделялась прежде всего его верхняя часть (выше 30 км), довольно устойчивая и зависящая, главным образом,,от фотохимических процессов, и нижняя, где озон изменчив и зависит от горизонтальной и вертикальной адвекции воздуха. Уточняя это деление на основании более новых данных, надо помнить, что главный максимум озона находится (в умеренных широтах) на высоте

•2 м около 24-26 км; несколько ниже (на высоте порядка 24 км) расположен центр тяжести всей массы озона*

В слое 25-30 км, как показал Петцольд, озон очень мало изменчив и даже не обнаруживает заметных сезонных изменении* Зато ниже 25 км он очень динамичен и носит отпечаток разнообразных процессов, происходящих в нижней стратосфере,и, может быть, в тропосфере» Тесная корреляция озона с температурой и давлением в стратосфере на высотах 12-20 шив тропосфере, обнаруженная многими авторами, свидетельствует, что такие связи существуют, хотя механизм их еще не совсем ясен /23, 38/*

Ниже уровня 25 км формируемся порой второй (на высоте около 15 км) и даже третий (на высоте порядка б км) максимумы концентрации озона* По-видимому, нередко появление этих максимумов связано с адвекцией полярного воздуха на уровне около 100 мб (16 ш) и 500 мб (5,5 км)* Как известно, для этих уровней в службе погоды регулярно составляются синоптические карты и течения воздуха на этих высотах изучены уже довольно хорошо*

Появление добавочных максимумов, особенно типичное для весенних месяцев, приводит к снижению центра тяжести слоя озона и к увеличению толщины слоя озона* При этом озон вовлекается в циркуляцию довольно мощной части нижней стратосферы* Основной задачей настоящего исследования явилось: I* Изучение связи изменений общего содержания озона X с колебаниями общей циркуляции атмосферы* Эта связь может проявляться как в годовом ходе и широтном распределении, так и в быстрых междусуточных изменениях озона.

Материалы Международного геофизического года позволяют рассмотреть эту связь в различных районах земного шара.

2. Изучение связи озона с течениями воздуха на различных высотах, от уровней 500 до 50 мб, гдеадвективные влияния на озон наиболее сильны«

3« Исследование колебаний высоты центра тяжести озона Для этой цели удалось разработать новую простую методику расчета ¡10 по наблюдениям прямой солнечной радиации- она должна позволить по-новому рассмотреть связь озона и циркуляции.

Данная работа выполнена как на основании данных специальных наблюдений, организованных кафедрой физики атмосферы, так и по материалам Международного геофизического года и Международного геофизического сотрудничества. Эти материалы хранятся в Москве, в Международном центре данных (так называемый МЦД -В). Более подробная характеристика использованных данных будет дана ниже, в соответствующих главах работы.

Г 1 А В А I

НЕКОТОРЫЕ ПРМШИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЗАВИСИМОСТЕЙ МШУ ОЗШШ И ЦИРКУЛЯЦИЕЙ

А, межсуточные колебания количества озона а) Влияние адвекции воздушных масс на содержание озона.

Были сделаны многочисленные попытки связать вариации атмосферного озона с атмосферной цир^ляцией и с изменением приземной и высотной барических ситуаций. Так, например, еще в 1937 г. Митхэм /50/ в Оксфорде показал, что увеличение общего содержания озона X сопровождается понижением тропопаузы и нагреванием стратосферы в слое 12-18 км. Итог ряда работ был подведен в статье Норманда /54/. В частности, Норманд подсчитал ряд коэффициентов корреляции между X и температурой на уровнях от тропопаузы до уровня 70 мб, наземным давлением, относительной топографией различных изобарических поверхностей в тропосфере и т.д. Позднее, такого рода вычисления делали Юхансен /37/, /38/, Безверхний /2/, Гущин /7/ и др. Полученные ими корреляционные зависимости оказались довольно устойчивыми.

В таблице I приводятся коэффициенты корреляции содержания озона с метеоэлементами по данным ряда исследователей.

В общем везде при высоком наземном давлении и высокой температуре (большой ОТ ) в тропосфере количество озона обычно уменьшается, в особенности летом, а высокая температура в стратосфере обычно связана с большим значением X ( в особенности на уровнях 100 и 70 мб - около 16 и 20 км). Заметим, что в

Таблица I

Коэффициенты корреляции между общим содержанием ©зона и различными метеоэлементами, по данным «Цэбсона Норманда/54/ ж Гущина /7/.

Коэффициент корреляции между содержанием озона X и П® Доб- СОНУ По Нврманду П® Гущину

1927 г. 13/Х1- 9/ХП- 1950г* 9ДП-ЗД-50-51 гг 4-29/1-1951г. 30.1-24/Й-1951г. Коэффициент коррел. между X и Станция А^чоЪ, 2а коть- рЬи1 ¿й гислмви!

Наземным давлением -0,46 -0,46 -0,69 -0,32; -0,46 Температур©! на высоте 12 км. Воейкове Оксфорд Ароза Алма-Ата Воейкове Воейкове Воейков© + 0,11 + 0,65 + 0,42 + 0,88 - 0,16 + 0,55 + 0,31 Ш-Х 1У-У УП-УШ 1Х-Х

0? 700 1000 -0,67 -0,81 -0,47 -0,44 -0,56

ОТ 500 700 -0,67 -0,72 ——\ -0,65 -0,32 -0,38

ОТ 300 500 -0,62 -0,89 -0,71 -0,27 -0,67

Температурой тропопаузы - +0,68 +0,35 +0,14 +0,38

Т.на уровне 200мб — +0*53 +0,40 - +0,67

150мб — +0,62 +0,28 +0,17 +0,60 «Щшленжек на высоте 12 км. Воейкове Оксфорд Ароза - 0,63 - 0,51 - 0,55 1-Х

100мб — +0,60 +0,52 +0,53 +0,59

70 мб +0,59 +0,55 +0,53 +0,53

4*сете>С, Троь о* # Воейков© - 0,79 Ш-Х

ТСЛЧбЬ мо ^ елея Воейков© - 0,80 1У-У

Ленинграде в отдельных случаях такая зависимость в стратосфе* ре отсутствует /7/. Из цифр, приведенных Нормандом, видно также, что в отдельных случаях (например, в период 4-29.1-1951) эта связь существенно нарушается, как в тропосфере, так и в нижней стратосфере.

В 1955 г. Безверхний /2/ указал, что в Алма-Ата коэффициент корреляции количества озона с температурой на высоте 13 км достигает 0,88 + 0,03, Сходный, но более слабый эффект наблюдали Миякэ и Кавамура /51/ в Японии, где на уровнях 100 и 60 мб соответствующие коэффициенты корреляции весной (февраль-апрель) достигали 0,54 и 0,49.

Очевидно, что фотохимические процессы, связанные с медленно меняющейся радиацией солнца, не могут быть ответственны за межсуточные колебания 0 . Таким образом, наблюдаемые изменения содержания озона следует трактовать как результат некоторого перемещения воздушных масс, вместе с содержащимся в них озоном.

Многие исследователи считали горизонтальную адвекцию « важнейшей причиной межсуточных колебаний содержания озона. Наблюдающийся меридиональный градиент распределения озона и связь общего содержания озона X с вторжениями полярного воздуха допускали возможность такого заключения. Так, например, Мозер (1944г.) /52/,Добсон (1946г.) /9/ и др. пытались связать в ряде частных случае^ изменения X с синоптическим положением. При этом Мозер получил тот, ставший впоследствии общепринятым, результат, что приток воздуха на высотах 16 км из полярных районов создает увеличение 03 и наоборот. Этот механизм наиболее эффективен весной, когда различия в содержании озона между высокими и низкими широтами велики»

В 195о году в Адма-^та также была обнаружена прямая связь содержания озона с типом атмосферной циркуляции /2/. При широтном типе циркуляции в Алма-Ата отмечается среднее количество озона. При меридиональном выносе тепла с юга количество озона уменьшается, при выносе холодного воздуха с севера или северо-запада - увеличивается,

В последнее время, в особенности после обработки данных МГГ, был уточнен сезонный ход меридионального градиента X (в работах Гущина, Норманда, Мак-Доуэлла и пр.). Обнаружилось, что в северном полушарии ранней весной содержание озона возрастает до полюса. Это объяснило тесную связь колебаний X с холодными вюоржениями в это время, тогда как,позднее, смещение максимума к югу (на широту около 60° с.ш.) часто нарушает такую связь.

