ГЛОБАЛЬНЫЕ И ЛОКАЛЬНЫЕ ВАРИАЦИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ В ПРИЗЕМНОМ ЭЛЕКТРОДНОМ СЛОЕ
Аннотация
Представлена математическая модель структуры приземного электродного слоя атмосферы, учитывающая совместное действие глобальных и локальных генераторов электрического поля. Пространственно-временное моделирование основано на сопряжении гармонических тригонометрических функций суточного хода для локального турбулентного обмена и для плотности глобального полного тока. При моделировании поведения электрического поля использованы аналитические решения уравнений электродного эффекта в атмосфере. Предложенный подход заключается в пошаговой подстановке мгновенных значений плотности полного электрического тока и коэффициента турбулентной диффузии, полученных из уравнений их периодического изменения для конкретного часа суток, в аналитические формулы стационарного пространственного распределения характеристик турбулентного электродного слоя. Правомерность использования квазистационарного приближения строго обоснована существенным различием (более чем на два порядка) временных масштабов установления электрического равновесия среды и периода суточного хода глобального токового генератора. Установлено, что совмещенный режим моделирования адекватно воспроизводит синергетическое расширение размаха суточной кривой напряжённости (градиента потенциала) электрического поля и деформацию его профиля, характерную для летнего сезона в высокогорье. Достоверность полученных теоретических результатов подтверждена путем их сравнения с экспериментальными данными натурных измерений на высокогорной станции Пик Чегет (430 16’ с. ш. и 420 30’ в. д.), расположенной в Приэльбрусье на высоте 3040 м н. у. м. Анализ продемонстрировал хорошее количественное и хронологическое соответствие значений расчетных экстремумов наблюдаемой суточной вариации напряжённости электрического поля в летний сезон. Полученные результаты могут быть непосредственно использованы для повышения точности интерпретации данных геофизического мониторинга.
Список литературы
1. Mauchly S.J. Studies in atmosphere electricity based on observations made on the Carnegie (1915-1921), Researches of the Department of Terrestrial Magnetism. Washington: Carnegie Institution, 1926, pp. 385-424.
2. Harrison R.G. The Carnegie curve, Surveys in Geophysics, 2013, Vol. 34, No. 2, pp. 209-232.
3. Adzhiev A. Kh, Kupovykh G.V. Measurements of the Atmospheric Electric Fieldunder High-Mountain Conditions in the vicinity of Mt. Elbrus, Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics, 2015, Vol. 51, No. 6, pp. 633-638.
4. Kupovykh G.V., Kudrinskaya T.V., Grivtsov V.V. The atmosphere electrical characteristics’ monitoring as an element of technosphere safety, IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2020, 913 052041, 6 p.
5. Morozov V.N. Atmosfernoe elektrichestvo [Atmospheric electricity], Atmosfera. Spravochnik (spravochnye dannye, modeli) [Atmosphere. Handbook (reference data, models)]. Leningrad: Gidrome-teoizdat, 1991, pp. 394-408.
6. Kupovykh G.V., Morozov V.N., Shvarts Ya.M. Teoriya elektrodnogo effekta v atmosphere [Theory of the Electrode Effect in the Atmosphere]. Taganrog: Izd-vo TRTU, 1998, 123 p.
7. Morozov V.N., Kupovykh G.V. Matematicheskoe modelirovanie global'noy atmosfernoy elektricheskoy tsepi i elektrichestva prizemnogo sloya: monografiya [Mathematical modeling of the global atmospheric electric circuit and surface layer electricity: monograph]. Saint Petersburg: Asterion, 2017, 307 p.
8. Kupovykh G.V. Elektrodinamicheskie protsessy v prizemnom sloe atmosfery [Electrodynamic processes in the surface layer of the atmosphere]. Taganrog: Izd-vo TTI YuFU, 2009, 114 p.
9. Kupovykh G.V., Morozov V.N. Turbulentnyy elektrodnyy effekt v prizemnom sloe [Turbulent electrode effect in the surface layer], Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Severo-Kavkazskiy region. Estestvennye nauki. Prilozhenie [Bulletin of Higher Educational Institutions. North Caucasus Region. Natural Sciences. App. No. 3], 2003, pp. 55-62.
10. Redin A.A, Klovo A.G., Kupovykh G.V. Elektrodinamicheskaya model' atmosfernogo prizemnogo sloya [Electrodynamic model of the atmospheric surface layer], Izvestiya YuFU. Tekhnicheskie nauki [Izvestiya SFedU. Engineering Sciences], 2009, No. 8, pp. 93-106.
11. Kupovykh G., Redin A., Boldyreff A. Modeling of ionization-recombination processes in the atmospheric surface layer, Journal of Electrostatics, 2013, Vol. 71, pp. 305-311.
12. Kudrinskaya T.V., Kupovykh G.V., Redin A.A. Issledovaniya ionizatsionnogo sostoyaniya prizemnogo sloya atmosfery v raznykh geofizicheskikh usloviyakh [Studies of the ionization state of the atmospheric surface layer under various geophysical conditions], Meteorologiya i gidrologiya [Meteorology and Hy-drology], 2018, No. 4, pp. 77-85.
13. Svidel'skiy S.S., Litvinova V.S., Kupovykh G.V., Klovo A.G. Formirovanie struktury atmosfernogo el-ektrodnogo sloya [Formation of the structure of the atmospheric electrode layer], Izvestiya YuFU. Tekhnicheskie nauki [Izvestiya SFedU. Engineering Sciences], 2020, No. 5, pp. 130-141.
14. Kupovykh G.V., Timoshenko D.V., Klovo A. G., Kudrinskaya T.V. Electrodynamic processes models in atmospheric surface layer, IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2019, Vol. 698 044034, 8 p.
15. Kupovykh G.V., Timoshenko D.V., Kudrinskaya T.V., Klovo A.G. Modeling of the atmospheric electric field local variations in the turbulent surface layer, Journal of Physics: IOP Conference Series. VIII All-Russian Conference on Atmospheric Electricity, 2020, 1604 012003, 5 p.
16. Timoshenko D.V., Kupovykh G.V., Kudrinskaya T.V. Daily dynamics of the electric field in the turbulent surface air layer under the action of local factors, Atmospheric and Oceanic Optics, 2025, Vol. 38, No. 1, pp. 77-82.
17. Adzhiev A.Kh., Klovo A.G., Kudrinskaya T.V., Kupovykh G.V., Timoshenko D.V. Diurnal Variations of the Electric Field in the Atmospheric Boundary Layer, Izvestiya, Atmospheric and Oceanic Physics, 2021, Vol. 57, No. 4, pp. 397-405.
18. Belousova O.V., Kupovykh G.V., Klovo A.G., Grivtsov V.V. Rezul'taty modelirovaniya elektrodinamich-eskoy struktury turbulentnogo prizemnogo sloya [Results of simulation of electrodynamic structure of turbulent surface layer], Izvestiya YuFU. Tekhnicheskie nauki [Izvestiya SFedU. Engineering Sciences], 2022, No. 4 (228), pp. 245253.
19. Kupovykh G.V., Belousova O.V., Klovo A.G. Priblizhennye analiticheskie resheniya uravneniy elektrod-nogo effekta v atmosfere [Approximate analytical solutions of the electrode effect equations in the at-mosphere], Sb. dokladov XXVIII Vserossiyskoy otkrytoy nauchnoy konferentsii «Rasprostranenie radio-voln» [Proceedings of the XXVIII All-Russian Open Scientific Conference "Radio Wave Propagation"]. Yoshkar-Ola, 2023, pp. 544-548.
20. Kupovykh G.V, Timoshenko D.V., Kudrinskaya T.V., Klovo A.G., Belousova O.V. Lokal'nye variatsii elektricheskogo polya v turbulentnom prizemnom sloe [Local variations of the electric field in a turbulent surface layer], Mater. IX Vserossiyskoy nauchnoy konferentsii po atmosfernomu elektrichestvu [Pro-ceedings of the IX All-Russian Scientific Conference on Atmospheric Electricity]. Saint Petersburg: VKA im. A.F. Mozhayskogo, 2023, pp. 497-503.
21. Timoshenko D.V., Kupovykh G.V. Issledovanie global'nykh i lokal'nykh variatsiy elektricheskikh kharak-teristik turbulentnogo prizemnogo sloya atmosfery [Investigation of global and local variations of electri-cal characteristics of the turbulent surface layer of the atmosphere], Tr. GGO im.
A.I. Voeykova [Proceedings of the Voeikov Main Geophysical Observatory]. Saint Petersburg, 2025, Is-sue 619, pp. 115-128.
22. Timoshenko D.V., Kupovykh G.V., Belousova O.V. Analiz elektrodinamicheskoy modeli prizemnogo sloya atmosfery [Analysis of the electrodynamic model of the atmospheric surface layer], Izvestiya vys-shikh uchebnykh zavedeniy. Severo-Kavkazskiy region. Estestvennye nauki [Bulletin of Higher Educa-tional Institutions. North Caucasus Region. Natural Sciences], 2024, No. 4, pp. 104-112.
23. Kupovykh G.V., Timoshenko D.V., Klovo A.G., Kudrinskaya T.V. Electrode effect on the daily variation in the atmospheric electric field in the surface air layer, Atmospheric and Oceanic Optics, 2024, Vol. 37, No. 1, pp. 94-98.
