hydrophysicsФундаментальная и прикладная гидрофизикаFundamental and Applied Hydrophysics2073-66732782-5221St. Petersburg Research Center of the Russian Academy of Scienceshydrophysics-852Research ArticleФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ГИДРОФИЗИКИFUNDAMENTAL ISSUES OF HYDROPHYSICSТранспорт радона и формирование электрического состояния атмосферного пограничного слояThe radon transport and the atmospheric boundary layer electric state formationАнисимовС. В.AnisimovS. V.

Ярославская обл., п. Борок

Russian Academy of Sciences, Borok

svga@borok.yar.ruГаличенкоС. В.GalichenkoS. V.

Ярославская обл., п. Борок

Russian Academy of Sciences

АфиногеновК. В.AphinogenovK. V.

Ярославская обл., п. Борок

Russian Academy of Sciences, Borok

Геофизическая обсерватория «Борок» — филиал Института физики Земли им. О. Ю. Шмидта РАНРоссияBorok Geophysical Observatory of Schmidt Institute of Physics of the EarthRussian Federation20161811202294714Copyright © Анисимов С.В., Галиченко С.В., Афиногенов К.В., 20222022Анисимов С.В., Галиченко С.В., Афиногенов К.В.Anisimov S.V., Galichenko S.V., Aphinogenov K.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://hydrophysics.spbrc.ru/jour/article/view/852

Обсуждаются механизмы влияния стратифицированной турбулентности на формирование электрического состояния атмосферного пограничного слоя и вариабельность электрических параметров. В результате натурных наблюдений и численного моделирования установлено, что развитие конвекции в атмосферном пограничном слое приводит к уменьшению электрической проводимости вблизи поверхности земли. Для расчетов использована стохастическая электродинамическая модель, воспроизводящая эволюцию высотных профилей электрической проводимости и напряженности аэроэлектрического поля в невозмущенном осадками и грозовой активностью нижнем слое атмосферы над сушей средних широт. Показано, что связанное с конвекцией усиление генерации турбулентности, сопровождающееся увеличением турбулентной кинетической энергии и дисперсии флуктуаций вертикальной скорости, способствует более интенсивному вертикальному перемешиванию радона и радиоактивных дочерних продуктов. При этом вертикальный перенос радона приводит к более однородному высотному распределению электрической проводимости и увеличению напряженности поля в приземном слое. Выполнены оценки вариабельности электрической проводимости и напряженности аэроэлектрического поля, определяемых эмиссией радона, ионизацией воздуха, разделением зарядов на неоднородностях электрической проводимости, турбулентным транспортом радиоактивных элементов и объемных электрических зарядов. Предполагается, что высотные аэроэлектрические профили могут служить объективными и оперативными параметрами состояния атмосферного пограничного слоя.

The mechanisms of influence of stratified turbulence to the formation of the atmospheric boundary layer electric state and the variability of electric parameters are discussed. As a result of the field observations and numerical modeling, it is found that the development of convection in the atmospheric boundary layer reduces the electric conductivity near the surface. The stochastic electrodynamic model, reproducing the evolution of the vertical profiles of electric conductivity and aeroelectric field intensity in the lower troposphere of mid-latitudes land undisturbed by precipitations and thunderstorms, is used for the calculations. The results show that the increased turbulence generation due to convection accompanied by an increase of the turbulent kinetic energy and the variance of vertical turbulent velocity tends to more intensive vertical mixing of radon and its short-lived daughters. In this case, the turbulent transport of radon leads to more uniform vertical distribution of the electric conductivity and an increase of the aeroelectric field intensity in the surface layer. Estimations of the variability of electric conductivity and aeroelectric field intensity, caused by radon emissions, air ionization, charge separation on the electric conductivity inhomogeneities, turbulent transport of radioactive elements and space charge, are performed. It is assumed that altitudinal aeroelectric profiles can be objective and operative parameters of the atmospheric boundary layer turbulent conditions.