Ще более сложным оказалось распределение озона над Антарктикой /47/, где в сентябре-октябре (т.е. весной) максимум X находится под 55° ю.ш. и лишь позднее в ноябре-декабре максимум формируется над полярной областью. По-видимому,из-за этого там корреляция между озоном и температурой стратосферы и пр. гораздо слабее, чем в северном полушарии.

В 1952 г. Лангло /46/ заметил, что осенью соответствующего полушария меридиональный градиент X мал и, что следовательно, трудно объяснить быстрые колебания озона адвекцией с севера или с юга.

Не вносит существенных дополнений и вклад широтной адвекции в межсуточные вариации содержания озона осенью. Она, как показал Юхансен /37/ в 1955г., достигает максимума также в весенние месяцы. В отдельных случаях, правда, как следует из работы Лангло /46/, широтная адвекция создает довольно большие межсуточные колебания озона. Но все такие случае относятся к весенним месяцам.

Существующие в осенние и летние месяцы заметные межсуточные вариации содержания озона, а также высокие коэффициенты корреляции содержания озона^с метеорологическими элементами в это время заставляют искать кроме адвекции также и другие источники межсуточных вариаций?содержания озона. б) Вопрос о влиянии вертикальных потоков на содержание озона в атмосфере

В результате исследований ряда авторов: Митхэм /50/, Рид /66/, Юхансен /37/, Петцольд /58/, Мияке и Кавамура /51/, стало ясным, что. для баланса озона большую роль могут играть различного рода вертикальные движения в атмосфере. В отличие от адвективной теории, считавшей источником роста озона в данном месте удаленные области с большим X, при этом предполагают, что содержание озона увеличивается при опускании верхних, более богатых озоном, слоев воздуха вниз. В верхних же слоях озон быстро восстанавливается фотохимическим процессом и таким образом, его общее количество при нисходящем движении нарастает. йце в 1937 г. Митхэм пытался обнаружить существование таких вертикальных перемещений озона по соответствующим изменениям температуры ото дня ко дню, но такой способ анализа вертикальных скоростей сейчас нельзя считать надежным. Температура меняется не только от вертикальных движений, но и от горизонтальных.

В 1950 г, Рид /66/ и в 1951г. Рид и Джулиус /67/ показали, чю вертикальные скорости порядка всего 0,02-0,06 см/сек (и соответствующая горизонтальная конвергенция) могут объяснить значительную часть наблюдаемых изменений Од. Николэ /53/, ^ Дютш /28/ и др. рассматривали это явление теоретически, а Пет-цольд /58/ подобрал ряд примеров, когда очень быстрые изменения озона можно было объяснить таким способом.

Рид /65/ сопоставил несколько серий наблюдений общего со-держения озона над Нью-Йорком с аэрологическими данными (с колебаниями температуры) и нашел, что увеличение количества озона сопровождается, как он полагал, нисходящими лотокамни на высотах 10-16 км, причем скорость потоков уменьшается с высотой. Исходя из этих данных,Рид построил схему, объясняющую межсуточные колебания содержания озона. Представим себе обычный циклон средних широт. Наземный циклон обычно сопровождается на высоте гребнем и следующей за ним ложбиной. Воздушная масса течет между гребнем и ложбиной,оседая, что ведет к увеличению содержания озона. Последнее достигает максимума в высотной ложбине к западу от центра наземного циклона, где к этому эффекту оседания добавляется эффект адвекции, так как в данном случае масса воздуха движется из северных, обычн-о более богатых озоном областей. В тылу ложбины воздушная масса движется на север, поднимается, подвергаясь вертикальной дивергенции и создает минимальную концентрацию озона в высотном гребне. Аналогичную, основанную на общих соображениях, связь между наземным циклоном и содержанием озвна описал в 1946 г. также и Добсон /9/, ссылаясь на измерения 03 в Англии.

Юхансен /37/ в 1955 г. сопоставил волны давления и температураа на высоте 6 км над Тромсе (Норвегия) с вариациями содержания озона в течение ряда лет. На рис, I представлены вычисленные им отклонения пятидневных средних значений давления и температуры на высоте 6 км и содержания озона от средних месячных в течение 1941-44г.г.

МО,ем <з<

Фев/тль

Март Апрель Пай Давление —

Июнь Июль Август Сентябрь Октябрь Температура — Озон

Рис.1 Вариации пятидневных средних давления и температуры на 6 км и содержание озона над Тромсе /37/,

Из рисунка ясно видно, что при прохождении высотного гребня давления (т,е. перед циклоном) наблюдается низкое содержание озона и наоборот. Наличие такой связи подтверждается и тем фактом, что максимальные флуктуации содержания озона, как видно на рисунке, наблюдаются зимой и ранней весной, когда в Центральной и Северной Европе наблюдается активная циклоническая деятельность.

Связь содержания озона с полем давления на различных высотах исследовали также Мияке и Кавамура /51/ в Японии, Рассмотрение карт барической топографии 50 мб уровня совместно с данными озонометрической станции в Токио привело их к заключению, что на этом уровне существует система потоков, направленная вверх в передней части ложбины, и вниз - в тылу ее, 3 нижней стратосфере направление потоков было обратным. Оказалось, что вариации озона таковы, что существует положительная корреляция содержания озона с нисходящими потоками в стратосфере. Заметим однако, что во всех этих работах речь шла о предполагаемых вертикальных движениях, а не о рассчитанных или наблюденных. Лишь позднее в практику синоптической метеорологии вошел расчет вертикальных движений.

В жропический районах, например, в Кодайканале ( 10° N ) и Монтецуме (Чили, 22° 2 ) межсуточные колебания незначительны и связи их с погодой не обнаружено (Норманд /54/, Крэг /26/), В 1953 году Петцольд /59/ наблюдал интересное явление, иллюстрирующее несколько иным способом свяяь содержания озона с вертикальными движениями в атмосфере. Измеряя содержание озона над Альпами в ноябре месяце, он обнаружил очень узкую область около 20 км ширины) с содержанием озона около половины изме ренного на краях этой области. Эта "озонная дыра" хорошо объяснялась интенсивными Ценовыми волнами", которые были вызваны тогда сильным северо-западным ветром над Альпами*

Интересные соображения о вертикальных движениях возникли при обработке четырех подъемов шаров зондов, проведенных осенью 1953г. в Вейсенау /60/. В это время года, как было указано выше, влияние адвекции наименьшее и колебания X и изменения вер1 тикального распределения озона вызываются, вероятно, главным образом, вертикальными движениями* Как показывает рис, 2, все кривые пересекаются на уровне около 20 км. Считая, как это делает Петцольд, что на этом уровне не существует вертикальных движений, можно легко объяснить с%ну острых и плоских максимумов озона, предположив, что над и под 20-ти километровым уровнем направление вертикальных движений обратное.

Используя данные рис. 2 и учтя время установления фотохимического равновесия, Петцольд определил скорость вертикальных движений. Он нашел, что она порядка I см/сек ниже 35 км и в несколько раз большая на высотах около 50 км. Аналогичную О ао! 0,02 (р/КМ) величину скорости получил в 1961 г, Миргатройд /52а/. Если эта оценка правильно, то в стратосфере могут происходить значительные вертикальные переноса масс воздуха до высот 50 км. Нет сомнения, однако, что при различных синоптических ситуа» циях смена знака вертикальных движений может происходить на различных высотах, а не обязательно на 20 ш. г

Мартин и Брюэр /48/ в 1954 г. пытались оценить корреляцию между озоном и вертикальными движениями, рассчитанными по карте барической топографии (в предположении постоянства вихря) уровня 100 мб (около 16 км) в период 11-19 декабря 1952г. в Англии. Они, таким образом, заменили качественные соображения о вертикальных скоростях уже некоторыми числовыми данными* Только две из рассмотренных ими траекторий начинались и кончались над озонеметрическими станциями* Для одной из них за период 24 часа количество озона уменьшилось на 12$, в то вре* мя как уровень 100 мб спустился на 5 мб (около 1/4 км), для другой соответственно на 16$ и 5 мб. Это несколько меньше скорости, найденной Петцольдом* Возможно, что здесь повлияла адвекция. Для других 31 траекторий, не проходивших над озономет-рическими станциями, использовался статистический метод, в результате которого эффекты адвекции и меридионального градиента исключались. Коэффициент корреляции между вертикальными движениями и количеством озона оказался равным +0,55 (+ , если считать восходящие движения отрицательными).

