с 01.01.1975 по настоящее время
Красноярск, Красноярский край, Россия
Davos Physics and Meteorological Observatory/World Radiation Center (PMOD/WRC)
Россия
В данной статье мы рассматриваем атмосферную часть глобальной электрической цепи. При изучении крупномасштабных токов в атмосфере, протекающих от ионосферы к Земле, ионосферу и поверхность Земли можно с хорошей точностью рассматривать как идеальные проводники. Эти токи определяются напряжением между поверхностью Земли и ионосферой, а также пространственным распределением проводимости в атмосфере. Мы используем одномерную модель атмосферных электрических полей и токов, в которой предполагается, что токи направлены практически вертикально. Тогда пространственное распределение проводимости можно свести к распределению по долготе и широте проводимости атмосферных столбов. Интегрируя проводимость по всей поверхности Земли, мы получаем полную проводимость атмосферы. Внутри облаков проводимость воздуха снижается из-за прилипания ионов к каплям воды. Основываясь на имеющихся данных о снижении локальной проводимости в пределах отдельных облаков, мы анализируем влияние распределения плотности облаков по широте, долготе и высоте на географическое распределение проводимости и полную проводимость атмосферы. На примере 2009 г. показано, что облачность снижает полную проводимость атмосферы на 20 %. Ее вариации в течение дня и года настолько малы, что модельное электрическое поле хорошей погоды изменяется из-за облачности всего на 2 %. Судя по полученным результатам, влияние облаков на проводимость атмосферы не объясняет суточных и сезонных циклов напряженности электрического поля хорошей погоды, описываемых диаграммой Карнеги.
токи в атмосфере, электрическое поле, UT-вариация, глобальная электрическая цепь
1. Денисенко В.В. Влияние рельефа на атмосферное электрическое поле. Солнечно-земная физика. 2024, т. 10, № 1, с. 53–58. DOI:https://doi.org/10.12737/szf-101202407 / Denisenko V.V. Influence of relief on the atmospheric electric field. Sol.-Terr. Phys. 2024, vol. 10, iss. 1, pp. 49–53. DOI:https://doi.org/10.12737/stp-101202407.
2. Денисенко В.В., Ляхов А.Н. Сравнение наземных и спутниковых данных о пространственно-временном распределении грозовых разрядов при низкой солнечной активности. Солнечно-земная физика. 2021, т. 7, № 4, с. 111–119. DOI:https://doi.org/10.12737/szf-74202112 / Denisenko V.V., Lyakhov A.N. Comparison of ground-based and satellite data on spatiotemporal distribution of lightning discharges under solar minimum. Sol.-Terr. Phys. 2021, vol. 7, iss. 4, pp. 104–112. DOI:https://doi.org/10.12737/stp-74202112.
3. Денисенко В.В., Райкрофт М.Дж., Харрисон Р.Дж. Математическая модель глобального ионосферного электрического поля, создаваемого грозами. Известия РАН. Серия физическая. 2023, т. 87, № 1, с. 141–147. DOI:https://doi.org/10.31857/S0367676522700260.
4. Мареев Е.А. Достижения и перспективы исследований глобальной электрической цепи. Успехи физических наук. 2010, т. 180, с. 527–534. DOI:https://doi.org/10.3367/UFNr.0180.201005h.0527.
5. Ampferer M., Denisenko V.V., Hausleitner W., et al. Decrease of the electric field penetration into the ionosphere due to low conductivity at the near ground atmospheric layer. Ann. Geophys. 2010, vol. 28, iss. 3, pp. 779–787. DOI:https://doi.org/10.5194/angeo-28-779-2010.
6. Anisimov S.V., Galichenko S.V., Prokhorchuk A.A., Aphinogenov K.V. Mid-latitude convective boundary-layer electricity: A study by large-eddy simulation. Atmos. Res. 2020, vol. 244, 105035. DOI:https://doi.org/10.1016/j.atmosres.2020.105035.
7. Baumgaertner A.J.G., Lucas G.M., Thayer J.P., Mallios S.A. On the role of clouds in the fair weather part of the global electric circuit. Atmospheric Chemistry and Physics. 2014, vol. 14, iss. 16, pp. 8599–8610. DOI:https://doi.org/10.5194/acp-14-8599-2014.
8. Ccopa J.G.A., Tacza J., Raulin J.-P., Morales C.A. Estimation of thunderstorms occurrence from lightning cluster recorded by WWLLN and its comparison with the ‘universal’ Carnegie curve. J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2021, vol. 221, 105682. DOI:https://doi.org/10.1016/j.jastp.2021.105682.
