В течение последних лет проблема ультрафиолетового излучения Солнца и звезд является кардинальной проблемой современной астрофизики. Если бы нам удалось найти распределение энергии в ультрафиолетовой части спектра светил, это было бы experimentum cruris для целого ряда теорий и гипотез и послужило бы новым интенсивным толчком к прогрессу наших знаний о космосе. Вместе с тем теперь стала практически очевидной важность наблюдений над атмосферным озоном, играющим основную роль в отношении ультрафиолетовых лучей. Озон поглощает широкую область в коротких длинах волн 2000— 3000 А, причем с такой интенсивностью, что, начиная с 2900 А, солнечный спектр совершенно обрезан. Не приходится говорить о том, что это налагает печать и на физику и на биосферу земного шара. Хотя гипотеза существования озона в верхних слоях атмосферы, высказанная Гартлеем, насчитывает уже 50 лет, первые точные исследования по озону были начаты во Франции в 1912 г. Фабри и Бью со ном и затем получили особенное развитие в работах Д об со на и Гетца. Из спектрографических наблюдений (обычно пользуются лучом Солнца или зенитным светом и иногда лучом Луны) определяется содержание озона в земной атмосфере, которое меняется в зависимости от времени года, географической широты и метеорологических условий. Кроме того, содержание озона и распределение его по высоте связано с рядом геофизических факторов: состав атмосферы, изменение температуры с высотой и т. д. Наконец, изменение содержания озона в атмосфере может зависеть от некоторых космических воздействий на Землю. В недавно опубликованной работе Фауль проводит сравнение числа солнечных пятен и содержания озона и получает параллельный ход, начиная с 1921 г. Однако отсутствие значительных колебаний содержания озона скорее указывает на отсутствие колебания ультрафиолетового излучения Солнца более чем в два раза. Следует заметить, что все вариации содержания озона, наблюдаемые до сих пор на Земле, происходят в границах 0.17— 0.42 см. В среднем толщина слоя озона для наших широт представляет 6.3 см при нормальном давлении. Спектр поглощения озона являет следующую картину: полосы Гартлея расположены приблизительно в области 2200—3000 А. Эти полосы наиболее интенсивны. За ними начинается поглощение, вызванное молекулой 04, которое продолжается до 1800 А. Область 1300— 1800 А содержит сильные полосы диссоциации обычного кислорода 02. Полосы Гюйгинса в области 3000—3400 А, открытые в спектре Сириуса в 1892 г., сыграли большую историческую роль в смысле определения высоты слоя озона теперь оставленным методом зенитного света. Третья группа полос — полосы Ша-пюи — расположены в видимой части спектра, красной и оранжевой. Они соответствуют, вероятно, метастабильным состояниям молекул озона и имеют чрезвычайно малый коэффициент поглощения и вследствие предиссоциации чрезвычайно размыты. Поэтому они и были открыты в солнечном спектре только в 1924 г.
Озонные экспериментальные исследования были, главным образом, посвящены следующим вопросам:
1) Лабораторные исследования спектра поглощения озона. Наиболее интересными результатами являются результаты, полученные Вульфом и Мельвином. Эти авторы нашли, что контрастность полос озона возрастает при понижении температуры. Продолжение этих работ, которое ведется сейчас в лаборатории Фабри в Париже, обещает непосредственное определение температуры стратосферы в области содержания озона. Изучение и отыскание полос в поглощении озона в спектре земной атмосферы в настоящее время в первом приближении уже закончено.
2) Изменение содержания озона в атмосфере. Исследования Добсона и Гетца установили, что содержание озона весной больше, чем осенью (оно незна
чительно изменяется также в течение дня, причем утром оно несколько больше, чем вечером) и, кроме того, возрастает с географической широтой. Так, по исследованию Гетца, для Шпицбергена оно в полтора раза больше, чем под экватором. Сейчас особенно важны точные спектроскопические измерения содержания озона ночью в Арктике в течение полярной ночи. Особенный интерес представили бы измерения содержания озона в связи с полярными сияниями. Определение содержания озона в нижних слоях атмосферы в течение полярной ночи также важно с точки зрения проверки фотохимической теории озона. Следует отметить систематическое исследование Гетца над содержанием 03 в нижних слоях. Содержание озона здесь также колеблется, и определить его несколько затрудняет наличие сравнительно большого остаточного поглощения, вызванного пока еще неизвестными причинами.
