Электричество невозмущенного атмосферного пограничного слоя средних широт
- Авторы: Анисимов С.В.1, Афиногенов К.В.1, Галиченко С.В.1, Прохорчук А.А.1, Климанова Е.В.1, Козьмина А.С.1, Гурьев А.В.1
-
Учреждения:
- Геофизическая обсерватория “Борок” – филиал Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института физики Земли им. О.Ю. Шмидта Российской академии наук (ГО “Борок” ИФЗ РАН)
- Выпуск: Том 59, № 5 (2023)
- Страницы: 595-611
- Раздел: Статьи
- URL: https://journals.rcsi.science/0002-3515/article/view/140367
- DOI: https://doi.org/10.31857/S0002351523050024
- EDN: https://elibrary.ru/CWHTFZ
- ID: 140367
Цитировать
Аннотация
Атмосферный пограничный слой представляет собой нижнюю часть атмосферы, турбулентная динамика и электродинамика которой определяются сложной организацией процессов в диссипативной среде с поступлением энергии от многих источников. Невозмущенные грозовой активностью и осадками области атмосферы характеризуются электрическими процессами с низкой энергией, для исследования которых требуется наличие развитой приборной базы и владение методами синхронных разнесенных высокоточных измерений нескольких физических величин. В работе приводятся результаты недавних исследований электричества невозмущенного атмосферного пограничного слоя средних широт, проводимых с помощью измерительного комплекса Геофизической обсерватории “Борок” ИФЗ РАН и численного моделирования. Выполнены количественные оценки средних значений и вариабельности концентраций легких атмосферных ионов, соответствующих полярных компонент электрической проводимости воздуха и напряженности атмосферного электрического поля. Определены два типа электрических структур, формируемых при протекании тока в турбулентной среде с неоднородной электрической проводимостью.
Об авторах
С. В. Анисимов
Геофизическая обсерватория “Борок” – филиал Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института физики Земли им. О.Ю. Шмидта Российской академии наук (ГО “Борок” ИФЗ РАН)
Email: svga@borok.yar.ru
Россия, 152742, Ярославская область,, п. Борок, д. 142
К. В. Афиногенов
Геофизическая обсерватория “Борок” – филиал Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института физики Земли им. О.Ю. Шмидта Российской академии наук (ГО “Борок” ИФЗ РАН)
Email: svga@borok.yar.ru
Россия, 152742, Ярославская область,, п. Борок, д. 142
С. В. Галиченко
Геофизическая обсерватория “Борок” – филиал Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института физики Земли им. О.Ю. Шмидта Российской академии наук (ГО “Борок” ИФЗ РАН)
Автор, ответственный за переписку.
Email: svga@borok.yar.ru
Россия, 152742, Ярославская область,, п. Борок, д. 142
А. А. Прохорчук
Геофизическая обсерватория “Борок” – филиал Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института физики Земли им. О.Ю. Шмидта Российской академии наук (ГО “Борок” ИФЗ РАН)
Email: svga@borok.yar.ru
Россия, 152742, Ярославская область,, п. Борок, д. 142
Е. В. Климанова
Геофизическая обсерватория “Борок” – филиал Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института физики Земли им. О.Ю. Шмидта Российской академии наук (ГО “Борок” ИФЗ РАН)
Email: svga@borok.yar.ru
Россия, 152742, Ярославская область,, п. Борок, д. 142
А. С. Козьмина
Геофизическая обсерватория “Борок” – филиал Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института физики Земли им. О.Ю. Шмидта Российской академии наук (ГО “Борок” ИФЗ РАН)
Email: svga@borok.yar.ru
Россия, 152742, Ярославская область,, п. Борок, д. 142
А. В. Гурьев
Геофизическая обсерватория “Борок” – филиал Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института физики Земли им. О.Ю. Шмидта Российской академии наук (ГО “Борок” ИФЗ РАН)
Email: svga@borok.yar.ru
Россия, 152742, Ярославская область,, п. Борок, д. 142
Список литературы
- Анисимов С.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 // Изв. РАН. Физика Земли. 2017. № 1. С. 155–170.
- Анисимов С.В., Афиногенов К.В., Галиченко С.В., Прохорчук А.А. Датчик концентрации легких атмосферных ионов для полевых натурных геофизических наблюдений // Сейсмические приборы. 2022а. Т. 58. № 3. С. 43–60.
