Izvestiya, Atmospheric and Oceanic PhysicsIzvestiya, Atmospheric and Oceanic PhysicsИзвестия РАН. Физика атмосферы и океана0002-35153034-6487The Russian Academy of Sciences65828110.31857/S0002351523050024CWHTFZArticlesСтатьиElectricity of the Undisturbed Atmospheric Boundary Layer of Middle LatitudesЭлектричество невозмущенного атмосферного пограничного слоя средних широтAnisimovS. V.АнисимовС. В.svga@borok.yar.ruAphinogenovK. V.АфиногеновК. В.svga@borok.yar.ruGalichenkoS. V.ГаличенкоС. В.svga@borok.yar.ruProkhorchukA. A.ПрохорчукА. А.svga@borok.yar.ruKlimanovaE. V.КлимановаЕ. В.svga@borok.yar.ruKozminaA. S.КозьминаА. С.svga@borok.yar.ruGurievA. V.ГурьевА. В.svga@borok.yar.ruBorok Geophysical Observatory, Schmidt Institute of Physics of the Earth, Russian Academy of SciencesГеофизическая обсерватория “Борок” – филиал Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института физики Земли им. О.Ю. Шмидта Российской академии наук (ГО “Борок” ИФЗ РАН)0109202359559561120022025Copyright ©; 2023, С.В. Анисимов, К.В. Афиногенов, С.В. Галиченко, А.А. Прохорчук, Е.В. Климанова, А.С. Козьмина, А.В. ГурьевCopyright ©; 2023, С.В. Анисимов, К.В. Афиногенов, С.В. Галиченко, А.А. Прохорчук, Е.В. Климанова, А.С. Козьмина, А.В. Гурьев2023С.В. Анисимов, К.В. Афиногенов, С.В. Галиченко, А.А. Прохорчук, Е.В. Климанова, А.С. Козьмина, А.В. ГурьевС.В. Анисимов, К.В. Афиногенов, С.В. Галиченко, А.А. Прохорчук, Е.В. Климанова, А.С. Козьмина, А.В. Гурьевhttps://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0https://journals.eco-vector.com/0002-3515/article/view/658281

The atmospheric boundary layer is the lowermost part of the atmosphere, the turbulent dynamics and electrodynamics of which are determined by the complex organization of processes in a dissipative environment with energy input from many sources. Regions of the atmosphere undisturbed by thunderstorms and precipitation are characterized by low-energy electrical processes, for the study of which requires a developed instrument base and knowledge of the methods of synchronous spaced high-precision measurements of several physical quantities. The paper presents the results of recent studies of electricity of the atmospheric boundary layer of mid-latitudes carried out using the measuring complex of Borok Geophysical Observatory IPE RAS and numerical modeling. Quantitative estimates of the average values and variability of small ion concentration, the corresponding components of electrical conductivity, and atmospheric electric field intensity are performed. Two types of electric structures formed by the electric current flow through a turbulent medium with inhomogeneous conductivity are defined.

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.

atmospheric boundary layergeophysical observationsatmospheric electricityatmospheric small ionsradonstatistical self-similarityelectrical structuresатмосферный пограничный слойгеофизические наблюденияатмосферное электричествоатмосферные легкие ионырадонстатистическое самоподобиеэлектрические структурыАнисимов 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.