Воздействие космических факторов на процессы в глобальной электрической цепи тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Карагодин Арсений Владиславович

• Карагодин Арсений Владиславович
• кандидат наук
• 2023

Оглавление диссертации кандидат наук Карагодин Арсений Владиславович

Введение

Глава 1. Обзор исследований в области изучения атмосферных электрических полей и их влияния на климатическую систему

1.1. История исследований параметров атмосферного электричества и их связи с внешними факторами

1.2. Обзор исследований отклика климатической системы на космическое воздействие через ГЭЦ

Глава 2. Модуль расчёта параметров атмосферного

электрического контура

2.1. Описание химико-климатической модели ЗОСОЬ

2.2. Расчёт электрического потенциала Ионосфера-Земля

2.3. Расчёт проводимости и сопротивления атмосферы с учётом скоростей ионизации от внешних факторов и радиоактивного радона Ип-222

2.4. Метод расчёта плотности тока Ионосфера-Земля

2.5. Выводы и обсуждение

Глава 3. Влияние внешних факторов на климатическую

систему Земли через ГЭЦ

3.1. Влияние Бу ММП на приземную метеорологию через воздействие ГЭЦ на скорость слияния облачных капель

3.2. Влияние экстремального солнечно-протонного события, аналогичного событию 774-775 г. н.э., на приземную метеорологию через усиление и его влияния на скорость слияния облачных капель

3.3. Выводы и обсуждение

Заключение

Список сокращений и условных обозначений

Список литературы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Воздействие космических факторов на процессы в глобальной электрической цепи»

Введение

Данная диссертационная работа посвящена изучению влияния космических факторов на составляющие глобальной электрической цепи, а также оценке их вклада в изменение метеорологических параметров через атмосферное электричество и облачную микрофизику. Атмосферное электричество является одной из наиболее долгоживущих в научном мире областей исследования геоклиматической системы. Ещё с восемнадцатого века стали появляться первые измерительные приборы для проведения наблюдений за атмосферными электрическими явлениями, такими как грозы, и стали развиваться методы наблюдений, а уже в девятнадцатом веке появились и научные базы данных параметров атмосферного электричества, что во многом повлияло и на развитие науки двадцатого века. К середине прошлого века была разработана концепция глобальной электрической цепи. Глобальная электрическая цепь (ГЭЦ) - это интегрально - замкнутая система, формируемая благодаря активности в нижней атмосфере наэлектрифицированных облаков и гроз. Электрический атмосферный контур непрерывно поддерживается облаками, несущими электрический заряд, поскольку в любой момент времени такие облака присутствуют в атмосфере и действуют как глобальный генератор тока. Ток, формируемый грозовой активностью, протекающий вплоть до высокопроводящих, ионизированных слоёв средней атмосферы, где происходит формирование возвратного тока хорошей погоды (Л^), который замыкается в нижней атмосфере через приземные электрические поля и поверхность Земли.

Уже ближе к концу прошлого века, одним из основных направлений изучения электрических процессов в атмосфере стала оценка изменения ГЭЦ под влиянием внешних, то есть космических факторов. Хорошо известно, что помимо внутренней изменчивости, климатическая система Земли чувствительна и к различным внешним воздействиям, среди которых флуктуация межпланетного магнитного поля, изменение интенсив-

