I. Проект ФЦП (2010-2012 гг.)

 "Опасные явления и нестационарные процессы в динамике приземного слоя атмосферы" 

 Цель проекта
 Опыт последних десятилетий показал, что для решения проблемы прогнозирования опасных и нестационарных природных явлений, существующих сетей целевого мониторинга недостаточно. Поэтому важнейшей проблемой, на решение которой направлен проект, было создание системы многофакторного мониторинга, включающего в себя одновременный контроль совокупности атмосферно-электрических, метеорологических, актинометрических величин и компонент естественного радиационного фона, способных более полно описывать динамические процессы, их взаимосвязи, и направленного на поиск предикторов опасных и нестационарных природных явлений. 
 Цель проекта заключалась в исследовании взаимосвязей и взаимозависимостей между радиационными, электрическими,  метеорологическими и актинометрическими процессами, протекающими в приземной атмосфере, на земной поверхности и в почвенном слое  во время подготовки и развития опасных и нестационарных природных явлений. Выполнение проекта позволило:

а)  создать систему многофакторного мониторинга, включающую в себя датчики радиационных электрических, метеорологических и актинометрических величин и работающую непрерывно с высоким временным разрешеним;

б) сформировать базу данных мониторинга и провести её анализ с целью выявления отклика на опасные и нестационарные природные явления;

в) предложить модели описывающие процессы формирования полей ионизирующих излучений и электрических характеристик приземной атмосферы;

г) разработать новые способы измерения эффективного коэффициента диффузии радона и торона в грунте, а также метод разделения структуры временных рядов радонового поля на отдельные компоненты;

д) выявить существование ряда новых физических фактов, неизвестных ранее.
 

 Основные результаты:
 1. Выявлена согласованность вариаций основных метеовеличин приземного слоя и его оптических и электрических параметров во время сокращения дальности видимости до минимума: тумана, смога, дыма лесных пожаров и показано, что существует временное запаздывание максимума изменения коэффициента аэрозольного ослабления относительно возрастания напряженности электрического поля при смоговой ситуации зимой.
 2. Выявлены  принципиальные отличия в согласованности вариаций  β- и γ- излучений на временных интервалах от внутрисуточного до годового и установлена связь перестройки атмосферной циркуляции, обусловленной глобальными изменениями климата, с долговременными согласованными изменениям уровней и вариаций космических лучей и γ-фона естественного происхождения.
 3. Установлено, что в электрическом поле за несколько часов до прохождения мощных конвективных ячеек над пунктом мониторинга возникают квазипериодические колебания с периодами от 15 мин до 2 ч и более. В дневных условиях усредненный вейвлет-спектр колебаний электрического поля содержит максимумы в диапазонах масштабов 95–130 мин; 50–75мин и 15–25 мин. Вначале в вейвлет-спектре появляются колебания с масштабом ~ 130–135 мин, затем – с ~ 70–75 мин и последними – с наиболее короткими масштабами. Сценарии развития явления в дневных и ночных условиях – различны.