3) Измерения высоты слоя озона. Первые исследователи озона, исходя из отсутствия озона в нижних слоях и наблюдений, измерений, и предположили, что озон присутствует в виде слоя на высоте порядка 60 км. Гетцом, Добсоном и Митхамом в 1933 г. были поставлены фундаментальные исследования комбинированным методом — одновременно применялся метод зенитного света и метод непосредственного измерения интенсивности полос в спектре Солнца. Исследования производились в Арозе. Эти наблюдения привели к 'заключению, что озон расположен в виде слоя, начиная с 15 км до 35 км. Эти результаты, вероятно, не в пользу корпускулярной гипотезы происхождения озона; при этом они могут быть легко объяснены с точки зрения фотохимической теории озона; распределение озона по высоте согласуется с теоретической функцией Чепмана. Однако оно несомненно должно зависеть от широты. Поэтому постановка точных исследований по высоте озона чрезвычайно желательна. Но она может быть выполнена только инструментами по точности не ниже, чем озонный спектрометр Добсона.
Для объяснения содержания озона в земной атмосфере было высказано два принципиальных взгляда. Один взгляд связывал происхождение озона с корпускулярным излучением Солнца. Но кроме качественного указания на эту причину эта гипотеза особого развития до сих пор не получила. Впрочем, предварительные сообщения Довилье заставляют внимательно отнестись и к роли полярных сияний и света ночного неба в балансе озона. Другой взгляд говорит о происхождении озона вследствие разрушения кислорода 02 ультрафиолетовыми лучами Солнца. Это — фотохимическая теория образования озона. (Известно, что обычный молекулярный кислород имеет полосу в районе 1300—1800 А.) Эта радиация разбивает обычный молекулярный кислород на атомный. Существование атомного кислорода кладется в основу фотохимической теории озона. Еще вычисления Чепмана показали, что на высоте 80 км на каждые 300 молекул приходится один атом, а на высоте 120 км один атом приходится на три молекулы, т. е. содержание О быстро растет с высотой.
Можно пренебрегать диффузией и падением озона, так как продолжительность жизни озонной молекулы определяется следующими факторами: ультрафиолетовая радиация Солнца при длине волн порядка 2500 А; термические столкновения в более низких слоях, где присутствует озон в незначительном количестве и где находятся водяные пары, аммиак и перекись водорода (молекулы озона очень легко входят в реакцию с этими молекулами). Таковы факторы, разрушающие молекулу озона. Факторами, создающими озон, является ультрафиолетовая радиация Солнца еще более короткой длины волн — 1500 А, и, наконец, нужно иметь в виду полярное сияние. Интересная мысль высказана акад. В. И. Вернадским о значении биогенного происхождения свободного кислорода и, следовательно, о роли биосферы в образовании озонного экрана, столь важного для жизни.
В СССР работы по исследованию озона сейчас только начинаются. Точно содержание озона было определено лишь на Земле Франца-Иосифа, в Таджикистане и в Кучине (акад. В. Г. Фесенков). Полеты в стратосферу открывают новую эру исследований над озоном. Только теперь появляется возможность экспериментально проверять высоту слоя озона. Это может быть выполнено непосредственным фотографированием солнечного спектра через кварцевое окно кабины стратостата кварцевым спектрографом. Есть еще другой интересный путь, а именно—поднять на стратостате ночью источник ультрафиолетового света, который будет фотографироваться спектрографами во время подъема. Отсюда будет определена нижняя граница слоя озона. Особенный интерес представляли бы озонные исследования на советских арктических станциях во время полярной ночи. Для этого важна разработка, во-первых, точных астрономических методов определения содержания озона по спектрам звезд разных классов (не: который успех в этом отношении уже достигнут Добсоном и Шалонжем) и, во-вторых, непосредственного химического дозирования озона (такие исследования ведутся Довилье в Париже и в лаборатории акад. С. И. Вавилова в Москве). Будем надеяться, что ближайшие годы дадут нам достоверный экспериментальный материал и этим разрешат проблему озона.
