Измерения плотности атмосферного электрического тока горизонтальной кольцевой пассивной антенной в приземном слое: квазистационарное приближение

Рассматривается квазистационарное приближение для турбулентных электрических процессов в атмосферном пограничном слое и их регистрация горизонтальной кольцевой пассивной антенной, действующей как коллектор атмосферного электрического тока. На основе вихреразрешающего моделирования рассчитаны вариации электрических переменных, выполнены оценки пространственных корреляционных функций и спектральной плотности флуктуаций компонент плотности атмосферного тока, а также отклика тока в коллекторе на локальные турбулентные возмущения плотности тока проводимости и мгновенное изменение глобальной разности потенциалов между ионосферой и земной поверхностью. По результатам моделирования получена оценка отношения плотности полного вертикального атмосферного электрического тока и плотности тока проводимости на высоте установки антенны, которая может быть использована для экстраполяции результатов наземных измерений за пределы атмосферного пограничного слоя. Результаты прямых наблюдений плотности атмосферного электрического тока коллектором сравниваются с результатами синхронных наблюдений напряжённости атмосферного электрического поля и электрической проводимости в приземном слое. Частотные спектры измеренных коллектором и рассчитанных флуктуаций тока имеют степенной характер спадания с ростом частоты с показателями, которые согласуются для измерений и модельных расчётов в диапазоне от -1,0 до -1,5.

На английском языке

Measurement of the density of atmospheric electric current by a passive horizontal ring antenna in the surface layer: quasi-stationary approximation

Anisimov S.V., Galichenko S.V., Prokhorchuk A.A., Aphinogenov K.V. and Klimanova E.V.

We consider a quasi-stationary approximation for turbulent electrical processes in the atmospheric boundary layer and their registration by a horizontal ring passive antenna acting as a collector of atmospheric electric current. On the basis of large-eddy simulation, variations in electrical variables are calculated, spatial correlation functions and spectral density of fluctuations of the atmospheric-current density components are estimated, as well as the response of the collector current to local turbulent perturbations of the conduction-current density and the instantaneous change in the global potential difference between the ionosphere and the Earth's surface. Based on the simulation results we estimated the ratio of the density of the total vertical atmospheric electric current and the conduction-current density at the height of antenna installation, which can be used to extrapolate the results of the ground-based measurements beyond the atmospheric boundary layer. The results of direct observations of the atmospheric electric current density by the collector are compared with the results of synchronous observations of the atmospheric electric field strength and electrical conductivity in the surface layer. The frequency spectra of the collector-measured and calculated fluctuations of electric current show a power-law decay with increasing frequency with the exponents that are consistent for the measurements and model calculations in the range from -1.0 to -1.5.

DOI: https://doi.org/10.52452/00213462_2022_65_11_893

Пример ссылки для цитирования:

Анисимов С.В., Галиченко С.В., Прохорчук А.А., Афиногенов К.В., Климанова Е.В. Измерения плотности атмосферного электрического тока горизонтальной кольцевой пассивной антенной в приземном слое: квазистационарное приближение // Изв. вузов. Радиофизика. 2022. Т. 65, № 11. C. 893–913.