- Анисимов С.В., Галиченко С.В., Афиногенов К.В., Прохорчук А.А. Глобальные и региональные составляющие электричества невозмущенной нижней атмосферы средних широт // Физика Земли. 2018. № 5. С. 104–114.
- Анисимов С.В., Галиченко С.В., Прохорчук А.А., Афиногенов К.В. Измерения плотности атмосферного электрического тока горизонтальной кольцевой пассивной антенной в приземном слое: электростатическое приближение // Изв. вузов. Радиофизика. 2022b. Т. 65. № 10, в печати.
- Анисимов С.В., Галиченко С.В., Шихова Н.М. Формирование электрически активных слоев в атмосфере с температурной инверсией // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2012. Т. 48. № 4. С. 442–452.
- Анисимов С.В., Галиченко С.В., Шихова Н.М. Афиногенов К.В. Электричество конвективного атмосферного пограничного слоя: натурные наблюдения и численное моделирование // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2014. Т. 50. № 4. С. 1–9.
- Анисимов С.В., Шихова Н.М. Фрактальные свойства аэроэлектрических пульсаций // Геофизические исследования. 2015. Т. 16. № 4. С. 28–45.
- Анисимов С.В., Шихова Н.М., Афиногенов К.В. Динамика электричества невозмущенной атмосферы средних широт: от наблюдений к скейлингу // Изв. вузов. Радиофизика. 2013. Т. 56. № 11/12. С. 787–802.
- Зукау В.В., Яковлева В.С., Каратаев В.Д., Нагорский П.М. Ионизация приземной атмосферы излучением почвенных радионуклидов // Изв. Томского политехнического университета. 2010. Т. 317. № 2. С. 171–175.
- Смирнов В.В. Ионизация в тропосфере. С.-Пб.: Гидрометеоиздат. 1992. 312с.
- Anderson B., Markson R., Fairall C.W., Willett J.C. Aircraft investigation of electric charge flux over land and sea // 8th International Conf. Atmospheric Electricity. Uppsala, 1988. P. 782–787.
- Anisimov S.V., Galichenko S.V., Aphinogenov K.V., Prokhorchuk A.A. Evaluation of the atmospheric boundary-layer electrical variability // Boundary-Layer Meteorol. 2018. V. 167. P. 327–348.
- Anisimov S.V., Galichenko S.V., Aphinogenov K.V., Klimanova E.V., Kozmina A.S. Small air ion statistics near the earth’s surface // Atmos. Res. 2022a. V. 267. 105913.
- Anisimov S.V., Galichenko S.V., Aphinogenov K.V., Klimanova E.V., Prokhorchuk A.A., Kozmina A.S., Guriev A.V. Mid-latitude convective boundary-layer electricity: A study by using a tethered balloon platform // Atmos. Res. 2021a. V. 250. 105355.
- Anisimov S.V., Galichenko S.V., Mareev E.A. Electrodynamic properties and height of atmospheric convective boundary layer // Atmos. Res. 2017. V. 194. P. 119–129.
- Anisimov S.V., Galichenko S.V., Prokhorchuk A.A, Aphinogenov K.V. Mid-latitude convective boundary-layer electricity: A study by large-eddy simulation // Atmos. Res. 2020. V. 244. 105035.
- Anisimov S.V., Galichenko S.V., Prokhorchuk A.A, Aphinogenov K.V. On the ratio of the components of the atmospheric electric current density in fair weather // IOP Conf. Ser. Earth Env. Sci. 2022b. V. 1040(1). 012026.
- Anisimov S.V., Galichenko S.V., Prokhorchuk A.A, Klimanova E.V. Statistics of variations in atmospheric electrical parameters based on a three-dimensional model and field observations // Atmos. Res. 2021b. V. 259. 105660.
- 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.
- Chamberlain A.C. Radioactive Aerosols. Cambridge University Press. 1991. 255 p.
- Chitra N., Danalakshmi B., Supriya D., Vijayalakshmi I., Bala Sundar S., Sivasubramanian K., Baskaran R., Jose M.T. Study of radon and thoron exhalation from soil samples of different grain sizes // Appl. Rad. Isotops. 2018. V. 133. P. 75–80.