Максимальные движения были равными +12 мб/24 часа или около 0,7 см/сек, что удовлетворительно согласуется со скоростью, найденной Петцольдом и больше той, которая оценена Ридом.

Норманд, обрабатывая кривые вертикального распределения, найденные из "эффекта обращения", нашел, что увеличение на 18$ количества озона на 24-часовой траектории сопровождается снижением уровня 70 мб на 2 км и уровня 40 мб - на I км.

Рид расчитал возможное увеличение количества озона при опускании на 1,4 км воздуха в области нижней стратосферы« Исходя из предполагаемого распределения озона по высоте, при со~ держании озона, равном 0,320 см, Рид получил величину 0,024см.

Аналогичный расчет, выполненный Петцольдом /63%/ показал, что опускание слоя от 10 до 20 км в среднем на I км весной может дать увеличение X на 0,021 см - величину, близкую к найденной Ридом.

В недавнее время Бритаев /3/ впервые попытался сопоставить изменения X с вертикальными движениями в стратосфере, измеренными по способу П.Ф.Зайчикова с помощью радиозонда. Он предположил, что эти данные подтверждают наличие связи между ними, но подученные им коэффициенты корреляции очень малы (0,08-0,12). в) 0 влиянии турбулентности.

Немаловажную роль в некоторых процессах, связанных с вариациями содержания озона играет турбулентность. Турбулентное перемешивание воздуха стремится выровнять отношение озон/воздух, а так как это отношение сильно растет с высотой, примерно до 22-23 км, то результатом турбулентного обмена является перенос озона в нижние слои стратосферы и в тропосферу. В связи в этим турбулентность приобретает большое значение и для распространения озона в тропосферу.

Можно представить себе слой атмосферного озона, состоящий из 3 областей: I) область выше 30 км - зона образования озона

- к так называемый "материнский слой"; 2) основная область - область аккумуляции озона - 30 ш - тропопауза и 3) область разрушения озона в тропосфере. Озон разрушается в тропосфере окисляющимися составляющими воздуха и пыли, а также фотодиссоциацией в присутствии паров воды* Как показали Форбс и Хайдт в 1934 г., квантовый выход реакции фотодиссоциации пропорционален количеству молекул воды /31а/*

Большая турбулентность и большая влажность тропосферы в экваториальных областях ведет там к почти полному отсутствию озона в тропосфере. Однако, как указывают Раманатан и Кулькар-ни, одной турбулентностью нельзя объяснить ход содержания озона и связь его с широтным профилем тропопаузы. Так, например, Джонсон и др. /40/ пытались объяснить весенний максимум озона на широтах 60° крупномасштабной циркуляцией на высотах более 30 км. Расчеты показывают, что наблюдаемое увеличение озона может быть вызвано турбулентностью с коэффициентом перемеяива-ния, равным 1-5 гр/см сек. Такой необычно большой коэффициент перемешивания может быть вызван, по их мнению, наличием сильного меридионального градиента давления, возникающего весной на этих высотах на границе дня и ночи*

Нет сомнения, что обычная турбулентность не может объяснить быстрые вариации озона ото дня ко дню или быструю перестройку его слоя. г) Весеннее нарастание озона

Весьма давно было обнаружено быстрое нарастание количест ва озона в конце зимы, наибольшее в полярных областях. Подробно это явление описал Годсон /33/, посвятивший ему свой доклад на Ассамблее МГГС в Гельсинки в 1960г.В отдельных случаях, как это было например, в Рейкьявике 26-28.1-1958г, или в Му-сони (Канада) 28.1-1.П-1958г. количество озона увеличивается за несколько дней на 0,12-0,15 см. Меньшее нарастание в это время наблюдается в более южных широтах: так например, в Винья-ди-Вадле повышение X 20-25.1-1958г. составило 0,08 см, по сравнению с 0,14 см в Рейкьявике.

Весьма важно отметить, что в полярных областях после этого "взрыва" высокий уровень X сохраняется надолго, хотя и продолжаются небольшие колебания X. Это явление сопровождается резким повышением температуры на уровне 100 мб, достигавшем в отмеченных случаях дТ « 30°

Годсон связывает нарастание X с разрушением зимнего струйного течения "на краю полярной ночи" и появлением больших ба-роклинных "длинных волн" в общем западном потоке стратосферы* Его объяснение, однако, дано лишь в самых общих выражениях и оставляет много неясностей. Если в бароклинных волнах, о которых он говорит, существуют нисходящие движения, то последние должны быть исключительно сильны, чтобы X увеличилось на 40-5С$ за несколько дней. Таким образом, резкое весеннее нарастание озона в полярных областях еще ждет своего подробного объяснения. д) Суточный ход озона

В последние годы внимание исследователей привлекают краткосрочные изменения содержания озона, которые иногда могут происходить в течение нескольких часов. Сюда относятся изменения содержания озона в течение дня, во время сумерек и ночью,

• — изменения его при затмении Солнца и др. С этой точки зрения большой интерес имеет анализ дневных изменений озона, сделанный А.Халеком в Кабуле ( Ц> «34°) в 1950-51г.г. /45/. Большая высота над уровнем моря (1800 м) и чистота атмосферы были тдо весьма благоприятны наблюдениям» Оказалось, что количество озона там убывает к полудню и снова растет к вечеру, примерно пропорционально бес 2 ; запоздание незначительно - минимум имеет место примерно через I час после прохождения солнца через меридижя* Дневное убывание озона равно приблизительно 10$ в.ивне-июле, и уменьшается зимой до 5% (может быть даже до 0). Подобную же полуденную депрессию ( на 5-10$) ранее наблюдал Карандикар в Дели /41/. Наоборот,в Арозе (Швейцария) наиболее точные и связные ряды наблюдений указывают на небольшой минимум до полудня и максимум - после полудня,с полной амплитудой около 0,002 см летом и осенью, и несколько меньшей амплитудой - весной (апреле-мае).

Дютш /29/ попытался разобрать вопрос о суточном ходе с точки зрения теории фотохимического равновесия, раачитав общее изменение количества озона во всех слоях от земли до 50 км. Он показал, что, например, нет широтой 45° минимум должен наблюдаться около 8 час», максимум - около 16 час., и амплитуда должна быть около 0,0021 см. летом и 0,0005 см зимой. Это довольно хорошо соответствует данным наблюдений в Арозе. Дютш считает, что весной, когда в умеренных широтах идет разрушение озона, принесенного,например, из Арктики, уменьшение последнего должно итти в течение всего дня. Однако и этот эффект, в сочетании с описанным выше нормальным суточным ходом, не может объяснить большой суточной амплитуды в Кабуле* Дютш пред положил также, что на высотах 60-90 км должно образовываться довольно заметное количество озона ночью, за счет имеющегося там атомарного кислорода и реащции тройных столкновений. Этот верхний слой озона, однако, никому еще не удалось наблюдать.

Наблюдения Фурнье Д'Альба в Кветте (Пакистан) /32/ указали на значительное уменьшение озона перед заходом солнца (в отдельных случаях на 0,007-0,050 см) с последующим увеличением после захода (для этого пришлось разработать специальную методику наблюдений по луне). По-видимому, в верхней час/ ти основного слоя на высотах 40*60 км в последние минуты дня идет заметное уменьшение озона за счет уменьшения величины в формуле:

I Г

N3= к К у~р~ (I) где Ы2 и N5 есть число молекул О2 и 0Э,соответственно, в ед. объема, - полное число молекул и атомов в единице объема, I и I обозначают количества квантов, поглощенных кислородом и озоном в единицу времени в единице объема, Z и К - константы пропорциональности для двух типов процессов, определяемых реакциями (2) и (3). Формула (I) бала выведена Вулфом и Демингом /70/ в предположении фотохимического равновесия«

Вероятно I убывает скорее [ , так как характеризует более коротковолновую радиацию«

После захода солнца I * I » 0 и количество озона определяется реакцией образования:

О * 02 +М = И "Оз (2) и реакцией распада:

0 + °з * °2 + °2* ' ^

Причем соответственно: мл«31<[< (4)

Значение М3 мохет быть больше, чем днем. Это рассуждение показывает, что ночные наблюдения за озоном имеют большую ценность для проверки общей теории образованияОд и оценки констант времени фотохимических процессов.

Хориучи /36/ в Татено (Япония) в 1955-56г.г» сравнил дополуденные значения X, наблюдавшиеся в 9-10 час», с послеполуденными, отмеченными в 14-15 час. В табл. Ц приведено вычисленное им дневное нарастание дХ (в Ю~3 см). В среднем, в период июль-октябрь оно составляет 5.10"3 см.