ности солнечного ветра, а также высокоэнергичные потоки заряженных частиц как солнечного, так и галактического происхождения. Однако до сегодняшнего дня роль ГЭЦ в цепочке солнечно-земных связей досконально не изучена. К примеру, до сих пор точно не определена степень влияния дополнительной ионизации, вызванной потоками энергичных частиц, на процессы ГЭЦ. Потоки частиц, пришедшие извне Земной атмосферы, от Солнца, в виде солнечных космических лучей или потоков энергичных электронов солнечного ветра, а также протонов от Сверхновых звезд, в виде галактических космических лучей, взывают значительное повышение ионообразования в различных слоях атмосферы и, тем самым, оказывают существенное влияние на атмосферную химию, через ионизацию нейтральных газов и климат, через отклик температуры на изменение содержания озона. Однако от повышения ионной концентрации в атмосфере в значительной степени зависит и величина атмосферной проводимости, от которой напрямую зависит и величина электрического тока. Помимо этого, существуют различные результаты исследований корреляционной связи между флуктуацией азимутальной (Бу) компоненты межпланетного магнитного поля (ММП) и аномалиями в приземной метеорологии, известной как эффект Мансурова [1]. Эти исследования показывают, что существует модуляция ГЭЦ, осуществляемая компонентой Бу ММП, через вертикальное электрическое поле, влияющее на электрический потенциал нижней атмосферы. В дополнение, важным остаётся вопрос об реакции климата на изменение ГЭЦ под воздействием космических факторов, в виде локальных и глобальных изменений климатической системы Земли. Одна из ведущих гипотез гласит, что изменённый под воздействием внешних факторов ток ГЭЦ, способен оказывать влияния на метеорологические параметры нижней атмосферы через микрофизику облаков[2, 3]. Связь может происходит через изменение толщи облачности и пропускательной способности облаков для солнечной радиации. Исследования [1, 4, 5] показывают высокую корреляцию между Бу ММП, параметрами ГЭЦ и аномалиями в приземной метеорологии, однако связь через микрофизику облачности до сего дня не подтверждена из-за скудности имеющихся результатов наблюдений. Так-

же, не существует и численных подтверждений данной гипотезы, из-за отсутствия устойчивых количественных оценок влияния тока на параметры облачной микрофизики. Важно сказать, что проведение численных расчётов электрических процессов в атмосфере Земли на сегодняшний день являются одной из сложнейших задач, вызывающих значительные дискуссии в научном сообществе. Дело в том, что на данный момент до конца не понятны многие связующие физические процессы, объясняющие различные вариации атмосферных электрических полей нижней и средней атмосферы. Пионером в области численного моделирования параметров ГЭЦ является глобальная модель, созданная на основе сферических гармоник, разработанная Хейсом и Роблом в конце 70-х годов [6, 7]. В данной модели использовался целый ряд допущений, чтобы заполнить пробелы в знаниях об атмосферных процессах, но, тем не менее, она была способна воспроизводить параметры ГЭЦ со значительным, на тот момент, уровнем точности и учитывать как внешние, так и внутренние факторы изменения ГЭЦ. В последние годы, с ростом технологий и вычислительных мощностей, были достигнуты определённые успехи в разработках моделей атмосферного электрического контура с использованием основы в виде глобальных климатических моделей в Соединённых Штатах (ШЛССМ-СЕС) [8], инженерных моделей высокого разрешения [9], а также включения отдельных составляющих ГЭЦ в различные климатические модели [10]. Расчёты параметров ГЭЦ на основе знаний о влиянии внешних факторов на атмосферу, и их дальнейшего использования, в частности, для оценки потенциальной роли атмосферного электричества в изменении метеорологических составляющих и климата являются одной из важных задач на современном этапе развития науки в области солнечно-земной физики. В рамках работы над кандидатской диссертацией были поставлены задачи связанные с разработкой модуля ГЭЦ для климатических моделей и получение оценок влияния ГЭЦ на погоду и климат продиктована необходимостью повысить точность долгосрочного прогнозирования эволюции климатической системы Земли.

Цель данной работы - изучение вклада космических факторов (ионизации и вариации Ву ММП) в изменение параметров атмосферного элек-

тричества и оценка влияния внешних факторов на климатическую систему Земли через глобальную электрическую цепь.

Для ее достижения необходимо решить следующие задачи:

• Разработать численную схему и провести расчёт параметров атмосферного электричества, включая расчёт ионосферного потенциала, удельной проводимости и сопротивления атмосферы, а также нисходящего тока хорошей погоды с учётом внешних (скоростей ионизации от солнечных и галактических космических лучей,Бу ММП), а также внутренних (электрифицированная облачность и радон) воздействий.

• Разработать численную схему связи внешних факторов и скорости слияния жидких и ледяных облачных капель через параметры ГЭЦ.

Положения, выносимые на защиту

• В рамках модели БОСОЬ реализован блок для расчета влияния космических факторов (ионизации и вариации Бу ММП) на вариации метеорологических параметров (атмосферного давления, температуры воздуха) через атмосферное электричество и микрофизику облачности.

• Во время солнечно-протонного события, аналогичного событию 774775-го года, возрастание проводимости воздуха во всём столбе атмосферы составляло до шести порядков величины в средней (20-80 км) и до двух порядков величины в нижней атмосфере (0-20 км) (при эталонных значениях проводимости 10-8 на 80 км и 10-14 у поверхности земли). Увеличение плотности тока в высоких широтах достигало значений более 300 рА хш-2 (при характерных значениях Зг 2-4 рА хш-2).