9. Denisenko V.V. Electric current penetration from a thunderstorm cloud into the middle-latitude ionosphere. Proc. 10th Int. Conf. “Problems of Geocosmos”. Saint Petersburg, 2014a, pp. 76–81. URL: http://geo.phys.spbu.ru/materials_of_a_conference_2014/Geocosmos2014proceedings.pdf (дата обращения 30 сентября 2024 г.).
10. Denisenko V.V. Electric current penetration from a thunderstorm cloud into the ionosphere at the geomagnetic equator. 2014b, pp. 82–87. URL: http://geo.phys.spbu.ru/materials_of_a_conference_2014/Geocosmos2014proceedings.pdf (дата обращения 30 сентября 2024 г.).
11. Denisenko V.V., Nesterov S.A. The ionospheric electric field above an electrified cloud. Proc. VIII International Conference “Atmosphere, ionosphere, safety”. Kaliningrad, 2023, pp. 147–150.
12. Denisenko V.V., Rycroft M.J. Seasonal Dependence of the Equatorial Electrojets Generated by Thunderstorms. Advanc. Space Res. 2024, vol. 73, iss. 7, pp. 3464–3471. DOI:https://doi.org/10.1016/j.asr.2023.08.017.
13. Denisenko V.V., Rycroft M.J., Harrison R.G. Mathematical simulation of the ionospheric electric field as a part of the global electric circuit. Surveys Geophys. 2019, vol. 40, iss. 1, pp. 1–35. DOI:https://doi.org/10.1007/s10712-018-9499-6.
14. Golubenko K., Rozanov E., Mironova I., et al. Natural sources of ionization and their impact on atmospheric electricity. Geophys. Res. Lett. 2020, vol. 47, e2020GL088619. DOI:https://doi.org/10.1029/2020GL088619.
15. Handbook of Geophysics, United States Air Force. NY, The Macmillan Company. 1960. 571 p.
16. Harrison R.G. The Carnegie Curve. Surveys Geophys. 2013, vol. 34, pp. 209–232. DOI:https://doi.org/10.1007/s10712-012-9210-2.
17. 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. DOI:https://doi.org/10.1016/j.jastp.2009.12.004.
18. Harrison R.G., Nicoll K.A., Mareev E., et al. Extensive layer clouds in the global electric circuit: their effects on vertical charge distribution and storage. Proc. of the Royal Society A. 2020, vol. 476, 20190758. DOI:https://doi.org/10.1098/rspa.2019.0758.
19. Hastings D.A., Dunbar P.K., Elphingstone G.M., et al. 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 (дата обращения 1 июля 2024 г.).
20. Ilin N.V., Slyunyaev N.N., Mareev E.A. Toward a realistic representation of global electric circuit generators in models of atmospheric dynamics. J. Geophys. Res.: Atmos. 2020, vol. 125, e2019JD032130. DOI:https://doi.org/10.1029/2019JD032130.
21. Jeni Victor N., Frank-Kamenetsky A.V., Manu S., Panneerselvam C. Variation of atmospheric electric field measured at Vostok, Antarctica, during St. Patrick’s Day storms on 24th solar cycle. J. Geophys. Res.: Space Phys. 2017, vol. 122, pp. 6332–6348. DOI:https://doi.org/10.1002/2017JA024022.
22. Karagodin A., Rozanov E., Mareev E., et al. The representation of ionospheric potential in the global chemistry-climate model SOCOL. Sci. Total Envir. 2019, vol. 697, 134172. DOI:https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2019.134172.
23. Lavigne T., Liu C., Deierling W., Mach D. Relationship between the global electric circuit and electrified cloud parameters at diurnal, seasonal, and interannual timescales. J. Geophys. Res. Atmos. 2017, vol. 122, pp. 8525–8542. DOI:https://doi.org/10.1002/2016JD026442.
24. Makino M., Ogawa T. Quantitative estimation of global circuit. J. Geophys. Res. 1985, vol. 90, pp. 5961–5966. DOI:https://doi.org/10.1029/JD090iD04p05961.
25. Markson R. The global circuit intensity: its measurement and variation over the last 50 years. Bull. American Meteorol. Soc. 2007, vol. 88, pp. 223–242. DOI:https://doi.org/10.1175/BAMS-88-2-223.
26. Mauritsen T., Bader J., Becker T., Behrens J. Developments in the MPI-M Earth System Model version 1.2 (MPI-ESM 1.2) and its response to increasing CO2. Journal of Advances in Modeling Earth Systems. 2019, vol. 11, iss. 4, pp. 998–1038. DOI:https://doi.org/10.1029/2018MS001400.
