Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2020, T. 494, № 2, стр. 53-57

На опустыненных территориях благодаря воздействию ветропесчаного потока на подстилающую поверхность в атмосферу выносится большое количество пылевого аэрозоля, который заметно влияет на радиационный режим атмосферы в глобальном масштабе. Для количественной оценки эмиссии пылевого аэрозоля с опустыненных территорий необходимы прямые измерения вертикальных потоков аэрозоля. Вынос аэрозоля в атмосферу обеспечивается турбулентными пульсациями вертикальной компоненты скорости ветра. Количественной характеристикой интенсивности переноса является вертикальный турбулентный поток аэрозоля

где t – время, τ – период осреднения, f – плотность турбулентного потока аэрозоля, N'(t) = N(t) – – $\bar {N}$ и w'(t) = w(t) – $\bar {w}$, N(t) и w(t) – измеренные с шагом δt $ \ll $ τ концентрация частиц аэрозоля и вертикальная компонента скорости ветра, $\bar {N}$ и $\bar {w}$ – средние значения указанных величин (следует отметить, что в рассматриваемых случаях $\bar {w}$ = 0).

Впервые прямые измерения вертикального турбулентного потока пылевого аэрозоля F на опустыненной территории были выполнены в Приаралье [1] c использованием [2] данных измерений распределения частиц пылевого аэрозоля по размерам в условиях всплесковой или перемежающейся (intermittent) сальтации [2–4], а также квазинепрерывной (almost non-intermittent) [2, 5] сальтации [6–8]. В ХХI веке измерения функции распределения частиц по размерам или микроструктуры пылевого аэрозоля проводились нами на опустыненных территориях в Астраханской области [9].

Целью настоящей работы является исследование вертикальных турбулентных потоков пылевого аэрозоля в приземном слое атмосферы на опустыненной территории по данным синхронных измерений концентрации частиц пылевого аэрозоля и вертикальной компоненты скорости ветра в условиях квазинепрерывной сальтации. Режим сальтации контролировался с помощью фотоэлектрического счетчика [10], находящегося на удалении около 10 м от аппаратурного комплекса для измерения турбулентных потоков аэрозоля. Следует отметить, что вертикальные потоки пылевого аэрозоля обычно определяются по данным градиентных измерений метеопараметров и концентрации аэрозоля [11–14].

При определении вертикальных турбулентных потоков пылевого аэрозоля использовались результаты измерений с временным разрешением 1 с концентрации частиц пылевого аэрозоля в диапазоне размеров от 0.5 до 5.0 мкм в приземном слое атмосферы на высоте 2 м с помощью фотоэлектрического счетчика ОЭАС – 05 [9] и вертикальной компоненты скорости ветра с временным разрешением 0.1 с с помощью акустической метеостанции Метео-2 (Институт оптики атмосферы СО РАН, г. Томск) 23.08.2011 и 01.09.2011 в период с 10 до 18 часов в условиях квазинепрерывной сальтации [15].

В качестве примера на рис. 1 показаны вариации (период осреднения 30 c) концентрации частиц пылевого аэрозоля N(1), модуля горизонтальной компоненты скорости ветра V (2 на рис. 1) и вертикальной компоненты скорости ветра w(3) 23.08.2011 в период с 11:30 до 12:30, когда наблюдались сильно выраженные “низкочастотные” вариации компонент скорости ветра, обусловленные конвективными движениями в пограничном слое атмосферы. Коэффициент корреляции R₃₀(N, V) между концентрацией частиц аэрозоля и горизонтальной компонентой скорости ветра равен 0.48 (погрешность определения коэффициента корреляции ∆R с доверительной вероятностью 0.95 равна 0.13). В рассматриваемом случае отчетливо видны согласованные квазипериодические вариации N и V, что свидетельствует о сильном влиянии конвективных структур на обусловленную процессом сальтации генерацию частиц пылевого аэрозоля на подстилающей поверхности. В частности, с 11:51 до 12:16 наблюдались квазипериодические вариации N и V с периодом примерно 6.3 мин. Отметим, что по данным наших измерений на опустыненной территории 23.08.2011 наблюдалась тесная корреляция (R > 0.9) между горизонтальной компонентой скорости ветра и концентрацией сальтирующих частиц [15] с размерами от 30 до 300 мкм. Подробная количественная информация о конвективной изменчивости концентрации аэрозоля и компонент скорости ветра может быть получена с помощью временного спектрального анализа.

Из рис. 1 следует, что спектр флуктуаций вертикальной компоненты скорости ветра w (3 на рис. 1) сдвинут в область более высоких частот по отношению к спектру флуктуаций горизонтальной компоненты скорости ветра, что приводит к заметному различию корреляционных связей концентрации частиц пылевого аэрозоля с горизонтальной и вертикальной компонентами скорости ветра. Коэффициент корреляции R₃₀ (N, w) между концентрацией частиц аэрозоля и вертикальной компонентой скорости ветра в рассматриваемом случае оказался равным 0.36 (статистическая погрешность ∆R = 0.15). Следует отметить, что “низкочастотные” вариации горизонтальной и вертикальной компонент скорости ветра, как правило, обусловлены суперпозицией различных конвективных движений. Поэтому неудивительно, что вариации вертикальной скорости ветра могут сравнительно часто происходить в противофазе с вариациями концентрации частиц аэрозоля.