• Для солнечно-протонного события, аналогичного событию 774-775-го года, при изменениях скорости слияния облачных капель под воздействием зафиксированы изменения полного содержания облаков в

пределах 20-25% и приземной температуры воздуха в пределах 1-1.5 K.

• Численная проверка схемы влияния вариаций By -компоненты межпланетного магнитного поля на аномалии приземных метеорологических параметров (атмосферного давления, температуры воздуха) через влияния плотности тока Jz на скорость слияния облачных капель - численно не подтверждается для реалистичных/повседневных значений By ММП (<10 nT), которые вызывают изменение скорости слияния облачных капель в пределах 30-40%. При изменении скорости слияния капель в более чем 1000% можно ожидать отклик в приземной метеорологии (At ~ 1 K), соизмеримый по величине эффекту, найденному в наблюдениях (At ~ 1 K).

Метод научного исследования

Все поставленные задачи научной работы решаются методом численного моделирования с использованием в качестве инструмента трехмерной глобальной химико-климатической модели (ХКМ) SOCOL (SOlar Climate Ozone Links), - версия 3.0.

Научная новизна

Несмотря на определённые успехи в моделировании как отдельных компонент атмосферного электричества, так и системы ГЭЦ в целом, представленной в модели WACCM [8], на сегодняшний день ни в России, ни в Европе не существует глобальной модели, которая включала бы в себя все основные компоненты ГЭЦ. Также, пока не существуют численных расчётов влияния космических факторов на климатическую систему через атмосферное электричество, а все полученные ранее результаты были основаны исключительно на доступных результатах наблюдений и данных ре-анализа. Данная работа является первым шагом в разработке в Европе расчётного модуля ГЭЦ в глобальной климатической модели, на основе, в том числе отечественных наработок в данной области [10], включающего в себя основные параметры атмосферного электрического

контура (ионосферный потенциал, проводимость и сопративление атмосферы, нисходящяя плотность тока Jz). Также, в данной работе будут представлены первые результаты и приведены оценки влияния нескольких внешних факторов на климатическую систему через ГЭЦ. В работе, в качестве инструмента, используется одна из наиболее продвинутых в мире глобальных-климатических моделей - SOCOL, которая является идеальным кандидатом для данной научно-исследовательской работы, поскольку данная модель уже неоднократно применялась ранее для исследования, в частности, влияния внешних факторов на атмосферу и климат Земли. Помимо этого, нахождение решений поставленных в данной научно-исследовательской работе задач является важной частью плана исследований, составленного в рамках международной рабочей группы Европейского сотрудничества в области науки и технологий COST Action CA15211 [http://www.cost.eu/COSTActions/ca/CA15211] под эгидой Horizon 2020, что дает право говорить о серьёзной заинтересованности мирового научного сообщества в изучении атмосферного электричества и достижения прогресса в понимании его влиянии на климатическую систему Земли.

Теоретическая и практическая значимость работы

Автор работы надеется на то, что наработки, полученные в ходе выполнения задач данной научно-исследовательской работы, будут важны для дальнейшего развития численных подходов к моделированию составляющих глобальной электрической цепи и для изучения влияния атмосферного электричества на погоду и климат с помощью глобальных климатических моделей.

Степень достоверности данной работы обосновывается оригинальностью представленных результатов моделирования и сравнением с результатами других моделей и наблюдениями.

Апробация работы. Основные результаты проведённой работы были представлены на следующих международных и всероссийских конференциях:

• 8-12 October, 2018: 12th International Conference and School "Problems

of GeocosmosSt. Petersburg State University, St. Petersburg, Russia.

• 8-18 July, 2019: 27th IUGG General Assembly, 2019, Monreal, Quebec, Canada

• 23 - 25 September, 2019: the ELECTRONET meeting, Sopron, Hungary

• 21-28 August, 2021: Joint Scientific IAGA-IASPEI Assembly 2021 (via zoom)

• 27 September - 01 October, 2021: the XII International Conference SOLAR-TERRESTRIAL RELATIONS AND PHYSICS OF EARTHQUAKES PRECURSORS, Paratunka, Kamchatsky kray, Russia (via zoom)

Гранты. Участие в научно-исследовательских проектах по теме диссертации:

• Грант Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ) № 19-35-90134.