27. Mezuman K., Price C., Galanti E. On the spatial and temporal distribution of global thunderstorm cells. Environ. Res. Lett. 2014, vol. 9, iss. 12, 124023. DOI:https://doi.org/10.1088/1748-9326/9/12/124023.
28. Molchanov O., Hayakawa M. Seismo-electromagnetics and related phenomena: History and latest results. Tokyo, Terrapub, 2008. 189 p.
29. National Research Council. The Earth’s Electrical Environment. Washington, DC, National Academies Press, 1986. DOI:https://doi.org/10.17226/898.
30. Neubauer D., Ferrachat S., Siegenthaler-Le Drian, et al. The global aerosol–climate model ECHAM6.3–HAM2.3 – Part 2: Cloud evaluation, aerosol radiative forcing, and climate sensitivity. Geoscientific Model Development. 2019, vol. 12, iss. 8, pp. 3609–3639. DOI:https://doi.org/10.5194/gmd-12-3609-2019.
31. Odzimek A., Lester M., Kubicki M. EGATEC: A new high-resolution engineering model of the global atmospheric electric circuit — Currents in the lower atmosphere. J. Geophys. Res. 2010, vol. 115, D18207, DOI:https://doi.org/10.1029/2009JD013341.
32. Pulinets S., Ouzounov D., Karelin A., Boyarchuk K. Earthquake Precursors in the Atmosphere and Ionosphere. New Concepts. Dordrecht. Springer Nature. 2022, 294 p. DOI:https://doi.org/10.1007/978-94-024-2172-9.
33. Pustovalov K., Nagorskiy P., Oglezneva M., Smirnov S. The electric field of the undisturbed atmosphere in the south of Western Siberia: A case study on Tomsk. Atmosh. 2022, vol. 13, pp. 614-633. DOI:https://doi.org/10.3390/atmos13040614.
34. Rodger C.J., Brundell J.B., Dowden R.L., Thomson N.R. Location accuracy of long distance VLF lightning location network. Ann. Geophys. 2004, vol. 22, pp. 747–758. DOI:https://doi.org/10.5194/angeo-22-747-2004.
35. 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. DOI:https://doi.org/10.1029/2009JA014758.
36. Rycroft M.J., Odzimek A., Harrison R.G. Determining the time constant of the global atmospheric electric circuit through modelling and observations. J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2024, vol. 260, 106267. DOI:https://doi.org/10.1016/j.jastp.2024.106267.
37. Slyunyaev N.N., Mareev E.A., Kalinin A.V., Zhidkov A.A. Influence of large-scale conductivity inhomogeneities in the atmosphere on the global electric circuit. J. Atmos. Sci. 2014, vol. 71, pp. 4382–4396. DOI:https://doi.org/10.1175/JAS-D-14-0001.1.
38. Stevens B., Giorgetta M.A., Esch M., et al. The atmospheric component of the MPI-M Earth System Model: ECHAM6. J. Adv. Modeling Earth Syst. 2013, vol. 5, pp. 146–172. DOI:https://doi.org/10.1002/jame.20015.
39. Sukhodolov T., Egorova T., Stenke A., et al. Atmosphere—ocean—aerosol—chemistry—climate model SOCOLv4.0: description and valuation. Geoscientific Model Develop. 2021, vol. 14, pp. 5525–5560. DOI:https://doi.org/10.5194/gmd-14-5525-2021.
40. Tinsley B.A., Zhou L. Initial results of a global circuit model with variable stratospheric and tropospheric aerosols. J. Geophys. Res. 2006, vol. 111, D16205. DOI:https://doi.org/10.1029/2005JD006988.
41. Torreson O.W., Parkinson W.C., Gish O.H., Wait G.R. Ocean Atmospheric-Electric Results. Washington, D.C., Carnegie Institution of Washington Publ., 1946, 202 p. URL: https://archive.org/details/oceanatmospheric00carn (дата обращения 15 мая 2025 г.).
42. Zhou L., Tinsley B.A. Global circuit model with clouds. J. Atmos. Sci. 2010, vol. 67, iss. 4, pp. 1143–1156. DOI:https://doi.org/10.1175/2009JAS3208.1.
43. URL: https://en.wikipedia.org/wiki/World_Geodetic_System (дата обращения 31 октября 2025 г.).
44. URL: https://data.marine.copernicus.eu/products (дата обрашения 27 мая 2024 г.).
45. URL: https://cpb-eu-w2.wpmucdn.com/blogs.reading.ac.uk/dist/7/201/files/2020/09/CCMI-2022_REF-D1_proposal_20200921.pdf (дата обращения 27 мая 2024 г.).