Дневной рост содержания озона (в 10"3см) яа Хориучи /36/

Таблица П

1 9 5 5 ] % 1956 г. Среднее

УН УШ. IX X XI М 1 11 Ш 1У {

5,0 5,7 2,5 6,1 со ¿3" -1,8 4,7 1,7 -4,0 2,5 2,8

Б. Теории, объясняющие сезонные и широтные различия содержания озона,в связи с общей циркуляцией атмосферы

Во время Международного геофизического года большая сеть станций, разбросанных по всему миру, накопила богатый материал, касающийся сезонных колебаний количества озона и его зависимости от широты. Материал этот позволил проверить прежние представления о законах распределения озона в атмосфере. На рисунке 3 приведена построенная Нормандом в 1953 г. /56/ диаграмма изолиний X в функции от широты и сезона. Эта диа

Рис.3 Диаграмма изолиний озона по Нор-манду /56/. ХЧ0'3с грамма на нашем рисункё^%риведена к современной шкале коэффициентов поглощения озона Вигру /69/.

Из диаграммы можно заключить, что максимальное X отмечается в самых высоких широтах, в марте-апреле местах. Оттуда оно монотонно уменьшается до экватора, где X достигает минимума. Позднее максимум озона перемещается в более низкие широты, примерно до 60° с.ш.,и меридиональный градиент, наи-f больший в весенние месяцы, к лету постепенно уменьшается. В тропическом поясе невелики и сезонные изменения X.

Наблюдения МГГ подтвердили, что диаграмма Норманда в об» щем соответствует современным представлениям о распределении озона над северный полушарием, хотя советские наблюдения (в частности, на станции СП-7) заставили сместить весенний максимум озона на самый полюс* 5 то хе время из диаграммы, построенной Мак-Доуэллом /47/, следует, что близ экватора X в среднем равно около 0,245, в то время как по более старой диаграмме Норманда, с учетом поправки Вигру, получается X » 0,236, т.е. новые наблюдения дали несколько большие величины X для тропической области*

Исследования многих авторов показали, что сезонные колебания озона вызываются несколькими факторами, по-разному действующими в разных слоях атмосферы* Поэтому рассмотрение вариаций общего содержания озона недостаточно для анализа всех причин таких вариаций* Для этого нужно изучать свойства вертикального распределения озона и его изменения в течение года* Так можно показать, что сезонные (также, как и широтные) различия X связаны с явлениями общей циркуляции, вертикальны»! движенидамболыного масштаба, сезонные и широтным ходом турбулентности в нижней стратосфере и пр. Нет сомнения, что колебания солнечного излучения могут тоже играть некоторую роль*

• Многие исследователи с различных точек зрения пытались подойти к этому вопросу«

Гетц /35/ в 1944 г. высказал гипотезу, что турбулентное перемешивание приводит к транспортировке озона в нижние слои стратосферы, (где озон защищен от воздействия озоноразрушаю-щей компоненты солнечного излучения) интенсивнее всего зимой и ранней весной, когда вертикальный градиент ветра в нижней стратосферемвксимален* При этом количество 03 заметно возрастает*

Дютш /28/ в 1946г. рассчитал теоретически возможный вклад турбулентности в широтное распределение озона и показал, что турбулентность не может объяснить наблюдаемых различий» При этом он сделал попытку учесть некоторое заданное распределение вертикальных движений, вычисленное по скорости нагревания атмосферных столбов под разными широтами, считая, что между последними нет обмена воздухом* Такой вебьма упрощенный способ ' расчета, пренебрегающий горизонтальной адвекцией, несомненно, дает завышенные величины средних вертикальных скоростей. Тем не менее, рассчитанные широтные различия количества озона по величине составили около 20# наблюдаемых, а сезонные изменения в высоких широтах не более 5-10$ действительных. По Дютшу сезонные вариации в общем объясняются совместным действием солнечной радиации (свыше 30 км), дающей летний максимум озона, температуры (из-за увеличения К, см. формулу (4) ), смещающей этот максимум ближе к весне,и вертикальных движений. В частности, нисходящие движения, усиливаясь зимой, дают максимум озона в январе. Суммируясь, эти факторы создают весенний максимум озона и его осенний минимум*

В тесной связи с работами Дютша находятся расчеты, сделанные Петцольдом /60/* Петцольд на основе анализа кривых наблюденного вертикального распределения озона, полученных к тому времени в Вейсенау, построил интересную схему сезонных вариаций содержания озона в разных слвях (см.рис.4). Полученную сезонную зависимость он объясняет следующим образом:

I* Выше 30 км. наблюдается летний максимум озона, причем сезонная амплитуда, равная 0,02 см, хорошо согласуется с теоб ви ем ю$ о он

0 05

001 Ы г'—г0 -л.«»'

Ли 4^1 ы 1 Ое»1 Гая 1 Лп Ямм«

ЛЬпМк* ге-нЪщ.

-мкш.

-1$ Ьт

РисА Сезонный ход содержания озона в различных слоях по Петцольду /60/ еретическими вычислениями на основе фотохимической теории. Это значит, что выше 30 км вариации озона определяются только фотохимическими процессами«

2. В слое 25-30 км не наблюдается сезонных изменений. Это, вероятно, связано с тем, что фотохимический фактор и воздушные движения в этой области стратосферы действуют в противоположных направлениях, взаимно уничтожая друг друга. Возможно также, что ниже 30 км фотохимические процессы слишком медленны, а выше 25 км вертикальные движения слишком слабы, чтобы влиять на изменение озона«

3. Летний минимум в слое 20-25 км вызывается, по-видимому, усилением турбулентности, в результате которой часть озона переносится вниз, в слой 20-15 км, вызывая здесь некоторое увеличение озона в начале лета (известно, что нихе 20 км отношение озон/воздуХи резко убывает, и поэтому перемешивание с более высокими слоями способствует уменьшению озона в слое 2025 км).

4. В слое 10-20 км наблюдающийся весенний максимум вызы* вается полярной адвекцией» Этот сезонный максимум - проявление часто наблюдаемого вторичного максимума на высоте 15 км. полная амплитуда сезонных колебаний в этом слое достигает 0,0^см*

Рассмотренные выше процессы, однако, не могут объяснить возростания количества озона, происходящего, начиная с ноября месяца« Чтобы устранить это несоответствие, Петцольд предполагает, что в слое между 10 и 20 км существуют вертикальные воздушные потоки со средней скоростью 0,1 мм/сек, направленные вниз осенью и вверх весной. Эти вертикальные потоки сопровождаются горизонтальным переносом масс воздуха из летнего в зимнее полушарие со средней скоростью X м/сек. Таким образом,Петцольд предполагает (как и в его более поздней работе /61/) наличие обширной меридиональной циркуляции между обоими полушариями с нисходящим движением в зимнем и восходящим - в летнем полушарии. Малое количество озона в тропосфере экваториальны* стран (простирающейся до 16-17 км) дает некоторое косвенное подтверждение этой гипотезе«

Заметим, что в соответствии с этими вертикальными потоками должно наблюдаться изменение высоты тропопаузы в умеренных широтах. Действительно, там наблюдается скачок от летней тропопаузы с высотой 11,5 км к зимней - 10 км*

Такой механизм находится в согласии и с найденной Митхэмом /50/, ДОхансеном /38/, Гущиным /7/ отрицательной корреляцией между высотой тропопаузы и содержанием озона. Именно, они нашли, что опускание тропопаузы на I км сопровождается возрастанием содержания озона в среднем на 0,01 см.

В рассуждениях Дютша, Петцольда и Гущина,однако, слишком мало места было уделено горизонтальной циркуляции воздушных масс*

В 1959 г. в докладе на Всесоюзной конференции по ажмосфер-ному озону Г.П.Гущин /6/ сделал опыт расчета количества озона, существующего при условии турбулентного переноса его из верхнего озонообразующего слоя в нижний слой, где под действием определенного участка солнечного спектра с энергией / озон разрушается. Предположив, что интенсивность турбулентности нарастает параллельно интенсивности общей циркуляции и что разрушающая радиация меняется параллельно общей сумме радиации солнца, Гущин получил сезонные и широтные распределения (без учета мещдувиротного обмена), схожие с наблюденными. Для такого расчета однако, коэффициент турбулентности, как и величину ^ следовало бы заимствовать из прямых наблюдений.

