Науки о Земле

Впервые создана модель, описывающая порождаемые грозами ионосферные токи

Daniel Laan/Flickr

Ученые создали новую модель, которая описывает создаваемые грозами токи в ионосфере – верхнем слое атмосферы, богатом ионами. Эта модель станет незаменимым элементом при описании токов глобальной электрической цепи, а также будет полезна при моделировании распространения радиоволн и других ионосферных явлений. Работа будет опубликована в январском номере журнала Surveys in Geophysics, сейчас она доступна на сайте журнала.

Ионосфера привлекает внимание ученых не только красотой своих северных сияний, но и интересными эффектами, которые могут служить практическим целям. В прошлом веке значительная часть радиосвязи осуществлялась на коротких волнах, которые не могут напрямую пересечь земной шар, поэтому, чтобы передать сообщение, например, из Москвы в Новую Зеландию, они идут в обход Земли. В большинстве случаев, однако, электромагнитные волны распространяются по прямой и самостоятельно поворачивать не могут. В этом их коротким разновидностям и помогает ионосфера.

Радиоволны отражаются от ионосферы и попадают обратно на Землю так же, как луч солнца отражается от зеркала. Место, куда они попадают после отражения, определяется углом, под которым волны падают на ионосферу. Таким образом можно передавать сообщения на достаточно далекие расстояния. Для выбора частоты волны существенно знать состояние ионосферы, поэтому ее изучению уделялось большое внимание. В настоящее время не менее важно знать происходящую в ионосфере задержку радиоволн, используемых глобальными навигационными системами, например ГЛОНАССом. Если считать, что ионосферы нет и волна идет в пустоте, возникает ошибка определения положения объекта до сотни метров.

Одна из причин образования такого электрического поля – атмосферные токи. Ионосфера и земля постоянно обмениваются заряженными частицами, то есть между ними непрерывно течет электрический ток, который ученые называют глобальным, поскольку он распределен по всей Земле. Его источником являются грозы, а течет он по замкнутой «цепи», часть которой лежит в ионосфере.

Несмотря на то, что было сделано много попыток подробно описать глобальную электрическую цепь, ее ионосферная часть до сих пор не была изучена или измерена. Ученые Института вычислительного моделирования (ИВМ) СО РАН и Сибирского федерального университета создали модель, которая описывает такие токи. В отличие от своих предшественников, авторы работы использовали сложное описание распределения проводимости ионосферы, что помогло им получить намного более точные результаты.

Благодаря этой модели физикам удалось численно определить напряженность ионосферных электрических полей, порождаемых грозами. Оказалось, что они очень малы и в настоящее время не могут быть измерены на фоне гораздо больших полей, создаваемых другими генераторами, расположенными в магнитосфере, простирающейся на десятки радиусов Земли выше ионосферы, и в самой ионосфере. Кроме того, в своей модели ученые учли рельеф Земли и разницу между проводимостью воздуха над морем и сушей, что помогло им улучшить описание токов, текущих от ионосферы к Земле.

«Мы добились цели, которую поставили перед собой, — создать математическую модель ионосферных электрических полей, которые обеспечивают замыкание токов, текущих в результате глобальной грозовой активности из атмосферы в ионосферу, — комментирует один из авторов статьи, сотрудник ИВМ СО РАН и СФУ Валерий Денисенко. — Мы определили, что такие электрические поля сильно зависят от солнечной активности и времени. Наша модель необходима для корректного описания стационарных электрических процессов в атмосфере».

Понравился материал? Добавьте Indicator.Ru в «Мои источники» Яндекс.Новостей и читайте нас чаще.

Пресс-релизы о научных исследованиях, информацию о последних вышедших научных статьях и анонсы конференций, а также данные о выигранных грантах и премиях присылайте на адрес science@indicator.ru.