На рис. 2 и 3 представлены результаты определения плотности вертикального турбулентного потока аэрозоля (время осреднения 180 с) по данным измерений концентрации пылевого аэрозоля N в диапазоне размеров от 0.5 до 5.0 мкм и вертикальной компоненты скорости ветра на высоте 2 м с временным разрешением 1 с в условиях квазинепрерывной сальтации на опустыненной территории в Астраханской области вблизи р. Волги 23.08.2011 и 01.09.2011 (кривые 1). Видно, что наряду с “высокочастотными” вариациями вертикальной компоненты скорости ветра w на изменчивость плотности турбулентного потока пылевого аэрозоля f сильно влияют вариации концентрации частиц пылевого аэрозоля N с периодами примерно от 3 до 30 мин, характерными для изменчивости горизонтальной компоненты скорости ветра V, которая определяет интенсивность сальтации и, следовательно, интенсивность генерации пылевого аэрозоля на подстилающей поверхности [15]. Из рис. 2 и 3 следует, что 23.08.2011 и 01.09.2011 плотность потока аэрозоля f достигала примерно 15 см^–2 с^–1, а 01.09.2011 – 20 см^–2 с^–1, а средние турбулентные потоки аэрозоля были равны 2.7 и 2.8 см^–2 с^–1, соответственно.

В [15] показано, что концентрация сальтирующих частиц пропорциональна V – V₀, где ${{V}_{0}} \cong 5.0$ м/с – пороговая скорость сальтации. Поэтому для оценки воздействия конвективных структур на плотность турбулентного потока аэрозоля рассмотрим функцию ψ(t) = [V(t) – V₀]w(t). На рис. 2 и 3 показаны осредненные за период 180 с вариации ψ 23.08.2011 и 01.09.2011 (кривые 2). Нетрудно видеть, что вариации  f и ψ сравнительно тесно коррелируют друг с другом. Коэффициент корреляции R( f, ψ) 23.08.2011 оказался равным 0.81, а 01.09.2011 – примерно равным 0.88. Таким образом, временная изменчивость плотности вертикального турбулентного потока пылевого аэрозоля в значительной степени обусловлена конвективными структурами, определяющими вариации горизонтальной и вертикальной компонент скорости ветра и, следовательно, процессами вертикального переноса в приземном слое атмосферы и генерации пылевого аэрозоля под воздействием сальтации.

Проанализирована корреляционная связь между плотностью вертикального турбулентного потока аэрозоля f и параметром ψ. Указанная связь аппроксимируется линейной регрессией

где, согласно данным измерений 23.08.2011 и 01.09.2011, коэффициент регрессии (размерность определяется параметрами f и ψ) k = 30 и 50 см^–4 с, соответственно, а b = 4.6 и 6.3 см^–2 с^–1.

Отсюда следует, что по данным измерений компонент скорости ветра и пороговой скорости сальтации можно прогнозировать “низкочастотные” (с периодами больше 3 мин) вариации плотности вертикального турбулентного потока пылевого аэрозоля. Следует иметь в виду, что значения вышеуказанных коэффициентов регрессии зависят от условий измерений и могут меняться в сравнительно широких пределах.

При оценке эффективности вертикального переноса аэрозоля целесообразно определить нормированный турбулентный поток аэрозоля или скорость выноса аэрозоля

где $\bar {N}$ – среднее значение концентрации частиц аэрозоля.

На рис. 4 представлены результаты измерений нормированного вертикального турбулентного потока пылевого аэрозоля (1 на рис. 4) на опустыненной территории в Астраханской области (время осреднения 10 мин). Видно, что скорость выноса аэрозоля в полдень достигает 4–5 см/с. Отметим, что по данным предварительных измерений в Приаралье [1] скорость выноса пылевого аэрозоля иногда превышала 10 см/с.

По данным измерений флуктуаций вертикальной компоненты скорости ветра w и температуры воздуха T были определены вертикальные турбулентные потоки температуры

и рассчитаны соответствующие значения потока тепла Q = ρс_pq (2 на рис. 4), где ρ – плотность воздуха и с_p – его теплоемкость при постоянном давлении. Для оценки тенденции дневного хода w_a и Q были получены сглаженные временные зависимости указанных величин (3 и 4 на рис. 4). Полученные результаты свидетельствуют о том, что конвективные процессы в пограничном слое атмосферы сильнее влияют на вариации турбулентного потока аэрозоля по сравнению с потоками тепла. Следует также отметить более быстрое убывание потока тепла в вечернее время, что обусловлено, главным образом, изменением режима пограничного слоя атмосферы.

По данным измерений функции распределения частиц пылевого аэрозоля по размерам и вертикальной компоненты скорости ветра были определены дифференциальные массовые потоки P_m пылевого аэрозоля для шести интервалов размеров частиц (в мкм): 0.5–0.7; 0.7–1.0; 1.0–1.5; 1.5–2.0; 2.0–3.0 и 3.0–5.0. Согласно данным измерений 23.08.2011 в период с 11 до 12 ч максимальное значение P_m наблюдалось при d = 1.5 мкм, где d – размер частиц аэрозоля. Для рассматриваемого периода времени зависимость P_m(d) с удовлетворительной точностью аппроксимируется логонормальным распределением

где A = 18.5 мг/м³с, d₀= 1.5 мкм и ν = 0.94.

Были также определены дифференциальные счетные потоки пылевого аэрозоля. Согласно данным наших измерений максимальные значения дифференциального счетного потока пылевого аэрозоля достигаются в интервале размеров 0.5–0.7 мкм.