• Грант Российского научного фонда (РНФ) № 20-67-46016.

• СПбГУ «Лаборатория исследования озонового слоя и верхних слоев атмосферы» при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации по договору 075-15-2021-583.

Личный вклад. Все материалы, представленные в данной диссертации, получены автором самостоятельно или на равных правах с соавторами. Автор лично проводил все численные расчёты, а также принимал непосредственное участие в обработке и анализе полученных результатов моделирования.

Публикации. Основные результаты по теме диссертации изложены в нескольких печатных изданиях, ведущих для данной специальности, входящих в Web of Science и Scopus:

Arseniy Karagodin, Eugene Rozanov, Evgeny Mareev Irina Mironova, Evgeny Volodin, Ksenia Golubenko «The representation of ionospheric potential in the global chemistry-climate model SOCOL», Science of The Total Environment,Volume 697, 20 December 2019.

https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2019.134172

Golubenko, K., Rozanov, E.,Mironova, I., Karagodin, A., Usoskin, I. (2020). Natural sources of ionization and their impact on atmospheric electricity. Geophysical Research Letters, 47 , e2020GL088619.

http://dx.doi.org/10.1029/2020GL088619

Karagodin, A., Mironova, I., Rozanov, E. (2022). Sensitivity of Surface Meteorology to Changes in Cloud Microphysics Associated with IMF By. In: Kosterov, A., Bobrov, N., Gordeev, E., Kulakov, E., Lyskova, E., Mironova, I. (eds) Problems of Geocosmos-2020. Springer Proceedings in Earth and Environmental Sciences. Springer, Cham., 2022

https://doi.org/10.1007/978-3-030-91467-730

Arseniy Karagodin, Eugene Rozanov, and Irina Mironova. On the possibility of modeling the IMF By-weather coupling through gec-related effects on cloud droplet coalescence rate. Atmosphere, 13(6), 2022.

https://doi.org/10.3390/atmos13060881

Глава 1. Обзор исследований в области изучения атмосферных электрических полей и их влияния на климатическую систему

В данной главе представлен исторический обзор исследований в области атмосферного электричества в целом, а также история изучения влияния внешних факторов на ГЭЦ, включая особенности влияния внешних факторов на климатическую систему через ГЭЦ.

1.1 История исследований параметров атмосферного электричества и их связи с внешними факторами

Ещё с древних времён человечество начало задумываться о том, какова природа ярких вспышек света, озаряющих мрачное небо в особо дождливые дни. В те далёкие времена феномен, так называемого, «небесного свечения» с характерными искровыми разрядами, исходящими из облаков, считался либо знаком свыше, либо проявлением магической силы. К примеру, в дохристианской Руси молния считалась неким живым существом, находящимся во власти бога Перуна, а в древней Греции - Зевс считался повелителем грома и молний. Несмотря на все легенды, сказания и мифологию, издревле человечество пытается объяснить электрические явления в атмосфере более «земным» языком.

Начиная, с восемнадцатого века исследователи стали интересоваться грозовыми разрядами во время бурь и, конечно же, необъяснимой электрификацией, наблюдаемой в областях со спокойными погодными условиями, в удалении от грозовой активности. Задавались также и вопросами о том, что появляется вначале молния или гром. Непосредственно измерения атмосферной электрификации начали проводиться, как считалось, для лучшего понимания метеорологических процессов, происходящих в атмосфере. Поэтому, в те времена, измерения метеорологических и электрических параметров проводились одновременно. Безусловным отцом-основателем исследовательской деятельности в области изучения

электрических феноменов в атмосфере можно считать американского учёного и, впоследствии, основателя независимого государства Соединённые Штаты Америки - Бенджамина Франклина, который, вместе со своим сыном Вильямом, осуществил в Филадельфии один из самых знаменитых экспериментов в истории изучения атмосферных электрических феноменов - «Кайт эксперимент», целью которого было показать связь между грозовыми разрядами и электричеством, как явлениями одной природы [11]. Франклин был первым, кто разработал эксперимент, чтобы доказать, что молния - есть явление электрической природы, хотя другие исследователи ранее лишь теоретизировали на тему сходства между лабораторными искрами и молнией, говоря о связи между молнией и электричеством, как например Ньютон.