До 1931 г. средняя высота озона в атмосфере над Европой считалась около 50 км: она определялась по наблюдениям ультрафиолетового поглощения озона в спектре Солнца при различных высотах в течение суток, в предположении (довольно сомнительном) отсутствия суточного изменения общего количества самого озона. Недавно была установлена совсем другая средняя высота, определение ее сделано по несколько измененному методу Cabannes и Dufay измерением поглощения озона в рассеянном зенитом свете. В 1929 г. Гетц открыл, что, при некоторой низкой высоте Солнца, это поглощение озона достигает максимума и затем, по мере того, как Солнце продолжает опускаться, оно снова уменьшается. Гетц заключил отсюда, что при низких солнечных высотах большая часть получаемого нами зенитного света рассеивается выше слоя озона и проходит вертикально через него вниз.
В 1932 г. Chalonge на основании аналогичных наблюдений заключил, что существует определенное количество озона ниже 20 км и выше до 80 км, причем концентрация увеличивается с высотой. Но более поздние работы Добсона, Гетца и Митхама показали, что средняя высота озона определенно приближается к 20 км. Это и было подтверждено экспериментами Регенера. Трудно определить распределение озона около этой средней высоты, но вообще .всякое распределение в соответствии с наблюдениями приводит к средней высоте в 21 км или 22 км. Мы даем здесь таблицу процентов всего количества озона над Арозой, встречающегося в некоторых определенных слоях, а также отношение объема озона к воздуху в этих слоях (когда все содержание озона, выраженное в сантиметрах, при нормальной температуре и давлении равно 0.220). Между 8 и 24 км точное распределение неопределенно, но около половины всего количества озона лежит выше 24 км, и поддающийся оценке процент лежит в тропосфере ниже 8.5 км, максимальная концентрация озона (относительно воздуха) встречается около 30 км; выше л ниже она быстро уменьшается. Приведенные данные касаются озона, независимо от времени года или погоды; эти изменения имеют место ниже 25 км и количество озона в нижнем атмосферном слое (до 8.5 км) измерялось непосредственно опытами поглощения при помощи искусственного источника. Полученные таким путем результаты показывают, что около 10% озона находится в нижнем слое.
ОБРАЗОВАНИЕ АТМОСФЕРНОГО ОЗОНА И РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ЕГО ПО ШИРОТЕ
Низкая средняя высота озона около 20 км затрагивает бывший спорным вопрос о его происхождении. Теперь представляется невероятным предположение, что озон образуется в воздухе, главным образом, корпускулами извне (как это думали французские авторы), частицами, производившими северное сияние. Точка зрения эта была выдвинута в виду возрастания содержания озона с возрастанием широты и увеличением содержания озона в течение зимы, с осени до весны, в особенности в полярных широтах. Однако для объяснения этих наблюденных фактов нет необходимости допустить существование какого-либо иного производящего озон агента, кроме ультрафиолетового солнечного света. Несмотря на то, что теория равновесия озона Чепмана имеет лишь временное значение и незавершена во многих отношениях, новые данные об озоне с каждым годом подтверждают ее. В результате работ, предпринятых Добсоном, окончательно было установлено, что помимо годового изменения содержания озона существует увеличение содержания озона с географической широтой. Этого нельзя сказать о корпускулярной теории образования озона. Здесь могут быть приведены следующие неясные с точки зрения этой теории вопросы: 1) каким образом в течение 36-часового пути от Солнца до Земли отдельные пачки корпускул не рассеиваются; 2) корпускулярной тени Луны не наблюдалось во время солнечного затмения 31 августа 1932 г.; 3) неясно, какова природа корпускул, и 4) как они могут долетать до высоты 30 км (при вероятных скоростях по Милну высота в 100 км уже является предельной).
Остается отдельно упомянуть факт зависимости содержания озона от метеорологических условий (циклоны и антициклоны, низкое и высокое давление), который до сих пор не объяснялся ни одной из существующих теорий образования озона.
Озонные экспериментальные исследования были, главным образом, посвящены следующим вопросам:
1) Лабораторные исследования спектра поглощения озона. Наиболее интересными результатами являются результаты, полученные Вульфом и Мельвином. Эти авторы нашли, что контрастность полос озона возрастает при понижении температуры. Продолжение этих работ, которое ведется сейчас в лаборатории Фабри в Париже, обещает непосредственное определение температуры стратосферы в области содержания озона. Изучение и отыскание полос в поглощении озона в спектре земной атмосферы в настоящее время в первом приближении уже закончено.