атмосферный пограничный слойтурбулентный транспортвариабельностьрадонэлектрическая проводимостьэлектрическое полеatmospheric boundary layerturbulent transportvariabilityradonelectric conductivityelectric fieldИсследование выполнено за счет гранта РНФ № 16-17-10209 и частичной финансовой поддержке гранта РФФИ № 15-05-04960.ReferencesGarratt J. R. The Atmospheric Boundary Layer. Camridge: Cambridge University Press, 1992. 316 p.Garratt J. R. The Atmospheric Boundary Layer. Camridge: Cambridge University Press, 1992. 316 p.Stull R. B. An introduction to boundary layer meteorology. Dordrecht: Kluwer Academic Publishers, 1988. 670 p.Stull R. B. An introduction to boundary layer meteorology. Dordrecht: Kluwer Academic Publishers, 1988. 670 p.Анисимов С. В., Шихова Н. М. Вариабельность электрического поля невозмущенной атмосферы средних широт // Геофизические исследования. 2008. № 3. С. 25—38.Анисимов С. В., Шихова Н. М. Вариабельность электрического поля невозмущенной атмосферы средних широт // Геофизические исследования. 2008. № 3. С. 25—38.Анисимов С. В., Афиногенов К. В., Шихова Н. М. Динамика электричества невозмущенной атмосферы средних широт: от наблюдений к скейлингу // Радиофизика. 2013. Т. 56, № 11—12. С. 787—802.Анисимов С. В., Афиногенов К. В., Шихова Н. М. Динамика электричества невозмущенной атмосферы средних широт: от наблюдений к скейлингу // Радиофизика. 2013. Т. 56, № 11—12. С. 787—802.Zhang K., Feichter J., Kazil J., Wan H., Zhuo W., Griffiths A. D., Sartorius H., Zahorowski W., Ramonet M., Schmidt M., Yver C., Neubert R. E. M., Brunke E.-G. Radon activity in the lower troposphere and its impact on ionization rate: a global estimate using different radon emissions // Atmos. Chem. Phys. 2011. V. 11. P. 7817—7838.Zhang K., Feichter J., Kazil J., Wan H., Zhuo W., Griffiths A. D., Sartorius H., Zahorowski W., Ramonet M., Schmidt M., Yver C., Neubert R. E. M., Brunke E.-G. Radon activity in the lower troposphere and its impact on ionization rate: a global estimate using different radon emissions // Atmos. Chem. Phys. 2011. V. 11. P. 7817—7838.Анисимов С. В., Галиченко С. В., Шихова Н. М., Афиногенов К. В. Электричество конвективного атмосферного пограничного слоя: натурные наблюдения и численное моделирование // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2014. Т. 50, № 4. С. 1—9. DOI: 10.7868/S0002351514040026.Анисимов С. В., Галиченко С. В., Шихова Н. М., Афиногенов К. В. Электричество конвективного атмосферного пограничного слоя: натурные наблюдения и численное моделирование // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2014. Т. 50, № 4. С. 1—9. DOI: 10.7868/S0002351514040026.Anisimov S. V., Mareev E. A., Shikhova N. M., Dmitriev E. M. Universal spectra of electric field pulsations in the atmosphere // Geophys. Res. Letters. 2002. V. 29, N. 24, 2217, doi:10.1029/2002GL015765.Anisimov S. V., Mareev E. A., Shikhova N. M., Dmitriev E. M. Universal spectra of electric field pulsations in the atmosphere // Geophys. Res. Letters. 2002. V. 29, N. 24, 2217, doi:10.1029/2002GL015765.Willett J. C. Fair weather electric charge transfer by convection in an unstable planetary boundary layer // J. Geoph. Res. 1979. V. 84. P. 703—718.Willett J. C. Fair weather electric charge transfer by convection in an unstable planetary boundary layer // J. Geoph. Res. 1979. V. 84. P. 703—718.Hoppel W. A., Anderson R. V., Willet J. C. Atmospheric electricity in the planetary boundary layer // The Earth's electrical environment. Krider, E.P. and Roble, R.G., Eds. Washington: Natl. Acad. Press, 1986. P. 149—165.Hoppel W. A., Anderson R. V., Willet J. C. Atmospheric electricity in the planetary boundary layer // The Earth's electrical environment. Krider, E.P. and Roble, R.G., Eds. Washington: Natl. Acad. Press, 1986. P. 149—165.Anderson B., Markson R., Fairall C. W., Willett J. C. Aircraft investigation of the turbulent transport of electric charge through the unstable planetary boundary layer // Final Technical Report submitted to the Air Force Office of Scientific Research. 1989. 321 p.Anderson B., Markson R., Fairall C. W., Willett J. C. Aircraft investigation of the turbulent transport of electric charge through the unstable planetary boundary layer // Final Technical Report submitted to the Air Force Office of Scientific Research. 