Зависимость чувствительности атмосферного электрического поля (градиента потенциала) от режима к антропогенному загрязнению воздуха в Сан-Паулу, Бразилия

Аннотация исследования

В исследовании анализируется чувствительность атмосферного электрического поля, измеренного с помощью градиента потенциала (ГП), к антропогенному загрязнению воздуха в мегаполисе Сан-Паулу в период 2018–2024 годов. Использовался долгосрочный набор данных при строгих условиях хорошей погоды (отсутствие осадков и фильтрация локальной облачности на основе спутниковых данных < 20%). Перед оценкой корреляции с загрязнителями авторы построили надежную электрическую климатологию городского атмосферного электрического поля, продемонстрировав, что его суточный цикл явно отличается от кривой Карнеги как по фазе, так и по форме. Атмосферное электрическое поле в Сан-Паулу характеризуется сильной суточной модуляцией с утренними максимумами и дневным спадом, связанным с конвективным перемешиванием, а также большей относительной амплитудой зимой, когда преобладают более стабильные атмосферные условия.

Корреляционный анализ выявляет воспроизводимую иерархию в связи между электрическим полем и загрязнителями. Первичные газы сгорания (NOₓ, NO и CO) демонстрируют наиболее сильные связи с атмосферным электрическим полем, при этом медианные коэффициенты в дневное время достигают около 0,6 в стабильных условиях. Напротив, PM₁₀ демонстрирует более слабую и переменную связь, зависящую от динамического режима. Эта иерархия сохраняется как в строго одновременных подмножествах, так и в расширенных наборах данных, подтверждая, что это не статистический артефакт. Кроме того, исследование показывает, что связь сильно зависит от суточного цикла: корреляции высоки ночью и ранним утром, когда пограничный слой стабилен и вентиляция слабая, но они заметно снижаются во второй половине дня из-за усиленного турбулентного перемешивания.

Важным вкладом работы является анализ временных задержек. Первичные газы (NOₓ и CO) показывают максимальную корреляцию без задержки, в то время как вторичные и твердые частицы (NO₂ и PM₁₀) демонстрируют положительную задержку около одного часа. Это предполагает более немедленный электрический отклик на первичные выбросы и более отложенное выравнивание для вторичных процессов или процессов с частицами. Аналогичным образом исследование количественно оценивает модуляцию скоростью ветра в пределах допустимого диапазона хорошей погоды: хотя ветер напрямую не доминирует в изменчивости электрического поля, он систематически ослабляет связь между электрическим полем и загрязнителями по мере усиления вентиляции, при этом наиболее резкий эффект наблюдается для PM₁₀.

Анализ антропогенных возмущений подкрепляет физическую интерпретацию. Забастовка водителей грузовиков в 2018 году не вызвала устойчивого сигнала в электрическом поле, вероятно, из-за её ограниченной продолжительности. Напротив, во время локдауна COVID-19 в 2020 году наблюдалось длительное снижение атмосферного электрического поля в условиях хорошей погоды. При этом сохранялась суточная структура, но весь профиль смещался в сторону более низких значений, что свидетельствует о чувствительности к значительному сокращению выбросов.

Наконец, с использованием моделей множественной линейной регрессии и Random Forest оценивается прогностическая способность атмосферного электрического поля для оценки концентраций CO, NO₂ и PM₁₀. В стабильных ночных условиях модели достигают значений R² около 0,5, в то время как производительность снижается при рассмотрении полного суточного цикла. Сходство между линейными и нелинейными моделями в стабильном режиме предполагает, что физическая связь преимущественно линейна, когда атмосферное перемешивание подавлено.

В целом, работа делает вывод о том, что городское электрическое поле не следует интерпретировать как универсальный прокси для загрязнения, а скорее как электрический индикатор, зависящий от динамического режима пограничного слоя атмосферы, чья чувствительность к антропогенным выбросам преимущественно проявляется в условиях стабильности и слабой вентиляции в среде мегаполиса.

Как цитировать эту работу: