Эмиссии пылевого аэрозоля в условиях естественной конвекции

В условиях интенсивного прогрева поверхности над аридными территориями помимо ветрового воздействия на вариации концентрации пылевого аэрозоля влияют конвективные движения (до 20–40%). Они проявляются спонтанным формированием термиков [Ju et al., 2018] и явлением термоконвективного  выноса микрочастиц пыли из верхнего песчаного пористого слоя [Chkhetiani et al., 2012].

Данные  многоуровневых дневных измерений концентрации пылевого аэрозоля (0.2, 0.4, 0.8, 1.6 и 3.2 м) в аридных условиях показывают степенную зависимость от высоты. При слабом ветре степени близки к -0.5, что обусловлено коллективным эффектом от близко расположенных пузырьков прогретого вокруг поднимающихся от поверхности пылинок воздуха [Малиновская Е. А. и др., 2023]. 

По данным многоуровневых высокочастотных пульсационных измерений до высоты 1 м (0.1, 0.2, 0.4, 0.6, 0.8, 1.0 м; 1000 Гц) получены температурные профили, выявлены условия и характерное время дня для возникновения температурных инверсий. Определены конвективные структуры различного масштаба. Проведён анализ связей концентрации аэрозоля с температурными изменениями, при относительно интенсивных изменениях которых инверсии распределения в нижнем слое воздуха. 

Для исследования подъема ансамбля нагретых пузырьков воздуха от поверхности реализована серия вычислительных экспериментов с использованием открытого пакета OpenFoam. Показано, что высота, скорость и характер подъема теплых объемов воздуха зависит от числа генерируемых поверхностью нагретых пузырьков воздуха.

В условиях неравномерного прогрева поверхности, обусловленного наличием естественного эолового рельефа, возникает горизонтальное усиление ветра, способствующее формированию и отрыву термиков, возникновению циркулирующих движений у поверхности. Эти эффекты исследованы и воспроизведены в серии вычислительных экспериментов. 

Отрыв движущихся у поверхности турбулентных структур различного масштаба сопровождается выносом пылевого аэрозоля, проявляющимся всплесковыми изменениями его концентрации на разных высотах. Высокочастотные измерения температуры и скорости ветра (1000 Гц) и концентрации пылевого аэрозоля (10 Гц), позволяют выявить такие структуры и дать оценку их масштабов [Malinovskaya E. A. et al., 2024]. Сами же структуры, наблюдаемые во всех измеряемых пульсационных величинах, могут быть определены как синхронно возникающие треугольные рэмп структуры с вершинами вверх и вниз и демонстрирующие свойства самоподобия..

Для спектров температуры, скорости и концентрации помимо известного наклона -5/3 отмечаются и другие наклоны -1, -3, -1/3, связываемые с конвективными процессами. Особенности изменения статистических характеристик зависят от времени дня и высоты над поверхностью. Для совместных распределений плотности вероятности пульсационных составляющих температуры и скорости проявляются двухпиковые распределения во временном интервале от 13 до 15:00. 

Ju, T. et al. Atmospheric Environment, 2018, Vol. 187. P. 62-69.

Chkhetiani, O. G. et al. Atmospheric Chemistry and Physics, 2012, Vol. 12(11), P. 5147–5162.

Malinovskaya, E. A., et al. Doklady Earth Sciences, 2023. 509 (2).  222-229.

Malinovskaya E. A., Chkhetiani O. G., Azizyan G. V. Doklady Earth Sciences, 2024.  516(1). 888-895.