1989. 321 p.Marshall T. C., Rust W. D., Stolzenburg M., Roeder W. P., Krehbiel P. R. A study of enhanced fair-weather electric fields occurring soon after sunrise // J. Geophys. Res. 1999. V. 104. P. 24455—24469.Marshall T. C., Rust W. D., Stolzenburg M., Roeder W. P., Krehbiel P. R. A study of enhanced fair-weather electric fields occurring soon after sunrise // J. Geophys. Res. 1999. V. 104. P. 24455—24469.Анисимов C. В., Мареев Е. А., Шихова Н. М. Механизмы связи аэроэлектрического и температурного полей нижней атмосферы // Радиофизика. 2006. Т. 49, № 1. С. 35—52.Анисимов C. В., Мареев Е. А., Шихова Н. М. Механизмы связи аэроэлектрического и температурного полей нижней атмосферы // Радиофизика. 2006. Т. 49, № 1. С. 35—52.Анисимов C. В., Галиченко С. В., Афиногенов К. В., Макрушин А. П., Шихова Н. М. Объемная активность радона и ионообразование в невозмущенной нижней атмосфере: наземные наблюдения и численное моделирование // Физика Земли. 2017. № 1. С. 1—16. DOI: 107868/S0002333717010033.Анисимов C. В., Галиченко С. В., Афиногенов К. В., Макрушин А. П., Шихова Н. М. Объемная активность радона и ионообразование в невозмущенной нижней атмосфере: наземные наблюдения и численное моделирование // Физика Земли. 2017. № 1. С. 1—16. DOI: 107868/S0002333717010033.Stohl A., Thomson D. J. A density correction for Lagrangian particle dispersion models // Boundary-Layer Meteorol. 1999. V. 90. P. 155—167.Stohl A., Thomson D. J. A density correction for Lagrangian particle dispersion models // Boundary-Layer Meteorol. 1999. V. 90. P. 155—167.Cassiani M., Stohl A., Brioude J. Lagrangian stochastic modelling of dispersion in the convective boundary layer with skewed turbulence conditions and a vertical density gradient: Formulation and implementation in the FLEXPART model // Boundary-Layer Meteorol. 2015. V. 154. P. 367—390. DOI 10.1007/s10546-014-9976-5.Cassiani M., Stohl A., Brioude J. Lagrangian stochastic modelling of dispersion in the convective boundary layer with skewed turbulence conditions and a vertical density gradient: Formulation and implementation in the FLEXPART model // Boundary-Layer Meteorol. 2015. V. 154. P. 367—390. DOI 10.1007/s10546-014-9976-5.Lin J. C., Gerbig C. How can we satisfy the well-mixed criterion in highly inhomogeneous flows? A practical approach. Lagrangian Modeling of the Atmosphere / Eds. Lin J., Brunner D., Gerbig C., Stohl A., Luhar A., Webley P. AGU. Geopress, 2012. P. 59—69.Lin J. C., Gerbig C. How can we satisfy the well-mixed criterion in highly inhomogeneous flows? A practical approach. Lagrangian Modeling of the Atmosphere / Eds. Lin J., Brunner D., Gerbig C., Stohl A., Luhar A., Webley P. AGU. Geopress, 2012. P. 59—69.Liu S. C., McAfee J. R., Cicerone R. J. Radon 222 and tropospheric vertical transport // J. Geophys. Res. 1984. V. 89. P. 7291—7297.Liu S. C., McAfee J. R., Cicerone R. J. Radon 222 and tropospheric vertical transport // J. Geophys. Res. 1984. V. 89. P. 7291—7297.Jacob D. J., Prather M. J. Radon-222 as a test of convective transport in a general circulation model // Tellus. 1990. 42B. P. 118—134.Jacob D. J., Prather M. J. Radon-222 as a test of convective transport in a general circulation model // Tellus. 1990. 42B. P. 118—134.Williams A. G., Zahorowski W., Chambers S., Griffiths A., Hacker J. M., Element A., Werczynsky S. The vertical distribution of radon in clear and cloudy daytime terrestrial boundary layers // J. Atmos. Sci. 2011. V. 68. P. 155—174.Williams A. G., Zahorowski W., Chambers S., Griffiths A., Hacker J. M., Element A., Werczynsky S. The vertical distribution of radon in clear and cloudy daytime terrestrial boundary layers // J. Atmos. Sci. 2011. V. 68. P. 155—174.Chambers S., Williams A. G., Crawford J., Griffiths A. D. On the use of radon for qualifying the effects of atmospheric stability on urban emissions // Atmos. Chem. Phys. 2015. V. 15. P. 1175—1190.Chambers S., Williams A. G., Crawford J., Griffiths A. D. On the use of radon for qualifying the effects of atmospheric stability on urban emissions // Atmos. Chem. Phys. 2015. V. 15. P. 1175—1190.Vargas A., Arnold D., Adame J. A., Grossi C., Hernándes-Ceballos M. A., Bolivar J. P. Analysis of the vertical radon structure at the Spanish «El Arenosillo» tower station // J. Environ. Radioactivity. 