День Земли: учёные ИПФ РАН изучают климат через электрическое поле планеты

Сегодня, 22 апреля, отмечается Международный День Земли. В этот день активно обсуждаются вопросы экологии и биоразнообразия нашей планеты. Занимаются этим не только биологии и экоактивисты. О здоровье Земли заботятся и учёные ИПФ РАН.

Учёные лаборатории электромагнитного окружения Земли ИПФ РАН выясняют особенности изменения климата через исследование электрического поля планеты. Более подробно об этом нам рассказал заведующий лабораторией Николай Ильин.

— Что вы исследуете?

— Наша лаборатория изучает электромагнитное окружение Земли. Мы исследуем электрические и магнитные поля, которые возникают в атмосфере Земли. В первую очередь те, которые создаются различными атмосферными явлениями, например, молниями.

Давайте чуть подробнее остановимся только на одном аспекте электромагнитного окружения Земли: глобальная атмосферная электрическая цепь постоянного тока.

Мало кто знает, но атмосфера нашей планеты, помимо привычных нам физических параметров, таких как температура, давление, влажность и т.д., характеризуется электрической проводимостью, т.е. в атмосфере Земли может течь ток (почти как в обычных электрических проводах). Источником тока выступают облака с развитой электрической структурой, например грозовые. Ток от источников течёт вверх к высокопроводящей ионосфере, растекается по ней и замыкается через области хорошей погоды. Так формируется глобальная электрическая цепь.

Если измерять ток или связанное с ним приземное электрическое поле в хорошую безоблачную погоду, то можно заметить важную особенность: суточная вариация электрического поля как функция универсального времени имеет один и тот же вид и не зависит от места наблюдения на Земле. Этот эффект является следствием того, что вариация электрического поля хорошей погоды вызвана вариацией ионосферного потенциала – разности электрических потенциалов между ионосферой и поверхностью Земли. Это уникальный геофизический индекс, имеющий одно и то же значение при измерениях в любой точке Земли.

Большая часть исследований нашей лаборатории посвящена вопросам моделирования и мониторинга глобальной электрической цепи.

— Чем полезно это исследование? Где могут использоваться его результаты?

— Один из наиболее важных прикладных аспектов исследования — это независимая методика оценки изменения климата по электрическим параметрам атмосферы. До сих пор нет единой точки зрения на соотношение внутренней изменчивости и внешних форсингов в Земной системе в условиях изменяющегося климата. Регулярный мониторинг электрических параметров атмосферы, а особенно ионосферного потенциала, позволяет проводить независимую оценку изменения климата Земли.

— Как вы проводите исследования?

— Данные экспериментальных измерений — —один из ключевых вопросов в науке вообще, а в геофизике особенно. Здесь мы стараемся действовать одновременно в нескольких направлениях: развитие собственных методов и средств мониторинга, использование данных наблюдений других научных групп. В частности, нами организованы и введены в эксплуатацию два пункта мониторинга приземного квазистатического электрического поля атмосферы: «ИПФ РАН» и «Безводное». Пункты отличаются локальными условиями, в частности, ИПФ РАН находится в условиях плотной городской застройки, практически в центре города, в то время как пункт «Безводное» размещен на загородной базе в условиях сельской местности.

Другим важным аспектом нашей работы является проведение экспериментов по измерению высотных профилей электрических параметров атмосферы. В частности, в 2021 году проведена совместная с Университетом Рединга (Великобритания) экспериментальная кампания по измерению высотных профилей электрических параметров атмосферы с помощью метеозондов. Всего было проведено 5 одновременных запусков метеозондов. Все запуски осуществлялись в 12:00 UTC.

Отдельно следует упомянуть наши успехи в области численного моделирования состояния атмосферы и глобальной электрической цепи. Благодаря использованию численной модели прогноза погоды WRF и новой, разработанной нами параметризации источников удалось максимально точно воспроизвести основные тренды изменчивости глобальной электрической цепи: суточную и сезонную.

Особенно следует подчеркнуть наш последний результат: впервые теоретически предсказана и экспериментально подтверждена статистически значимая связь между глобальной электрической цепью и климатической модой Эль-Ниньо Южное Колебание (ЭНЮК). Наше моделирование показало, что сильные события Эль-Ниньо и Ла-Нинья влияют на глобальное распределение электрически активных облаков, что приводит к изменению формы суточной вариации параметров глобальной электрической цепи и ионосферного потенциала. Ключевым моментом исследования стало экспериментальное подтверждение связи глобальной электрической цепи и климатической моды ЭНЮК на основе анализа данных многолетних наблюдений атмосферных электрических полей на антарктической станции «Восток» в период с 2006 по 2016 года. Паттерны ЭНЮК, предсказанные моделью, статистически значимо разделимы в экспериментальных данных.

— Какие планы развития вашей лаборатории?

— Как уже отмечалось, мониторинг электрических параметров атмосферы может выступать независимой оценкой изменения климата Земли. При этом значимой зависимости между модельным значением ионосферного потенциала и средней температуры на планете пока не обнаружено. Необходимо дальнейшее изучение механизмов эволюции источников, проводимости атмосферы и в целом глобальной электрической цепи в условиях изменяющегося климата.

Сейчас уже точно есть понимание, что большим шагом вперед станет непрерывный мониторинг ионосферного потенциала, который до сих пор еще не налажен. Сложность измерения ионосферного потенциала связана с необходимостью измерения высотного профиля электрического поля атмосферы от поверхности до верхних слоев тропосферы. Одним из возможных способов измерения профилей – использование метеозондов, при этом, датчики электрического поля, пригодные для использования на метеозонах еще не разработаны. Мы планируем направить значительные усилия на разработку прототипа подобного датчика, тем более что техника совместного эксперимента по измерению высотных профилей нами уже освоена.

— Помогают ли ваши исследования в экологическом движении?

— Конечно, помогают. Во-первых, мониторинг и анализ вариаций электрического поля позволят оценить изменения атмосферной проводимости в приземном слоя, которая сильно зависит от аэрозольной составляющей. В частности, одновременные измерения в городских и сельских условиях демонстрируют разницу в поведении электрического поля.

Во-вторых, независимая технология оценки изменения климата по электрическим параметрам атмосферы является залогом правильного понимания фундаментальных процессов в Земной системе и адекватного влияния на них.