- Dueñas C., Fernándes M.C., Carretero J., Liger E., Pérez M. Release of 222Rn from some soils // Ann. Geophysicae. 1997. V. 15. P. 124–133.
- Granados-Muňoz M.J., Navas-Guzmán F., Bravo-Aranda J.A., Guerrero-Rascado J.L., Lyamani H., Valenzuela A., Titos G., Fernández-Gálvez J., Alados-Arboledas L. Hygroscopic growth of atmospheric aerosol particles based on active remote sensing and radiosounding measurements: selected cases in southeastern Spain // Atmos. Meas. Tech. 2015. V. 8. P. 705–718.
- Israelsson S., Tammet H. Variation of fair-weather atmospheric electricity at Marsta Observatory, Sweden, 1993–1998 // J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2001. V. 63. P. 1693–1703.
- Jaenicke R. Problems of the distribution of the global aerosol // Russ. Chem. Rev. 1990. V. 59(10). P. 959–972.
- Harrison R.G. The Carnegie Curve // Surv. Geophys. 2013. V. 34. P. 209–232.
- Hassan N.M., Hosoda M., Ishikawa T., Sorimachi A., Sahoo S.K., Tokonami S., Fukushi M. Radon migration process and its influence factors; Review // Jpn. J. Health Phys. 2009. V. 44(2). P. 218–231.
- Hinkelman L.M., Stevens B., Evans K.F. A large-eddy simulation study of anisotropy in fair-weather cumulus cloud fields // J. Atmos. Sci. 2005. V. 62. P. 2155–2171.
- Hoppel W.A., Anderson R.V., Willet J.C. Atmospheric electricity in the planetary boundary layer / Krider, E.P., Roble, R.G. (eds.), The Earth’s electrical environment. National. Academy Press, Washington, D.C., 1986. P. 149–165.
- Lee H.N., Larsen R.J. Vertical diffusion in the lower atmosphere using aircraft measurements of 222Rn // J. App. Meteorol. 1997. V. 36. P. 1262–1270.
- Madden R.A., Julian P.R. Observations of the 40–50 day tropical oscilations – a review // Mon. Weather Rev. 1994. V. 122. P. 814–837.
- Markson R. Atmospheric electrical detection of organized convection // Science. 1975. V. 188. P. 1171–1177.
- Nicoll K.A., Harrison R.G., Silva H.G., Salgado R., Melgao M., Bortoli D. Electrical sensing of the dynamical structure of the planetary boundary layer // Atmos. Res. 2018. V. 202. P. 81–95.
- Parkinson W.C., Torrenson O.W. The diurnal variation the electrical potential of the atmosphere over oceans // Compt. Rend de I’Assemblee de Stockholm, 1930; IUGGSect. Terrest. Magn. Electr. Bull. V. 8. P. 340–345.
- Porstendörfer J. Properties and behavior of radon and thoron and their decay products in the air // J. Aerosol. Sci. 1994. V. 25. № 2. P. 219–263.
- Tacza J., Nicoll K.A., Macotela E. Periodicities in fair weather potential gradient data from multiple stations at different latitudes // Atmos. Res. 2022. V. 276. 106250.
- Sakoda A., Ishimori Y., Hanamoto K., Kataoka T., Kawabe A., Yamaoka K. Experimental and modeling studies of grain size and moisture content effects on radon emanation // Rad. Meas. 2010. V. 45. P. 204–210.
- Stolzenburg M., Marshall T.C. Charge structure and dynamics in thunderstorms // Space Sci. Rev. 2008. V. 137. P. 355–372.
- Sun K., Guo Q., Cheng J. The effect of some soil characteristics on soil radon concentration and radon exhalation rate // J. Nucl. Sci. Tech. 2004. V. 41. № 11. P. 1113–1117.
- Usoskin I.G., Gladysheva O.G., Kovaltsov G.A. Cosmic ray-induced ionization in the atmosphere: spatial and temporal changes // J. Sol.-Terr. Phys. 2004. V. 66. P. 1791–1796.
- 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. Characterization 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.
- Warhaft Z. Passive scalars in turbulent flows // Annu. Rev. Fluid Mech. 2000. V. 32. P. 203–240.
- 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.
- 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 E.R. The tripole structure of thunderstorms // J. Geophys. Res.1989. V. 94. № D11. P. 13151–13167.
- 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.