2015. V. 139. P. 1—17.Vargas A., Arnold D., Adame J. A., Grossi C., Hernándes-Ceballos M. A., Bolivar J. P. Analysis of the vertical radon structure at the Spanish «El Arenosillo» tower station // J. Environ. Radioactivity. 2015. V. 139. P. 1—17.Vinuesa J.-F., Galmarini S. Caracterization of the 222Rn family turbulent transport in the convective atmospheric boundary layer // Atmos. Chem. Phys. 2007. V. 7. P. 697—712.Vinuesa J.-F., Galmarini S. Caracterization of the 222Rn family turbulent transport in the convective atmospheric boundary layer // Atmos. Chem. Phys. 2007. V. 7. P. 697—712.Vinuesa J.-F., Basu S., Galmarini S. The diurnal evolution of 222Rn and its progeny in the atmospheric boundary layer during the WANGARA experiment // Atmos. Chem. Phys. 2007. V. 7. P. 5003—5019.Vinuesa J.-F., Basu S., Galmarini S. The diurnal evolution of 222Rn and its progeny in the atmospheric boundary layer during the WANGARA experiment // Atmos. Chem. Phys. 2007. V. 7. P. 5003—5019.Degrazia G. A., Anfossi D., Carvalho J. C., Mangia C., Tirabassi T., Campos Velho H. F. Turbulence parameterization for PBL dispersion models in all stability conditions // Atmospheric Environment. 2000. V. 34. P. 3575—3583.Degrazia G. A., Anfossi D., Carvalho J. C., Mangia C., Tirabassi T., Campos Velho H. F. Turbulence parameterization for PBL dispersion models in all stability conditions // Atmospheric Environment. 2000. V. 34. P. 3575—3583.Jacoby-Koaly S., Campistron B., Bernard S., Bénech B., Ardhuin-Girard F., Dessens J., Dupont E., Carissimo B. Turbulent dissipation rate in the boundary layer via UHF wind profiler Doppler spectral width measurements // Boundary-Layer Meteorol. 2002. V. 103. P. 361—389.Jacoby-Koaly S., Campistron B., Bernard S., Bénech B., Ardhuin-Girard F., Dessens J., Dupont E., Carissimo B. Turbulent dissipation rate in the boundary layer via UHF wind profiler Doppler spectral width measurements // Boundary-Layer Meteorol. 2002. V. 103. P. 361—389.Balsley B. B., Frehlich R. G., Jensen M. L., Meillier Y. High-resolution in situ profiling through the stable boundary layer: examination of the SBL top in terms of minimum shear, maximum stratification, and turbulence decrease // J. Atmos. Sci. 2006. V. 63. P. 1291—1307.Balsley B. B., Frehlich R. G., Jensen M. L., Meillier Y. High-resolution in situ profiling through the stable boundary layer: examination of the SBL top in terms of minimum shear, maximum stratification, and turbulence decrease // J. Atmos. Sci. 2006. V. 63. P. 1291—1307.Tjernström M., Balsley B. B., Svensson G., Nappo C. J. The effects of critical layers on residual layer turbulence // J. Atmos. Sci. 2009. V. 66. P. 468—480.Tjernström M., Balsley B. B., Svensson G., Nappo C. J. The effects of critical layers on residual layer turbulence // J. Atmos. Sci. 2009. V. 66. P. 468—480.Rakesh P. T., Venkatesan R., Srinivas C. V. Formulation of TKE based empirical diffusivity relations from turbulence measurements and incorporation in a Lagrangian particle dispersion model // Envir. Fluid Mech. 2013. V. 13. P. 353—369.Rakesh P. T., Venkatesan R., Srinivas C. V. Formulation of TKE based empirical diffusivity relations from turbulence measurements and incorporation in a Lagrangian particle dispersion model // Envir. Fluid Mech. 2013. V. 13. P. 353—369.Anisimov S. V., Galichenko S. V., Shikhova N. M. Space charge and aeroelectric flows in the exchange layer: An experimental and numerical study // Atm. Res. 2014. V. 135—136. P. 244—254.Anisimov S. V., Galichenko S. V., Shikhova N. M. Space charge and aeroelectric flows in the exchange layer: An experimental and numerical study // Atm. Res. 2014. V. 135—136. P. 244—254.Анисимов С. В., Шихова Н. М. Фрактальные свойства аэроэлектрических пульсаций // Геофизические исследования. 2015. T. 16. № 4. С. 28—45.Анисимов С. В., Шихова Н. М. Фрактальные свойства аэроэлектрических пульсаций // Геофизические исследования. 2015. T. 16. № 4. С. 28—45.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.