Транспорт радона и формирование электрического состояния атмосферного пограничного слоя

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.

1. Garratt J. R. The Atmospheric Boundary Layer. Camridge: Cambridge University Press, 1992. 316 p.

2. Stull R. B. An introduction to boundary layer meteorology. Dordrecht: Kluwer Academic Publishers, 1988. 670 p.

3. Анисимов С. В., Шихова Н. М. Вариабельность электрического поля невозмущенной атмосферы средних широт // Геофизические исследования. 2008. № 3. С. 25—38.

4. 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.

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. 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.

9. 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.

10. 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.

11. 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.

12. 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.

13. 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.

14. Stohl A., Thomson D. J. A density correction for Lagrangian particle dispersion models // Boundary-Layer Meteorol. 1999. V. 90. P. 155—167.

15. 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.

16. 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.

17. Liu S. C., McAfee J. R., Cicerone R. J. Radon 222 and tropospheric vertical transport // J. Geophys. Res. 1984. V. 89. P. 7291—7297.

18. 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.

19. 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.

20. 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.

21. 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.

22. 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.

23. 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.

24. 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.

25. 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.

26. 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.

27. 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.

28. 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.

29. 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.

30. Анисимов С. В., Шихова Н. М. Фрактальные свойства аэроэлектрических пульсаций // Геофизические исследования. 2015. T. 16. № 4. С. 28—45.