Ученые Института прикладной физики им. А.В. Гапонова-Грехова РАН проанализировали данные, полученные в течение 15 лет измерений электрического поля «хорошей погоды» на российской станции «Восток» в Антарктиде. Физики пришли к выводу, что в среднем по наблюдениям значение одного из основных параметров глобальной электрической цепи (ГЭЦ) — ионосферного потенциала — достигает максимальных значений летом Северного полушария, а минимума — зимой Северного полушария. Исследование проводилось в рамках государственного задания ИПФ РАН.
Атмосфера нашей планеты, помимо привычных физических параметров, таких как температура, давление, влажность, характеризуется также электрической проводимостью, и как следствие, в ней могут протекать электрические токи. В качестве источников токов выступают электрически активные облака, в том числе грозовые. Ток от облаков течет вверх к высокопроводящей ионосфере, растекается по ней и замыкается в областях «хорошей погоды» через высокопроводящую Землю обратно к областям источников. Так формируется глобальная атмосферная электрическая цепь. Характерные значения ионосферного потенциала, возникающие при этом, составляют около 200–300 кВ. Плотность тока, протекающего в областях «хорошей погоды», очень мала из-за слабой проводимости атмосферы: всего около единиц пикоампер (одна триллионная часть 1 ампера) на квадратный метр. Такие токи, в отличие от токов молниевых разрядов, не опасны для жизни людей.
Вопрос влияния самой интенсивной моды сезонной изменчивости (ответственной за смену сезонов года) на вариацию параметров ГЭЦ до сих пор не имел точного ответа. Проблема в том, что на сезонном масштабе вместе с электрическими параметрами меняется огромное количество других параметров, напрямую влияющих как на проводимость, так и на измеряемые поля. Например, это выход из почвы таких радиоактивных веществ, как радон. Из влажной и замерзшей почвы этот газ выходит медленнее, из-за чего приграничный слой воздуха меньше ионизируется и его проводимость снижается. Кроме того, проводимость очень сильно искажают аэрозоли, например, частицы черного и органического углерода, пыли различных размеров. В течение года их концентрация существенно меняется, причем в разных местах по-разному. Возникновение таких проблем привело к тому, что из многократных, проведенных за последний век измерений не следует однозначного вывода о характере наблюдаемой вариации и тем более — о ее масштабе. В течение года электрическая активность в Северном полушарии достигает максимума в июне-августе, а в Южном – в декабре-феврале. Поэтому суммарный наблюдаемый эффект оказывается тонким, поскольку складываются две похожих, но противоположных по знаку вариации вкладов в ГЭЦ от отдельных полушарий. Именно поэтому определение механизмов и характера глобального эффекта сезонной вариации до сих пор оставалось нерешенной задачей современной геофизики.
Нижегородские исследователи проанализировали результаты ряда непрерывных измерений, которые проводились с 2006 по 2021 год в уникальном месте — российской полярной станции «Восток». Впервые эти данные были рассмотрены за такой длинный период. Станция расположена почти в центре Антарктиды, на высоком ледяном плато (около 4000 м над уровнем моря). Здесь осадки, облачность и аэрозоли оказывают минимальное влияние на измерения, поэтому их результаты оказываются наиболее репрезентативными для исследования ГЭЦ. На основе этих данных удалось достоверно определить, что максимум интенсивности ГЭЦ наблюдается в июле, летом Северного полушария, а в течение года интенсивность варьируется заметно слабее, чем на суточном масштабе: всего на 10–15%.
«Мы использовали методы численного моделирования для того, чтобы воспроизвести большой объем параметров ГЭЦ и исследовать механизмы формирования ее сезонной вариации, – рассказал Николай Ильин, кандидат физико-математических наук, заведующий лабораторией электромагнитного окружения Земли ИПФ РАН. – Мы выявили ключевой тренд, который помог разобраться с массой других, часто противоречащих друг другу, более ранних наблюдений. Эффект, который искали ученые, оказался настолько сложным, что даже небольшие проблемы в измерениях не давали возможности его увидеть. На основе данных, полученных со станции «Восток», нам удалось достоверно определить, что максимум интенсивности ГЭЦ наблюдается в июле, летом Северного полушария, а в течение года интенсивность варьируется заметно слабее, чем на суточном масштабе: всего на 10–15%». Ученым также удалось независимо воспроизвести этот результат с помощью собственной численной модели ГЭЦ, «запускаемой» на базе данных погодного и климатического моделирования атмосферы с 1980 по 2020 год. Для этого исследователям потребовалось доработать модель, усовершенствовав процедуру оценки вкладов в ионосферный потенциал от разных регионов. Моделирование показало, что формирование сезонной вариации существенно зависит как от распределения суши по поверхности нашей планеты, так и от перемещения максимума солнечного излучения по широте в течение года.
Уже есть исследования, подтверждающие результаты моделирования ГЭЦ учеными из ИПФ РАН. Развиваемые подходы к воспроизведению электрических параметров позволяют использовать их в качестве независимой метрики погодно-климатического состояния атмосферы. Это еще один шаг к пониманию того, как могут меняться параметры глобальной электрической цепи с изменением климата.
Исследование проводилось совместно с учеными из Арктического и Антарктического научно-исследовательского института (С.-Петербург), Института вычислительной математики РАН (Москва), а также из Массачусетского технологического института (США).
Информация предоставлена пресс-службой ИПФ РАН
Информация взята с портала «Научная Россия» (https://scientificrussia.ru/)