 4. Выявлена особенность временной динамики β-фона в сейсмически активном регионе с морским климатом (Камчатка), резко контрастирующая как с поведением γ-фона в том же регионе, так и с поведением β- и γ-излучений в сейсмически спокойном регионе с резко континентальным типом климата (г. Томск). В сейсмоопасном регионе на годовом интервале, до перехода температуры атмосферы к отрицательным значениям, вариации  -фона находятся фактически на постоянном уровне, после уровень  -фона уменьшается, что связано с промерзанием почвы и блокированием выхода радона. В вариациях же  -фона максимум приходятся на зимнее солнцестояние, а минимум регистрируется в летнее время.
 5. Выявлено, что на территории Сибири за последние 40 лет происходит снижение общего количества циклонов со скоростью 1,4 событие/10 лет, сопровождающееся уменьшением количества западных и южных циклонов и возрастанием северных циклонов, а также повышением тренда среднегодовой температуры на территории ~ 0,36°С/10 лет с более высокими значениями в отдельные календарные месяцы.
 6. Разработаны модели динамики уровня радиации и нестационарного электродного слоя, позволившие получить оценки вкладов радоновой и тороновой компонент в суммарную плотность ионизации в приземной атмосфере, а также исследовать временную динамику объемного заряда приземного слоя атмосферы во время грозовых явлений. 
 7. Установлено, что для азиатской территории России с начала 90-х годов ХХ столетия рост отраженной Земля-атмосфера коротковолновой радиации находится в соответствии с динамикой облачного покрова и приходящего на поверхность коротковолнового излучения. 
 8. Определены каналы потерь УФ-радиации в Томском регионе за счет облачности зимой и летом, показано, что различие связано с меньшей вертикальной мощностью зимних облаков по сравнению с летними, а также с увеличением радиации в подоблачном слое за счет отражения от снега и нижней границы облаков.
 9. Созданы способы измерения плотности потока почвенных радиоактивных газов в приземную атмосферу по разным видам испускаемых ионизирующих излучений, позволяющие упростить и автоматизировать процедуру мониторинга, снизить на порядок стоимость приборов. Новизна этих способов подтверждена двумя патентами РФ на изобретение.
 10. Предложен оригинальный метод исследования динамики радиоактивности, а также процессов газообмена, в окружающей среде на основе разделения структуры временных рядов радонового поля на отдельные компоненты (α-, β- и γ-излучения), имеющих различную проникающую способность и, соответственно, несущих свою особую информацию о состоянии и изменчивости системы «литосфера-атмосфера», и синхронизации параллельных измерений набора характеристик полей ионизирующих излучений. Этот метод реализован на экспериментальной площадке ТПУ-ИМКЭС в измерительном комплексе на основе детекторов ядерных излучений, имеет множество приложений в различных областях знаний, включая вопросы прогнозирования опасных природных явлений. Отличие от аналогичных методов исследования динамики радиоактивности окружающей среды состоит в одновременном мониторинге характеристик разных видов излучений на разных высотах и глубинах, что позволило получить высокую оценку мировой научной общественности результатам данной работы (проекта).