2) Изменение содержания озона в атмосфере. Исследования Добсона и Гетца установили, что содержание озона весной больше, чем осенью (оно незна
чительно изменяется также в течение дня, причем утром оно несколько больше, чем вечером) и, кроме того, возрастает с географической широтой. Так, по исследованию Гетца, для Шпицбергена оно в полтора раза больше, чем под экватором. Сейчас особенно важны точные спектроскопические измерения содержания озона ночью в Арктике в течение полярной ночи. Особенный интерес представили бы измерения содержания озона в связи с полярными сияниями. Определение содержания озона в нижних слоях атмосферы в течение полярной ночи также важно с точки зрения проверки фотохимической теории озона. Следует отметить систематическое исследование Гетца над содержанием 03 в нижних слоях. Содержание озона здесь также колеблется, и определить его несколько затрудняет наличие сравнительно большого остаточного поглощения, вызванного пока еще неизвестными причинами.
3) Измерения высоты слоя озона. Первые исследователи озона, исходя из отсутствия озона в нижних слоях и наблюдений, измерений, и предположили, что озон присутствует в виде слоя на высоте порядка 60 км. Гетцом, Добсоном и Митхамом в 1933 г. были поставлены фундаментальные исследования комбинированным методом — одновременно применялся метод зенитного света и метод непосредственного измерения интенсивности полос в спектре Солнца. Исследования производились в Арозе. Эти наблюдения привели к 'заключению, что озон расположен в виде слоя, начиная с 15 км до 35 км. Эти результаты, вероятно, не в пользу корпускулярной гипотезы происхождения озона; при этом они могут быть легко объяснены с точки зрения фотохимической теории озона; распределение озона по высоте согласуется с теоретической функцией Чепмана. Однако оно несомненно должно зависеть от широты. Поэтому постановка точных исследований по высоте озона чрезвычайно желательна. Но она может быть выполнена только инструментами по точности не ниже, чем озонный спектрометр Добсона.
Для объяснения содержания озона в земной атмосфере было высказано два принципиальных взгляда. Один взгляд связывал происхождение озона с корпускулярным излучением Солнца. Но кроме качественного указания на эту причину эта гипотеза особого развития до сих пор не получила. Впрочем, предварительные сообщения Довилье заставляют внимательно отнестись и к роли полярных сияний и света ночного неба в балансе озона. Другой взгляд говорит о происхождении озона вследствие разрушения кислорода 02 ультрафиолетовыми лучами Солнца. Это — фотохимическая теория образования озона. (Известно, что обычный молекулярный кислород имеет полосу в районе 1300—1800 А.) Эта радиация разбивает обычный молекулярный кислород на атомный. Существование атомного кислорода кладется в основу фотохимической теории озона. Еще вычисления Чепмана показали, что на высоте 80 км на каждые 300 молекул приходится один атом, а на высоте 120 км один атом приходится на три молекулы, т. е. содержание О быстро растет с высотой.
Можно пренебрегать диффузией и падением озона, так как продолжительность жизни озонной молекулы определяется следующими факторами: ультрафиолетовая радиация Солнца при длине волн порядка 2500 А; термические столкновения в более низких слоях, где присутствует озон в незначительном количестве и где находятся водяные пары, аммиак и перекись водорода (молекулы озона очень легко входят в реакцию с этими молекулами). Таковы факторы, разрушающие молекулу озона. Факторами, создающими озон, является ультрафиолетовая радиация Солнца еще более короткой длины волн — 1500 А, и, наконец, нужно иметь в виду полярное сияние. Интересная мысль высказана акад. В. И. Вернадским о значении биогенного происхождения свободного кислорода и, следовательно, о роли биосферы в образовании озонного экрана, столь важного для жизни.
В СССР работы по исследованию озона сейчас только начинаются. Точно содержание озона было определено лишь на Земле Франца-Иосифа, в Таджикистане и в Кучине (акад. В. Г. Фесенков). Полеты в стратосферу открывают новую эру исследований над озоном. Только теперь появляется возможность экспериментально проверять высоту слоя озона. Это может быть выполнено непосредственным фотографированием солнечного спектра через кварцевое окно кабины стратостата кварцевым спектрографом. Есть еще другой интересный путь, а именно—поднять на стратостате ночью источник ультрафиолетового света, который будет фотографироваться спектрографами во время подъема. Отсюда будет определена нижняя граница слоя озона. Особенный интерес представляли бы озонные исследования на советских арктических станциях во время полярной ночи. Для этого важна разработка, во-первых, точных астрономических методов определения содержания озона по спектрам звезд разных классов (не: который успех в этом отношении уже достигнут Добсоном и Шалонжем) и, во-вторых, непосредственного химического дозирования озона (такие исследования ведутся Довилье в Париже и в лаборатории акад. С. И. Вавилова в Москве). Будем надеяться, что ближайшие годы дадут нам достоверный экспериментальный материал и этим разрешат проблему озона.
РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ОЗОНА ПО ВЫСОТЕ
До 1931 г. средняя высота озона в атмосфере над Европой считалась около 50 км: она определялась по наблюдениям ультрафиолетового поглощения озона в спектре Солнца при различных высотах в течение суток, в предположении (довольно сомнительном) отсутствия суточного изменения общего количества самого озона. Недавно была установлена совсем другая средняя высота, определение ее сделано по несколько измененному методу Cabannes и Dufay измерением поглощения озона в рассеянном зенитом свете. В 1929 г. Гетц открыл, что, при некоторой низкой высоте Солнца, это поглощение озона достигает максимума и затем, по мере того, как Солнце продолжает опускаться, оно снова уменьшается. Гетц заключил отсюда, что при низких солнечных высотах большая часть получаемого нами зенитного света рассеивается выше слоя озона и проходит вертикально через него вниз.
В 1932 г. Chalonge на основании аналогичных наблюдений заключил, что существует определенное количество озона ниже 20 км и выше до 80 км, причем концентрация увеличивается с высотой. Но более поздние работы Добсона, Гетца и Митхама показали, что средняя высота озона определенно приближается к 20 км. Это и было подтверждено экспериментами Регенера. Трудно определить распределение озона около этой средней высоты, но вообще .всякое распределение в соответствии с наблюдениями приводит к средней высоте в 21 км или 22 км. Мы даем здесь таблицу процентов всего количества озона над Арозой, встречающегося в некоторых определенных слоях, а также отношение объема озона к воздуху в этих слоях (когда все содержание озона, выраженное в сантиметрах, при нормальной температуре и давлении равно 0.220). Между 8 и 24 км точное распределение неопределенно, но около половины всего количества озона лежит выше 24 км, и поддающийся оценке процент лежит в тропосфере ниже 8.5 км, максимальная концентрация озона (относительно воздуха) встречается около 30 км; выше л ниже она быстро уменьшается. Приведенные данные касаются озона, независимо от времени года или погоды; эти изменения имеют место ниже 25 км и количество озона в нижнем атмосферном слое (до 8.5 км) измерялось непосредственно опытами поглощения при помощи искусственного источника. Полученные таким путем результаты показывают, что около 10% озона находится в нижнем слое.
ОБРАЗОВАНИЕ АТМОСФЕРНОГО ОЗОНА И РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ЕГО ПО ШИРОТЕ
Низкая средняя высота озона около 20 км затрагивает бывший спорным вопрос о его происхождении. Теперь представляется невероятным предположение, что озон образуется в воздухе, главным образом, корпускулами извне (как это думали французские авторы), частицами, производившими северное сияние. Точка зрения эта была выдвинута в виду возрастания содержания озона с возрастанием широты и увеличением содержания озона в течение зимы, с осени до весны, в особенности в полярных широтах. Однако для объяснения этих наблюденных фактов нет необходимости допустить существование какого-либо иного производящего озон агента, кроме ультрафиолетового солнечного света. Несмотря на то, что теория равновесия озона Чепмана имеет лишь временное значение и незавершена во многих отношениях, новые данные об озоне с каждым годом подтверждают ее. В результате работ, предпринятых Добсоном, окончательно было установлено, что помимо годового изменения содержания озона существует увеличение содержания озона с географической широтой. Этого нельзя сказать о корпускулярной теории образования озона. Здесь могут быть приведены следующие неясные с точки зрения этой теории вопросы: 1) каким образом в течение 36-часового пути от Солнца до Земли отдельные пачки корпускул не рассеиваются; 2) корпускулярной тени Луны не наблюдалось во время солнечного затмения 31 августа 1932 г.; 3) неясно, какова природа корпускул, и 4) как они могут долетать до высоты 30 км (при вероятных скоростях по Милну высота в 100 км уже является предельной).
Остается отдельно упомянуть факт зависимости содержания озона от метеорологических условий (циклоны и антициклоны, низкое и высокое давление), который до сих пор не объяснялся ни одной из существующих теорий образования озона.