В 1948 г. Крэг /26/ попытался рассмотреть возможное влияние меридиональной циркуляции стратосферы во всей ее толще на сезонные и широтные вариации озона. Он предположил, что в экваториальных областях в стратосфере происходит инстенсивное оседание и горизонтальная конвергенция. Воздушные массы двигаются на север над йропопаузой, повышая там содержание озона. Циркуляция, по мнению Крейга, может замыкаться через тропосферу и на высотах выше слоя озона (50*80 км). По расчетам Крейга, скорость направленного к северу ветра на высотах 15-30 км должна быть ^ 0,5 м/сек, чтобы объяснить существующий широтный и сезонный ход озона»

Малые количества озона, вопреки фотохимической теории наблюдаемые в низких широтах, объясняются по Крэгу, Гетцу, Риду и др*, высоким уровнем тропопаузы, большим количеством влаги, катализирующей распад озона и большим перемениваннем в экваториальной тропосфере*

В 1949 г* Рид /65/ пытался подойти к вопросу крупномасштабной циркуляции озона на основе следующих рассуждений* Предположим, что имеются рядом две большие массы воздуха с распределением озона, следующим из фотохимической теории* Допустим, что в одной массе происходит нисходящее движение воздуха и, следовательно, вертикальная дивергенция, а в другой - восходящие потоки и соответствующая вертикальная конвергенция* Так в совокупности этих воздушных масс возникает крупномасштабная циркуляция, которая ведет к росту количества озона в нижних слоях и уменьшению в верхних* Такой механизмдействующий в течение ряда последовательных дней,имеет место, например, в больших барических системах* Антициклональные области нисходящих движений, таким образом, более богаты озоном*

Описанный механизм, очевидно, наиболее эффективен при наличии сильной циклонической деятельности, которая, как известно, интенсивнее всего зимой на широтах около 60°• Так можно объяснить, по Риду, резкое увеличение озона весной на широтах около 60°• Весной и летом в этих широтах все большую роль начинают играть различные озоноразрушающие факторы: пыль, влажность и пр., что ведет к осеннему минимуму X*

В 1954 году Дютш /29/ предложил следующую схему для объяснения наблюдаемого широтного распределения озона. Ош нашел, что возможно объяснить быстрое увеличение содержания озона в высоких широтах во второй половине зимы при наличии крупномасштабного перемешивания (макротурбулентных процессов) если принять, что:

I* В это время существует сильное вертикальное перемешивание в стратосфере на высоте 30 км, причем в высоких широтах коэффициент перемешивания растет с высотой. В низких широтах на этой высоте перемешивание менее интенсивно.

2. Существуют меридиональные колебания воздушных частиц в виде так называемых "длинных волн" с амплитудой ^ 30004000 км на высоте 30-35 км и не более половины этой амплитуды в нижней стратосфере.

3* Разрушение озона в приземных слоях существенно меньше в высоких, чем в низких широтах. Второе предположение можно заменить гипотезой о существовании меридиональной циркуляции*

С помощью рис* 5 можно проследить возникающую при этом циркуляцию озона* Из области А в низких широтах озон движется на север в область В, где, благодаря очень сильному вертикальному перемешиванию, часть озона попадает в нищележащую область Т) , которая защищена от озоноразрушающей компоненты солнечного излучения основным вышележащим слоем озона*

Как показывают расчеты Дютша, обратный поток ^ меньше, чем X, 9 в результате в область £ попадает меньше озона, чем приходит в область Т) * Часть озона в £ разрушается* В результате получается большее содержание озона в области Г) и В, чем в А и Е*

Надо заметить, что вряд ли существует постоянная циркуля

Рис.5 Схема меридиональной циркуляции Дютша /29Д ция или колебания таких масштабов, какие нужны для объяснения подобных процессов* Коэффициенты перемешивания в стратосфере, вероятно, тоже невелики (в среднем) и их различием трудно объяснить большие и постоянно существующие различия в количествах озона.

В 1960 г. Петцольд /61/ несколько уточнил эту схему, вычислив количество возникающего и разрушающегося при одном цикле циркуляции озона*

Недавно Миргатройд /54/, исходя из довольно общих представлений о распределении источников и поглотителей тепла в атмосфере Земли, рассчитал возможную меридиональную циркуляцию атмосферы. На рисунке 6, заимствованном из этой работы, представлены траектории воздушных частиц при тахой циркуляции. Рис. 6а представляет траектории, кончающиеся осенью, а рис.бв -весной в северном полушарии* Возможно, что предложенная схема циркуляции в сочетании с результатами фотохимических расчетов может объяснить основные закономерности широтного и сезонного хода содержания озона* Действительно над высокими широтами в зимне-весенний период происходит нисходящее движение, ¿едущее

Рис#6 Траектории воздушных частиц в меридиональной циркуляции по Миргатройду /52а/ : Ь) траектории, кончающиеся веской , в) траектории, кончающиеся осенью» Буквами обозначаются положения воздушной частицы, соответственно : Г -в феврале, А-в апреле, ^в июле, б - в сентябре, О-в октябре , о-в декабре. к увеличению содержания озона на этих широтах, в то время как летом происходит обратный процесс*

В то же время меридиональные потоки с юга в высоки! широты приносят туда озона в весенние месяцы, вероятно, больше, чем

У| во 60 40 20 в осенние. Это следует из того, что весенние (кончающиеся в высоких широтах весной) траектории проходят в слое максимального содержания озона(20-35 км)и начинаются на экваторе в летние месяцы, когда там по фотохимической теории содержание озона больше.

Подводя итоги можно сказать, что имеются три основные схе» мы,на основе которых разные исследователи пытаются объяснить существующие сезонные и широтные колебания в содержании озона, а именно:

1. Стратосфера опускается зимой и поднимается летом. Хорошо известная отрицательная корреляция между содержанием озона и высотой тропопаузы,вероятно, является отражением этого процесса.

2. В силу того, что в нижней стратосфере отношение озон/ воздух увеличивается с высотой, любая вертикальная циркуляция и турбулентность ведет к транспортировке озона вниз. Предполагается при этом, что в более высоких слоях быстро восстанавливается фотохимически равновесная концентрация озона.

3. В последнее время все больше исследователей склоняются к тому, что должна существовать меридиональная циркуляция планетарных размеров, транспортирующая озон из низких широт в высокие. Приведенные выше результаты работы Ииргатройда,как будто, дают веские основания такой схеме переноса озона.

Факт остается фактом, что ни одна из этих схем в отдельности не может описать во всех деталях наблюдаемые в действительности вариации озона. Вероятно, каждая из этих схем (а может быть еще и другие) в сочетании с теорией фотохимического равновесия озона вносят свой вклад в общую картину временных и широтных колебаний озона* Ясно одно, что во всех этих схемах так или иначе присутствуют элементы общей циркуляции атмосферы* Изучение атмосферного озона в связи с общей циркуляцией атмосферы безусловно поможет правильному истолкованию временных и широтных колебаний озона*

ГЛАВА П

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ОЗОНА ПО ЗЕМНОМУ ШАРУ В ПЕРИОД МЕЖДУНАРОДНОГО ГЕОФИЗИЧЕСКОГО ГОДА

В основу подробного исследования изменений озона должна быть положена прежде всего общая схема его распределения по земному вару в функции от сезона и широты (и, поскольку это возможно, от долготы и др. географических характеристик)« Для этого нами были использованы материалы МГГ и МГС, довольно подробно освещающие северное и менее подробно южное полушарие» Мы обработали и свели в тайл. 1-У все сведения об озоне, имеющиеся в Международном центре данных (МЦД-В) за 1957-1958гг. были вычислены средние суточные значения содержания озона - X (табл. Ш в приложении), по ним средние месячные (табл. 1У в приложении) - затем годовые (табл. У).

Среднегодовое содержание озона в период МГГ и среднегодовое по Норманду, см.