II. Проект АВЦП № 2.1.1/544 (2009-2010 гг.).

"Массоперенос радиоактивного газа радона в трещиновато-пористых средах и его влияние на приземный слой атмосферы"

 Основные результаты:
  1. Разработана методика скоординированного многофакторного эксперимента включающая измерение вертикального распределения характеристик поля ионизирующего излучения; синхронные измерения временной динамики альфа-, бета- и гамма-излучений; синхронные измерения временных рядов характеристик радонового поля и полей ионизирующих излучений на измерительном комплексе ИМКЭС-ТПУ и на Петропавловск-Камчатском геодинамическом полигоне. Предложена и реализована методология проведения скоординированного эксперимента для выявления факторов, управляющих поведением радоновых полей.
 2. Разработаны и реализованы модели массопереноса радона в геологической среде и его стока в атмосферу; распределения объемной активности радона, торона и продуктов их распада в приземной атмосфере; распределения плотности ионизации в приземной атмосфере, формирующими "вариативную" компоненту ионизации атмосферы.  Произведены расчеты вертикального распределения потоков излучений, возникающих при радиоактивном распаде радона, торона и дочерних продуктов их распада. Получены расчетные оценки плотности ионизации приземной атмосферы почвенными радионуклидами, создающими "постоянную" компоненту ионизации атмосферы.
 3. Для развития инфраструктуры проекта разработаны 3 лабораторных стенда: 1) "Автоматизированный комплекс КИПР для измерения плотности потока радона в поверхности земли", способный надежно работать в условиях резко континентального климата без участия оператора; 2) "Аппаратурный комплекс GeoRadon для измерения вариаций радоновых полей в экосистеме атмосфера-литосфера"; 3) лабораторный стенд «GeoRadon-Кам» для измерения характеристик массопереноса радона в системе грунт-атмосфера, установленный в ИВиС ДВО РАН, данные которого используются для оценки сейсмической опасности территорий и еженедельно подаются в Камчатский филиал Российского экспертного Совета по прогнозу землетрясений.
 4. В плане повышения научного потенциала высшей школы и совершенствования процесса подготовки кадров высшей квалификации по материалам проекта защищены 2 кандидатских диссертации (специальности 05.13.18 и 01.04.20), опубликовано 8 статей в реферируемых журналах, 16 текстов докладов, 19 тезисов докладов, представлено конференциях 35 докладов, зарегистрирована 1 программа для PC, разработана 1 программа для РС, разработано 8 методических указаний к выполнению лабораторных работ. Разработан междисциплинарный лекционный курс "Методы измерения плотности потока радона и торона с поверхности земли" (объем 144 часа) по специальности 01.04.01 (подготовка кандидатского минимума), модернизированы на основе компетентностного подхода 2 учебные программы высшего профессионального образования по направлению 010700 "Физика": образовательная магистерская программа "Физика ускорителей"; образовательная магистерская программа "Медицинская физика".
 6. Выявлены основные механизмы формирования пространственно-временных рядов активности приземного и почвенного радона под воздействием атмосферных факторов в сейсмически пассивном регионе. Теоретически исследовано влияние метеорологических и других факторов на величину и вертикальное распределение объемной активности радона, торона и продуктов их распада в приземной атмосфере. Показано, что основными значимыми факторами являются плотность потоков радона и торона с поверхности земли, сила и направление ветра, турбулентность атмосферы. Выявлены закономерности в поведении объемной активности радона, полей бета- и гамма- излучений в приземной атмосфере.
 7. Разработан метод разделения структуры временных рядов активности радона на отдельные компоненты, в рамках которого выявлены следующие закономерности в поведении атмосферных потоков β- и γ-излучений: 1) временные вариации потоков β- и γ-излучений слабо связаны между собой как на синоптическом, так на суточном и внутрисуточном масштабах; 2) на временных масштабах от синоптического до годового вариации γ-фона связаны с изменениями атмосферного давления; 3) вариации β-фона сравнительно слабо связаны с вариациями атмосферного давления синоптического масштаба и тесно связаны с суточными вариациями электропроводности атмосферы, её температуры и плотности.
 8. Создана корреляционная модель вариации радонового поля с состоянием литосферы и динамикой атмосферы, космической погоды.
 9. Модернизирована экспериментальная площадка ИМКЭС-ТПУ, для этого разработаны и внедрены в учебный и научный процессы 2 лабораторных стенда: 1) AtRad для измерения временной динамики вертикального профиля потоков бета- и гамма-излучений, радонового поля и мощности эквивалентной дозы в приземной атмосфере на разных высотах до 25 м; 2) для измерения плотности потоков радона и торона с поверхности грунта и других пористых материалов.
 10. В плане повышения научного потенциала высшей школы и совершенствования процесса подготовки кадров высшей квалификации по материалам проекта по материалам проекта опубликованы 12 статей в реферируемых журналах, 9 текстов докладов и 17 тезисов докладов (7 – зарубежные конференции), зарегистрирована 1 программа для PC,  получены 2 патента РФ на полезную модель, разработаны 3 электронных конспекта лекций по курсу «Дозиметрия ионизирующих излучений»; выполнены 4 выпускных квалификационных работы студентов; изданы 2 учебных пособия, 10 методических указаний и 1 монография.

III. Проект АВЦП № 2.1.1/13707 (2009-2010 гг.).

"Массоперенос радиоактивного газа радона в трещиновато-пористых средах и его влияние на приземный слой атмосферы"

