from 01.01.1975 to 01.01.2021
Krasnoyarsk, Krasnoyarsk, Russian Federation
Krasnoyarsk, Russian Federation
The role of topography in the formation of the global electric circuit is analyzed. The topography of the Earth’s surface is determined using the GLOBE data-base providing data on height of the Earth’s surface above mean sea level in geodetic coordinates with spatial resolution of 30 angular seconds. The atmosphere is considered as a global conductor between the Earth’s surface and the ionosphere simulated as ideal conductors. Empirical models of air conductivity are used. To simplify the description of large-scale phenomena, the model is reduced to one-dimensional simulation of vertical columns of air. The inclusion of topography is shown to reduce the resistance of the atmosphere by 10 % and to reduce the local resistance above high mountains several times. Note that taking topography into account is also important in more general models of electrical conductivity of the atmosphere.
global electric circuit, conductivity, atmosphere, topography, equation of electrical conductivity
ВВЕДЕНИЕ
В соответствии с современными представления-ми [Мареев, 2010] генерация токов глобальной электрической цепи происходит в грозовых облаках. Сторонний электрический ток, текущий вверх внутри облака, замыкается направленными вниз токами проводимости внутри облака и в прилегающей к облаку атмосфере, а также по глобальному проводнику. В последнем случае ток проводимости уходит выше облака в ионосферу, растекается по ионосфере, течет по всей атмосфере вниз до земной поверхности, собирается по земле до области под облаками и через нижнюю атмосферу попадает на нижнюю границу облака. При этом разность потенциалов между верхней и нижней границами отдельного грозового облака может достигать сотни мегавольт, а характерная разность потенциалов между поверхностью Земли и ионосферой равна 300 кВ.
Разность потенциалов между разными точками в ионосфере на много порядков меньше, и поэтому для ионосферы приближенно может быть использована модель идеального проводника. Земля тоже может рассматриваться как идеальный проводник из-за своей хорошей проводимости. Полный ток проводимости I между этими идеальными проводниками определяется разностью потенциалов между ними, которую обозначим V0. Атмосфера является проводником, заключенным между такими электродами. Ее сопротивление R определяется пространственным распределением проводимости воздуха σ и формой проводника.
В настоящей работе сопротивление атмосферы найдено с учетом рельефа.
1. Ampferer M., Denisenko V.V., Hausleitner W., Krauss S., Stangl G., Boudjada M.Y., Biernat H.K. Decrease of the electric field penetration into the ionosphere due to low conductivity at the near ground atmospheric layer. Annales Geophysicae. 2010, vol. 28, no. 3, pp. 779-787.
2. Denisenko V.V. The energy method for calculating quasi-stationary atmospheric electric fields. Sibirskii zhurnal industrial’noi matematikiSiberian Journal of Industrial Mathematics]. 2011, vol. 14, no. 1, pp. 56-69 (in Russian).
3. Denisenko V.V., Biernat H.K., Mezentsev A.V., Shaidurov V.A., Zamay S.S. Modification of conductivity due to acceleration of the ionospheric medium. Annales Geophysicae. 2008, vol. 26, pp. 2111-2130.
4. Denisenko V.V., Bychkov V.V., Pomozov E.V. Calculation of atmospheric electric fields penetrating from the ionosphere. Solnechno-zemnaya fizika Solar-Terrestrial Physics. 2008, iss. 2, no. 2, pp. 281-283 (in Russian). Geomagnetism and Aeronomy. 2009, vol. 49, no. 8. pp. 1275-1277 (in English).
5. Denisenko V.V., Bychkov V.V., Pomozov E.V. Mathematical simulation of penetration of electric fields from the ionosphere to the atmosphere. Mezhgeosfernye vzaimodeistviya. (Moskva, 26-27 sentyabrya 2011):Materialy seminara soveshchaniyaIntergeospheric Interactions (Moscow, September 26-27, 2011): Proceedings of the Workshop / Institute of Geosphere Dynamics. Moscow, GEOS Publ., 2011, pp. 89-96 (in Russian).
6. Denisenko V.V., Pomozov E.V. Global electric fields calculation. Vychislitelnye tekhnologiiComputational Technologies. 2010, vol. 15, no. 5, p. 34-50 (in Russian).
7. GLOBE Task Team and others / Hastings D.A., Dunbar P.K., Elphingstone G.M., Bootz M., Hiroshi Murakami, Hiroshi Maruyama, Hiroshi Masaharu, Peter Holland, Payne J., Bryant N.A., Logan T.L., Muller J.-P., Schreier G., MacDonald J.S. (eds.) The Global Land One-Kilometer Base Elevation (GLOBE) Digital Elevation Model, Version 1.0. National Oceanic and Atmospheric Administration, National Geophysical Data Center, 325 Broadway, Boulder, Colorado 80305-3328, U.S.A., 1999. Digital data base on the World Wide Web. URL: http://www.ngdc.noaa.gov/mgg/topo/globe.html. (access date 05.10.2014)
8. Harrison R.G., Aplin K.L., Rycroft M.J. Atmospheric electricity coupling between earthquake regions and the ionosphere. J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2010, vol. 72, pp. 376-381.
9. Mareev E.A. Global electric circuit research: Achievements and prospects. Uspekhi fizicheskikh naukPhysics-Uspekhi: Advances in Physical. 2010, vol. 53, no. 5, pp. 527-534 (in Russian). DOI:https://doi.org/10.3367/UFNr.0180.201005h.0527. Phys. Usp. 2010. vol. 53. pp. 504-511 (in English). DOI:https://doi.org/10.3367/UFNe.0180.201005h.0527.
10. Molchanov O., Hayakawa M. Seismo-electromagnetics and Related Phenomena: History and Latest Results. Appendix 10. Atmospheric conductivity. Tokyo, Terrapub Publ., 2008.
11. Rycroft M.J., Odzimek A. Effects of lightning and sprites on the ionospheric potential, and threshold effects on sprite initiation, obtained using an analog model of the global atmospheric electric circuit. J. Geophys. Res. 2010, vol. 115, A00E37. DOIhttps://doi.org/10.1029/2009JA014758.
12. Shriver B.A. Spravochnik po geofizikeHandbook of Geophysics. Moscow, Nauka Publ., 1965. 572 p. (in Russian).
13. World Geodetic System 1984 (WGS 84). Available at: http://earth-nfo.nga.mil/GandG/wgs84 (access date 03.10.2014).