Таблица У

Станция За перио! МГГ 1 По Но'] манду 1.— ---------------- 3- Станция За период МГГ ПоНор М8НДУ

Диксон 0.408 0.350 /4£аступани 0.307 0.319

Рейкьявик 0.352 0.348 Элмас 0.314 0.313

Воейково 0.365 0.345 Вашингтон 0.330 0.310

У к к ¿5 4 . 0,336 0.337 Мессина 0.332 0.310

Бисмарк 0.325 0.330 Мауиа-Лоа 0.269 0.258

Эльбрус 0.293 0.323 Брисбен 0.309

Алма-Ата 0.271 0.323 Аспендел 0.335

Винья-ди-Валле 0.345 0.320 о-ва Маккуори 0.370

Владивосток 0.290 0.323

Далее были выбраны месячные максимумы и минимумы X и вычислена их разница, характеризующая изменчивость атмосферного озона (табл.У1| ирмложении)

Следует заметить, что в МЦД имеются налицо не все данные об озоне, собранные во время МГГ; по приближенной оценке, 30-35# материалов не поступило туда и, как видно из табл. К, в рядах наблюдений отдельных станций имеется большие пробелы* Подробнее других, кроме СССР, представлены наблюдения Италии, США, Австралии, Исландии*

После того, как эта довольно громоздкая работа была закончена, можно было приступить к анализу общих закономерностей озона в 1957-1958 гг*

Прежде всего встал вопрос© том, насколько данные ИГГ отличаются от данных предыдущих лет, собиравшихся, как известно, с 1926 г* и насколько возможные различия между ними случайные или систематииеские* Это сравнение было затруднено тем, что ни на одной из бывших в нашем распоряжении станции МГУ не были сделаны систематические наблюдения в прошлом* Поэтому пришлось для сравнения широко использовать графическую интерполяцию* Мы уже приводили в гл. I диаграмму Норманда, подытожившего в 1954 г. имевшиеся тогда наблюдения (приведенные к современной шкале)* Мы сняли с этой диаграммы средние значения X для каждого месяца для широт наших современных станций и вычислили по ним также средние годовые величины X (табл.У)*

Наблюдения 1957-1958гг. в Западной Европе дали результаты в общем близкие к цифрам &pmH<f&> хотя и несколько повышенные в Винья-ди-Валле и Иессине, так же как и в Вашингтоне* На северных станциях СССР данные 1957-1958г.г. значительно повышены по сравнению с упомянутой схемой 1954г. В особенности велико наблюденное значение X на Диксоне*), где в частности, в мае 1958 г. среднее X достигло огромной величины 0,574 см, а 8.У там наблюдалось рекордное значение X = 0,686«

В Воейково значения X также весьма велики по сравнению со схемой, а на всех южных станциях СССР, наоборот, наблюдались количества озона, заметно меньшие по сравнению со схемой

Таким образом, над СССР меридиональный градиент X по крайней мере в 1957-1958гг. был значительно больше, чем это бело "заложено" в схемеД954г*, в то время как в Западной Европе он был несколько меньше, чем по схеме Норманда. Меридиональный градиент над западным полушарием нам не удается оценить из-за малого количества пунктов наблюдений, к тому же охватывающих малый интервал широт*

Эти соображения однако, не меняют нашего установившегося взгляда на сезонные и годовые изменения X* Как видно из табл. 1У наибольшие значения X наблюдаются весной в Арктике, а в более низких широтах X заметно меньше*

Наименьшее среднее годовое (0,269) (по диаграмме Норманда 0,258) и самый низкий годовой максимум (0,288 в мае) отмечен был в тропическом поясе на Мауш-Лоа под 19°29' с.ш. Очевидно^ эти цифры подтверждают прежние взгляды на широтное распределение озона*

Необходимо сделать еще один важный и новый вывод из табл. 1У и У. В восточном полушарии количество озона на широте 42-43°

Х^В связи с неточной градуировкой прибора на о.Диксон,, данные по содержанию озона на этой станции в 1958 г.представленные в МЦД-В, вероятно несколько завышены« заметно убывает вглубь континента» Средняя годовая величина X уменьшается с 0,345 в Винья-ди-Валле до 0,307 в Абастумани, ь до 0,293 в Элбрусе и до 0,271 в Алма-Ата» Она снова увеличивается во Владивостоке (до 0,290), на побережье океана. Это долготное различие между Западной Европой и Алма-Атой наименьшее осенью, когда оно порядка 0,060 см и достигает максимума в апреле (до 0,120). В этом же месяце отмечается и наибольшее нарастание X от Алма-Ата к Владивостоку.

Аналогичное соотношение, по-видимому, существует и в США. Если экстраполировать данные Вашингтона (расположенного невдалеке от моря) на широту 47°, то мы получим среднюю годовую, равную 0,359. В то же время, в Бисмарке, под 47° с.ш», среди континента, наблюдалось в среднем за год всего X = 0,325» Это понижение на континенте подобно наблюдаемому в Евразии, хотя и меньше его по величине.

В недавнее время аналогичный "континентальный эффект" обнаружил Раманатан /64/, сравнивая наблюдения в Японии и в Кашмире.

По-видимому, хотя данных для такого суждения еще очень мало, больших различий «оличества озона между восточным и западным полушарием нет, и среднее количество озона тут и там приблизительно одинаково.

Скажем еще несколько слов об экстремумах озона. Можно, как известно, выбирать максимумы (или минимумы) либо из отдельных наблюдений (назовем их абсолютными экстремумами), либо из суточных средних (суточные экстремумы). Последние, вероятно, являются более надежной характеристикой колебаний озона, так как неизбежные ошибки отдельных наблюдений заметно искажают абсолютные экстремумы, и меньше влияют на средние. Абсолютные и суточные экстремумы приведены в таблице У1 в приложении.

Как было уже указано, на наиболее северной из рассмотренных станций - Диксоне - '8,У- 1958 г. наблюдалось рекорд-ю высокое значение Х=0,626, причём весь май месяц X *е нажало ниже 0,470, а среднее суточное - миже 0,506 (см, таблицу I ). Было бы очень важно рассмотреть параллельно максимальные значения X на других станциях Восточной и Западной Арктики, На ближайшей из использованных лдесь станций - Рейкьявике - абсолютный максимум доходил до 0,580 (суточный - до 0,570 ) в феврале 1958 г,, в Воейкове - до 0,536 (0,516}. Максимумы были значительно ниже на Эльбрусе, в Абаетумани, во Владивостоке и Алма-Ата (в наследней они равнялись соответственно 0,359 и 0,326 ) и высоки на приморских станциях Италии. Там они достигали 0,537 (0,517) в Винья-ди-Валле и 0,525 (0,506) в Мессине. Хотя качество наблюдений на обеих станциях было заведомо различное, там отмечены были, как мы видим, близкие значения максимумов. По-видимому, эти последние не отягощены слишком большими ошибками. Близок к ним максимум в Воейково - 0,536 (0,516) и в Бисмарке - 0,540 (0,477) и заметно меньше на Эльбрусе - 0,479 (0,464). По-видимому, с удалением от моря в умеренном поясе максимумы количества ©зона постепенно уменьшаются. Наиболее низкие максимумы X наблюдались в тропических странах. На Мауна-Лоа (=19° 29') величина X не поднималась выше 0,306 (0,305).

Наименьшие значения X отмечены были на Эльбрусе 0,162 (но средним суточным 0,177) и в Алма-Ата - 0,177 (0,192). Правда , в Элмасе и Мессине были отмечены также хизкие минимумы -- соответственно 0,169 и 0,172, но средние суточные там гораздо выше (0,209 - 0,238), что заставляет упомянутые первые две цифры считать случайными. На наиболее надёжной из итальянских станций (Винья-ди-Валле), действительно, даже абсолютные минимумы не падали ниже 0,192. В общем, следует отметить, что значения X жиже 0,200 наблюдаются весьма редко ( по суточ ним - на 3 станциях из 14 ),

На Маума-Лоа, за исключением двух весьма ненадёжных отсчётов, минимумы содержания озона сравнительно очень высоки (0,232 - 0,240) несмотря на низкое среднее количество озона. В этом обстоятельстве проявляется снова малая изменчивость озона в тропиках.

Годовой ход минимумов (см. таблицу 1У) сравнительно неве лик на южных станциях - по суточным средним он равен 0,080 в Алма-Ата и 0,076 в "Винья-ди-Валле и возрастает на севере, где он доехигает-в Рейкьявике 0,142 и на Диксоне 0,236.

Wjjien4u8(icru

Следует сказать ещё несколько слов о месячной амплитуде^ как можно назвать разность суточных экстремумов, наблюдавшихся в течение данного месяца. Она заметно возрастает весной и наибольшая на станциях средних широт (до 0,241 в апреле в Мессине, до 0,195 в феврале в Элмасе), вообще несколько снижаясь ма севере, например, до 0,131 в мае в Воейково. В тропиках месячная амплитуда крайне незначительна - на Мауна-Лоа она меняется от 0,045 в марте до 0,012 в сентябре» опять- таки характеризуя этим большое постоянство озона в тропическом поясе.