 Выявлены, на основании анализа взаимосвязей между характеристиками полей ионизирующих излучений, радонового поля, атмосферно-электрических и метеорологических величин, следующие закономерности связей потоков α-, β- и γ-излучений между собой, с характеристиками радонового поля и в зависимости от состояния и изменчивости  системы «литосфера-атмосфера»:
 - зарегистрирована значимая связь между активностью радона, аэрозольных продуктов распада радона (ЭРОА) и плотностью потоков α- и β-излучений в отсутствие осадков для теплого периода года;
 - показано, что снежный покров изменяет вертикальный профиль β- и γ- полей, в зимний период проявляется обратная зависимость величины плотности потока β-излучения от высоты, т е. ее увеличение с ростом высоты;
 - показано, что годовой ход β-фона изменяется от года к году, в отличие от γ- фона, для которого максимум наблюдается в ноябре, а минимум в феврале-марте, синхронность в динамике β- и γ-полей зарегистрирована в летне-осеннее время.
 - установлено, что время проявления всплесков в β- и γ-фоне коррелирует с интервалом выпадения осадков, однако амплитуда всплесков слабо связана с их интенсивностью;
 - перестройка атмосферной циркуляции на обширных территориях, обусловленная глобальными изменениями климата, неизбежно ведет к долговременным согласованным изменениям уровней и вариаций космических лучей и γ-фона естественного происхождения;
 - показано, что влияние почвенных радионуклидов на атмосферный β-фон перестает сказываться на высотах от 3 м и выше в связи с низкой проникающей способностью β-излучения;
 - установлено, что максимальные плотности потоков ионизирующих излучений при больших значениях скорости вертикальной составляющей ветра, направленного к земной поверхности, регистрируются на высотах до 1 м, а изменение плотностей потоков изотопов радона с земной поверхности пропорционально изменяет активности радона и торона и создаваемые ими потоки излучений по высоте, однако сама зависимость от высоты изменяется только в случае α-излучения тороновой компоненты;
 - установлено, что мгновенные значения коэффициента радиоактивного равновесия между радоном и ДПР FRn могут изменяться в довольно широких пределах от 0 до 1; среднее значение за весь период наблюдений составило 0,2 ед., что существенно отличается от среднегодовых значений, экспериментально измеренных внутри помещений 0,4–0,5;
 - определено, что диапазон изменения ОА радона в атмосферном воздухе на высоте ~ 1 м составляет от 1 до 55 Бк/м3, что сопоставимо с ОА радона в жилых многоэтажных кирпичных и панельных зданиях, средний суточный ход ОА радона имеет максимум в предрассветные часы и минимум в (17–18) часов местного времени, весной средние значения ОА радона в 3 раза меньше чем в сентябре.
 Анализ материалов серии численных экспериментов переноса ионизирующих излучений, образованных атмосферным радоном и почвенными радионуклидами, при условии радиоактивного равновесия в природных рядах урана и тория, показал, что излучение почвенных радионуклидов является «вариативной» компонентой атмосферных полей ИИ, а не «постоянной», как было принято считать ранее:
 - атмосферный γ-фон формируются, в основном (на 99%), почвенными радионуклидами, вклад атмосферного радона составляет, в среднем, 0,1%;
 - при определенных метеорологических условиях вклад атмосферного радона в γ-фон может достигать 10% только на высотах до 1 м;
 - атмосферный радон заметным образом влияет на поле β-излучения приземной атмосферы, причем вклады атмосферного радона и почвенных радионуклидов сопоставимы и их соотношение сильно зависит от метеоусловий и высоты над земной поверхностью.
 Развитие инфраструктуры проекта позволило провести анализ результатов калибровки почвенных детекторов на 0,5 и 1 м с помощью радиометра радона, который показал, что поле α- излучения на глубине 1 м не отражает динамику радонового поля и, следовательно, непригодно для использования при мониторинге подпочвенного радона, однако при аномальных выбросах радона поле α-излучения на глубине 1 м реагирует заметным образом, что позволяет использовать данный параметр при прогнозировании опасных природных явлений, но с некоторыми ограничениями.
 По результатам выполнения НИР опубликовано 5 статей, 8 текстов докладов, 8 тезисов докладов, представлено 16 докладов на конференциях различного уровня, разработаны 3 программных кода для ПК,  поданы 2 заявки на патент РФ на изобретение, издана 1 монография, модернизированы 2 учебных дисциплины и 1 учебный план, в рамках учебного процесса выполнены студентами 2 научно-исследовательских работы и подготовлены к защите 5 выпускных квалификационных работ.