Сотрудники Института прикладной физики им. А.В. Гапонова-Грехова РАН провели анализ данных, собранных в ходе 15-летних измерений электрического поля в периоды «хорошей погоды» на российской антарктической станции «Восток». В результате исследований физики установили, что среднее значение одного из ключевых параметров глобальной электрической цепи (ГЭЦ) – ионосферного потенциала – достигает пиковых значений в летний период Северного полушария, а минимальных – зимой Северного полушария. Работа была выполнена в рамках государственного задания ИПФ РАН. Материалы исследования были опубликованы в журнале Journal of Geophysical Research: Atmospheres ( https://doi.org/10.1029/2024JD042633 и https://doi.org/10.1029/2024JD042634).
Атмосфера нашей планеты, наряду с обычными физическими характеристиками, включая температуру, давление и влажность, обладает и электрической проводимостью, что позволяет в ней циркулировать электрическим токам. Электрически активные облака, особенно грозовые, служат источниками этих токов. Ток, генерируемый облаками, направляется вверх к ионосфере с высокой проводимостью, распределяется по ней и возвращается к областям, где он зарождается, через Землю с аналогичной проводимостью в зонах с благоприятными погодными условиями. Таким образом, формируется глобальная электрическая цепь в атмосфере. Возникающие в процессе этого явления значения ионосферного потенциала обычно составляют от 200 до 300 киловольт. Плотность тока, циркулирующего в областях «хорошей погоды», крайне мала из-за низкой электропроводности атмосферы: приблизительно единица пикоампера (одна триллионная часть ампера) на квадратный метр. Эти токи, в отличие от токов, возникающих при молниевых разрядах, не представляют угрозы для жизни людей.
Вопрос о влиянии интенсивной сезонной изменчивости на колебания параметров геоэлектрического потенциала (ГЭЦ) до сих пор не имеет однозначного решения. Сложность заключается в том, что на сезонном масштабе электрические параметры изменяются одновременно с множеством других факторов, оказывающих непосредственное воздействие на проводимость и измеряемые поля. К примеру, это связано с выходом радиоактивных веществ, таких как радон, из почвы. Этот газ выделяется медленнее из влажной и замерзшей почвы, что приводит к меньшему ионизированию приграничного слоя воздуха и снижению его проводимости. Кроме того, существенное искажение проводимости вносят аэрозоли, такие как частицы черного и органического углерода, а также пыль различных размеров. Их концентрация в течение года значительно меняется, причем в разных регионах – по-разному. Подобные факторы привели к тому, что многократные измерения, выполненные за последнее столетие, не позволили сделать однозначный вывод о характере наблюдаемых колебаний и, тем более, об их масштабе. Электрическая активность в Северном полушарии достигает пика в июне-августе, а в Южном – в декабре-феврале. В результате, суммарный наблюдаемый эффект оказывается нечетким, поскольку в него включаются два схожих, но противоположных по знаку колебаний, вносимых отдельными полушариями в ГЭЦ. Поэтому выявление механизмов и характера глобального эффекта сезонной вариации до сих пор остается нерешенной задачей современной геофизики.
Нижегородские ученые изучили результаты длительных наблюдений, проводившихся с 2006 по 2021 год на российской полярной станции «Восток». Ранее эти данные не рассматривались за столь продолжительный срок. Станция находится практически в центре Антарктиды, на обширном ледяном плато, расположенном на высоте около 4000 метров над уровнем моря. В силу того, что здесь осадки, облачность и аэрозоли оказывают незначительное воздействие на измерения, полученные данные являются наиболее показательными для изучения геомагнитных возмущений. На их основе было установлено, что пик интенсивности геомагнитных возмущений приходится на июль, летний месяц в Северном полушарии, а в течение года интенсивность меняется не так значительно, как в пределах суток: всего на 10–15%.
«Для воспроизведения обширного набора параметров геомагнитного эллипсоида и изучения принципов формирования его сезонных колебаний были применены методы численного моделирования, – сообщил Николай Ильин, кандидат физико-математических наук, руководитель лаборатории электромагнитного окружения Земли Института физики атмосферных явлений и распространения радиоволн РАН. – Нам удалось выявить основной тренд, который позволил разобраться с множеством других, нередко противоречивых, предыдущих наблюдений. Искомый эффект оказался настолько сложен, что даже незначительные погрешности в измерениях не позволяли его обнаружить. Используя данные, полученные со станции «Восток», нам достоверно удалось установить, что максимальная интенсивность геомагнитного эллипсоида приходится на июль, летний период в Северном полушарии, а в течение года интенсивность меняется заметно слабее, чем в пределах суток: всего на 10–15%. Также ученым удалось самостоятельно подтвердить этот результат с помощью собственной численной модели геомагнитного эллипсоида, использующей базу данных погодного и климатического моделирования атмосферы за период с 1980 по 2020 год. Для этого исследователям потребовалось усовершенствовать модель, улучшив способ оценки влияния различных регионов на ионосферный потенциал. Моделирование показало, что формирование сезонной вариации в значительной степени определяется как расположением континентов на поверхности Земли, так и смещением максимума солнечного излучения по широте в течение года.
Существующие исследования подтверждают результаты моделирования геоэлектрической цепи, проведенного учеными из Института физико-химических процессов РАН. Разработанные методики воспроизведения электрических характеристик позволяют применять их для оценки состояния атмосферы. Это способствует лучшему пониманию того, как изменение климата может влиять на параметры глобальной электрической цепи.
В работе были задействованы специалисты из Арктического и Антарктического научно-исследовательского института (Санкт-Петербург), Института вычислительной математики РАН (Москва) и Массачусетского технологического института (США).
- Слюняев Н.Н., Сарафанов Ф.Г., Илин Н.В., Мареев Е.А., Володин Е.М., Франк-Каменецкий А.В. и Уильямс Е.Р. (2025). Сезонные колебания глобальной электрической цепи постоянного тока: 1. Новый анализ на основе долгосрочных измерений в Антарктиде. Журнал геофизических исследований: Атмосфера, 130, e2024JD042633. https://doi.org/10.1029/2024JD042633
- Слюняев Н.Н., Сарафанов Ф.Г., Илин Н.В., Мареев Е.А., Володин Е.М., Франк-Каменецкий А.В. и Уильямс Е.Р. (2025). Сезонные колебания глобальной электрической цепи постоянного тока: 2. Дальнейший анализ на основе моделирования. Журнал геофизических исследований: Атмосфера, 130, e2024JD042634. https://doi.org/10.1029/2024JD042634
Информация предоставлена пресс-службой ИПФ РАН