Очевидно, полярные вторжения,ответственные за резкие колебания X в средних широтах, доходят до тропиков значительно ослабленными. Даже повышенная весной изменчивость озона умеренных широт распространяется в тропики, как мы видим, в весьма ослабленном виде. Интересно отметить, что небольшой вторичный максимум амплитуды, вероятно,, связанный с летним усилением меридиональной циркуляции, отмечается на многих станциях обычно в июле, и что после него наступает общее резкое падение амплитуды в августе или, несколько^реже, в сентябре. Позднее мы вернёмся к этому вопросу.

Годовая амплитуда - разность между высшей и низшей суточными средними - наименьшая в Алма-Ата (0,135) и Владивостоке (и,174), больше в Мессине (0,2б8) и достигает максимума в Рейкьявике (0,355) и на Диксоне (0,367).Возможно, что годовая амплитуда вообше понижена на континентальных станциях и повышена на приморских.

Заметим, что отмеченные существенные различия как между средним распределением озона вдоль меридиана над западной и над восточной группой станций, так и указанное большое различие в характере экстремумов, делают сейчас уже.неубедительным построение каких либо единых меридиональных разрезов, типичных для всего земного шара. Разрезы, подобные строившемся Гетцем (1944) и Ридом (1951), Нормандом (1954) и Годсоном (1960) /33/ не могут отобразить правильно существующие широтные различия озона.

Если обратиться к более подробному анализу годового хода содержания озона (средних месячных значений), мы обнаружим, что максимум везде наблюдается между февралём и маем. При этом трудно выяснить широтную зависимость времени наступления максимума. В общем, по-видимому, максимум наблюдается под широтой

60-64° в марте (Воейково?Рейкьявик), смещаясь на апрель на широтах 39-51° (Элмас, Уккль, Абастумани и др.) и на май под 20° с.ш. (Мауна-Лоа). Однако из этой схемы существенно выпадает Диксо« с его максимумом в мае, Вашингтон С Ц* =39°), где с февраля по май X меняется очень мало, Мессина и Алма-Ата с их максимумом в феврале.

Если пренебречь этими исключениями, то 1957-58 гг.подтверждают в общем прежнее представление о запаздывании максимума содержания озона в более низких широтах. Возможно, что отдельные повышения количества оша носят отпечаток случайных колебаний, связанных с изменениями погоды и общей циркуляции. ¡ Известно, что иммио в весенние месяцы наиболее сильны и изменения озона и общая циркуляция атмосферы. , Время наступления минимума количества озона как будто более ясным образом зависит от широты. На южных станциях минимум наблюдается в августе, на северных - от Уккля до РейкьяI вика - он смещается постепенно на ноябрь. Очевидно, большее постоянство озона в это время года позволяет закожомервоетлм годового хода выступить яснее. Существенно выпадает из этой I схемы лишь Мауна-Лоа, где минимум ( правда очень пологий и расплывчатый) отмечен в феврале. I

Очень интересной чертой ходового хода озона является бурное, подобное вирыву, нарастание озона на северных станциях в конце зимы, уже упомянутое в главе I. По нашим материалам мы можеи его проследить наиболее отчётливо в Рейкьявике. В то время, как там во второй юловине декабря и до 15 января (1958 г.) общее содержание озона - X сохранялось на уровне 0,270-0,300, примерно с 24.1, там началось повышение X. Уже

ЗОЛ содержание озона достигло величины 0,540, На станциях юго-западной Европы повышение X в это время было едва заметно.

Замечательно, что этот "взрыв" озона сменился его длительной частичной депрессией во второй половине февраля и лишь в марте был достигнут снова высокий уровень X.

Привлекает наше внимание ещё и довольно значительный годовой ход озона на Мауна-Лоа, В то время, как согласно диаграмм» Норманда месячные средние на широте 20° должны изменяться всего в пределах 0,005, действительный годовой ход достиг в I957-1958 гг, - 0,037. По-видимому, в этом отношении старая диаграмма Гетца 1944 г., указывавшая на годовой ход, достигающий 0,026 на широте 20°, была ближе к истине.

На рис.7 представлен годовой ход X в Винья-ди-Валле (42° с.пи), в Уккле (51°с.ш.), в Воейково (60°с.ш.) и Рейкьявике (64°с.ш.). Сплошной линией проведена кривая по данным наблюдений I957-1958 гг., а пунктирной - по данным, снятым с диаграммы Норманда 1954 г. (умноженным на 1,33).

В Винья-ди-Валле количество озона с ноября 1957 г. по апрель 1958 г. было больше, чем это следовало из старых наблюдений, То же отмечалось в Воейково до ноября 1957 г, и надо пожалеть, что из-за нехватки данных наблюдений там нельзя проследить ход X в декабре-январе. В феврале-марте там количество озона снова было повышено. В Уккле (где наблюдений в общем было сравнительно мало) и особенно в Рейкьявике согласие обеих кривых было удовлетворительным«, Это неудивительно, ибо схема Норманда 1954 г. была основана, в основном, на западно-европейских данных. Следует отметить, что с мая по декабрь 1958 г. (в сезон меньшей изменчивости количества озона)

400-¡50300 N а)

Х-Ю ь—I—Рчн—ь г». к н—I—I—

ДО 4- \ .

-н- I Т I

Щ— 350— I I Т~! у щ

Х1<Г'м. - ^

Нйй—

350

Х-(о'1«

-ь-ч—ь Л

I I

VII VIII IX X К\ XII I II

95? г. IV V VI г) ь

IX X и м 1Э5вг

Рис.7 Сезонный ход содержания озона на станциях : а) Рейкьявик^) Вовйково, в) Уккль , г) Винья--ди-Валлв. х----х - во время МГГ - по диаграмме Норманда.

ВИБЛЕЭТСКА I ссор 1

И. НИЦ | старые и новые данные по всем станциям согласуются довольно хорошо, подтверждая хорошее качество методики и старых и новых наблюдений и, в частности, оправдывая введение в период МГГ новых коэффициентов при расчёте озона.

Кривые для Уккля и Рейкьявика и других станций ясно указывают ещё на одну важную деталь - на появление второго, летнего максимума озона, который был в значительной мере сгла-кен в старых диаграммах. Дальнейшее исследование должно показать, связан ли этот максимум только с увеличением солнечной радиации или же его надо объяснять особыми условиями циркуляции атмосферы в этот сезон (см,главу Ш),

Материалы наблюдений показывают, что 1957-58 гг. были отмечены многочисленными резкими изменениями количества озона, отмечающимися на многих станциях» Связь этих изменений с колебаниями общей циркуляции будет далее предметом нашего особого исследования. Здесь же мы ограничимся сделанным выше весьма кратким и общим обзором распределения озона по земному шару.

Заключение диссертации по теме «Другие cпециальности», Кузнецов, Г. И.

ВЫВОДЫ

I. Обширные материалы наблюдений за атмосферным озоном во всем мире во время Международного геофизического года и года Международного сотрудничества вместе с аэрологическими данными МГГ предоставили хорошую возможность изучить связи между озоном и циркуляцией атмосферы в планетарном масштабе, значительно лучшую, чем это было возможно до сих пор.

2. Новые материалы в общем подтвердили прежнююс схему меридионального распределения озона и его годовых изменений, но обнаружили многие новые детали: так, в частности, оказалось что широтное распределение заметно неодинаково на различных меридианах, и что в годовом ходе общего количества озона наблюдает« ся вторичный летний максимум.

3, Связь общего количества озона с зональной циркуляцией ( характеризуемой индексом зональной циркуляции о^ ) сравнительно многообразна, и неодинакова в различных широтных зонах. Так, над средними широтами летом и зимой существует отчетливая обратная связь между X и ы > наиболее сильная для с<,ое , вычисленного для уровня 100мб. В переходные сезоны эта связь забивается резким годовым ходом обоих элементов, весной также и большой изменчивостью X. В северных широтах имеется прямая связь между X и Ы , так, как будто усиленная зональная циркуляция , действуя подобно барьеру, способствует накоплению озона в полярном районе. Эта зависимость относится к циркуляции рассматриваемой в масштабе всего полушария и в этом смысле и можно истолковать ее действие* как „барьера". Лишь в отдельных немногих случаях сходные зависимости между озоном и индексом зональ ной циркуляции обнаруживается для ос , вычисленного специально для данного района.

4. Особый интерес представляет зависимость общего количества озона от интенсивности меридиональной циркуляции, которая возникает, как возмущение в общем зональном потоке, рассмотренном ранее. Очевидно, меридиональную циркуляцию применительно к нашей задаче надо обязательно рассматривать в определенных меньших районах, вверх по потоку по отношению к данной обсерватории.

Наблюдения ряда станций обнаружили в 1957-1958гг. отчетливую прямую связь озона с локальным широтным градиентом, давления (на уровне 500 мб), характеризующим меридиональный перенос воздушных масс в данном районе. Меридиональному состоянию циркуляции соответствует повышенное количество озона в южной полосе умеренной зоны, а зональному состоянию - пониженное. Очевидно, при усиленном меридиональном переносе значительное количество озона выносится на юг из околопорярных широт, при наличии общего градиента 03, направленного на юг. Сглаженные методом 15-дневных скользящих средних отклонения (от годового хода) ежедневных значений локального широтного градиента давления и содержания озона в Риме и Париже, обнаруживают очень хорошую корреляцию, достигающую в Риме в холодное полугодие 1957-1958г значения + 0.79* При потоках воздуха , направленных из северных районов, содержание озона на этих станциях повышается, при южных потоках - падает,

5, Детализируя еще далее исследование циркуляции применительно к проблемам озона, можно сопоставить последний с типами циркуляции, характеризуемыми положением основных гребней, ложбин и высотных планетарных фронтальных зон. Здесь снова подчеркивается тот основной вывод, что озон увеличивается в ложбинах и в потоках, направленных с севера. При этом один и тот же тип может давать различные эффекты в отношении озона надЗап.Европой и над СССР, как показало сравнение данных станций Винья-Ди-Валле , Париж, Абастумани и Эльбрус,

6. В умеренных широтах обнаружен, так называемый , континентальный эффект, состоящий в уменьшении озона вглубь континента и увеличении его к побережье . Эффект этот несомненно существует паоыраетб^ Европой и £р,Азией,над Дальним Востоком и над Северной Америкой и объясняется различиями меридиональной циркуляции над различными районами,

7. Сопоставление годового хода изменчивости озона (разности месячных экстремумов) с годовым ходом индекса меридиональной цир» куляции Тм показало очень тесную связь этих величин, что еще раз подчеркивает связь колебаний содержания озона с условиями циркуляции, В частности, кроме главного зимнего максимума изменчивости, существует второй, летний максимум, отражающий второй 1 максимум Гп • Экстремумы в годовом ходе изменчивости имеют выраженную широтную зависимость, £ общем, запаздывая от высоких широт к низким,

8, Обнаружено, что изменение содержания озона от года к году ("вековые изменения") иЛштенс явности меридиональной циркуляции тесно связаны , и знак связи противоположен в различных широтных зонах, В годы; с повышенной меридиональной циркуляцией наблюдается повышенное содержание озона в средних широтах и пониженное в высоких,

9, Связь озона с общей циркуляцией атмосферы гораздо теснее в холодное полугодие, и слабее в теплое .

10, По-видимому, в связи озон - зональная циркуляция, важным оказывается индекс зональной циркуляции, взятой по полушарию в целом, в то время как в связи озон - меридиональная циркуляция наибольшая связь осуществляется, если использовать локаль-нне индексы циркуляции.

11. Общая схема связи содержания озона с общей циркуляцией атмосферы представляется таким образом, что при усилении меридиональной циркуляции и ослаблении зональной, содержание озона увеличивается в средних и южных широтах и уменьшается в высоких широтах. Особенно тесной эта связь оказывается в период большого градиента содержания озона север-юг.

12. На основе обнаруженных больших различий в содержании озона в различных географических районах, наличия континентального эффекта озона, тесной связи содержание озона с состоянием и типами циркуляции, представляется неправильным построение меридиональных разрезов для всего полушария в целом. В этой связи является очень важным дальнейшее расширение сети озоно-метрических станций, имея в виду уже построение карт содержания озона, как для отдельных дней, так и средних месячных и годовых карт.

13. Изучение связи X с индексом о< показало, что она является функцией высоты. В частности, наилучшая связь между этими величинами осуществляется на высотах 13-19км. В общем высота наилучшей связи уменьшается к северу, где обычно центр тяжести слоя озона расположен ниже. Вероятно в соответствующем слое происходит самая сильная адвекция озона. В результате изменения концентрации в этом слое ведут к изменению высоты центра тяжести слоя озона. Поскольку, таким образом,важно не только общее содержание озона, но и его вертикальное распределение, зависящее от циркуляционных характеристик, была разработана простая методика определения центра тяжести озона ( а также толщины его слоя^ по стандартным озонометрическим наблюдениям на спектральном приборе по прямому солнечному свету. Результаты обработки по этой методике наблюдений, проведенных в мае- июне 1957г., показывают, что высота центра тяжести изменяется чаще всего обратно изменению X, Это хорошо согласуется с общим положением о роли адвекции в нижней стратосфере и подтверждается другими авторами.

14. Вышеприведенные исследования основаны на систематических и в определенном смысле непрерывных наблюдениях за озоном, интенсивностью зональной и меридиональной циркуляции и типом циркуляции, не выбирая отдельные циклонические и антициклонические ситуации и не характеризуя циркуляцию каким-либо одним из ее косвенных признаков, например, изменениями температуры или высоты тропопаузы. Поскольку, как это следует из общей теории гидродинамического долгосрочного прогноза, индекс циркуляции действительно характеризует и даже быть может лежит в основе всей макро- картины синоптических процессов, данный подход к изучению проблем озона кажется оправданным.

В заключение выражаю огромную благодарность А.Х.Хргиану за руководство и помощь в работе, а также А.Л.Кацу за предоставленные данные и разработки, касающиеся индексов меридиональной циркуляции.

Выражаю' также большую благодарность многочисленным наблюдателям и ученым, которые помогли организовать озонометричес-кие работы МГГ и МГС во всем мире и дали возможность накопить важнейший материал об атмосферном озоне, такой полный, какого еще не было ранее в науке об озоне. I м 149 •

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В Ш и 1У главах было установлено, что три характеристики содержания атмосферного озона (сезонный ход, межсуточные колебания, изменчивость) и различие в географическом распределении озона обнаруживают тесную связь с элементами общей циркуляции атмосферы.

Здесь мы подытожим основные аспекты этой связи. При этом мы используем новый материал, недавно поступивший в наше распоряжение ( 76, 68а, 64а). Этот материал ( в основном наблюдения МГС 1959г) расширяет уже использованные данные,как по числу станций, так и по периоду измерений на отдельных станциях. В приложении в таблице 1Уа (являющейся дополнением таблицы ХУ) даются среднемесячные значения содержания озона на ряде станций СССР, Западной Европы, Северной Америки и Японии, часть которых не была использована.

Как характер общей циркуляции атмосферы проявляется в изменениях полей давления, температуры и ветра ото дня ко дню, так и влияние циркуляции на содержание озона проявляется, прежде всего, в междусуточных колебаниях озона на данной станции. Как следствие, влияние изменений общей циркуляции может проявляться и в сезонном и даже в вековом ходе содержания озона.

В гл. I и 1У была доказана тесная связь междусуточных колебаний озона с изменениями общей циркуляции атмосферы и ее элементов. В частности, кривые хода широтного градиента давления Г).г и общего содержания озона на ст.Винь»-ди-Валле вдут почти параллельно, особенно в период Х/1-31Д 1958г. (см.рис.17,19).

Подтверждением этой связи являются.приведенные на рис.29, сглаи женные методом 15 - дневных скользящих средних хо^ и содержании озона на ст.Винья ди Балле - и на ст.Монсури (Париж) за весь период МГГ-МГС. Ход содержания озона для Парижа приведен лишь для тех периодов, для которых непрерывность наблюдений позволяла применять метод скользящих средних.

На рис. 29. приведены также сильно сглаженные кривые , представляющие сезонный ход соответственно Г, и У . им ' 1-2. А во

На рис. 29 совершенно отчетливо заметна параллельность колебаний Гл и содержаний озона на обоих станциях. Эта параллельность наблюдается также и в сезонном ходе и X* . Связь содержания озона и гораздо теснее в холодное (XI-ХУ) полугодие, чем в теплое (У-Х), выделенных так, как это часто делается в метеорологии. Коэффициенты корреляции Ххг^ отклонений текущих значений Хаа и от их сезонного хода, отдельно для теплых и холодных полугодий, приведены в таблице ХХУ, вместе со средним содержанием озона за соответствующее полугодие - X .