Совместно с Бенджамином Франклином огромный вклад в развитие исследований атмосферного электричества внёс его современник - великий русский философ и исследователь Михаил Васильевич Ломоносов. Именно Ломоносов в его работе «Теория электричества, изложенная математически» описал основные свойства всех, на тот момент известных электрических явлений. В его работе была выдвинута гипотеза о тождестве электричества искусственного и природного. Также, под руководством Ломоносова была проведена разработка первых приборов для непосредственного измерения электричества в атмосфере. Г.В. Рихманом, при поддержке Ломоносова, был изобретён один из первых приборов для количественных наблюдений за электричеством, который был назван «электрическим указателем» и использовался для определения интенсивности электрических разрядов в атмосфере [12]. Указатель стал частью изобретённой «громовой машины», которая показала, что электричество в атмосфере существует и вне грозовых очагов. Можно отметить, что несмотря на всё ещё довольно примитивные знания физики электрических явлений в атмосфере того времени, в теории атмосферного электричества Ломоносова была правильно описана роль восходящих и нисходящих потоков воздуха в образовании электричества в атмосфере. Конечно,

многое из того, что предполагалось тогда, не было подтверждено позже. К примеру, электрическая интерпретация полярных сияний, о которой говорил Ломоносов, не была верна (о высыпаниях частиц в то время не было доподлинно известно), хотя на сегодняшний день существует гипотеза о влиянии ионосферных процессов на атмосферную электрическую цепь. Также, Ломоносов утверждал, что движение тока осуществляется при помощи частиц эфира, что, конечно, неверно и было опровергнуто позднее, а о существовании электронов в то время также ещё не было известно. Ещё, несмотря на использования относительно примитивного оборудования, которое не давало точных количественных результатов и пока ещё примитивные знания об атмосферном электричестве, 18-й век показал безусловное стремление научного сообщества того времени к пониманию физической природы электрических явлений в атмосфере.

В девятнадцатом веке интерес к изучению молниевых разрядов в атмосфере постепенно снизился, а научное сообщество всерьёз озаботилось изучением атмосферной изменчивости электрических полей при отсутствии грозовых источников тока поблизости от мест наблюдений [13]. Наиболее важным шагом в развитии научной деятельности стала разработка и совершенствование измерительных приборов и доработка теории электричества. В Великобритании началась измерительная компания по наблюдениям за одним из основных электрических параметров в атмосфере, а именно вертикальным атмосферным электрическим полем. Начиная с 1844-го года, наблюдения за градиентом потенциала, который является характеристикой вертикального электрического поля, стали проводиться сэром Френсисом Рональдсом в обсерватории Кью, расположенной в парке Олд Дир, Ричмонд. Именно Рональдсом был изобретён электрический телеграф. Первыми измерительными приборами являлись ламповые и соломенные электрометры. Благодаря Лорду Келвину и его новому изобретению, названному им капельницей (англ: water dropper), появилась возможность проводить более автоматизированные измерения атмосферного электрического поля, начиная уже с 1862-го года в обсерватории

Кью. Эти измерения доступны вплоть до 80-х годов 20-го века. Стоит сказать, что наблюдения за градиентом потенциала начались и в ряде других городов по всему земному шару. Так, наблюдения проводились в Австралийском Мельбурне, начиная с 1858 года; в обсерватории Соданкю-ля с 1882-го года; в Париже и Токио с 1893 и 1897 годов, соответственно. Интересно, что для измерения атмосферного электричества в то время использовали наиболее высокие здания в различных городах планеты [14]. К примеру, первые измерения атмосферного электричества в Париже проходили на вершине построенной в 1889 году Эйфелевой башни.

Таким образом, XIX век дал существенный толчок в изучении общей теории электричества с её огромным количеством законов. В частности, была улучшена и "модернизирована" теория Ломоносова об образовании тока в атмосфере, что во многом стало возможным благодаря получению богатой базы эмпирических данных по наблюдениям за электрическими феноменами в атмосфере. В тоже время, несмотря на огромный успех и прорыв в совершенствовании измерительных приборов, оставались вопросы, которые требовали дальнейшего изучения. Среди них были и вопросы о вертикальном изменении электрических параметров, данные по которым, на тот момент были ещё довольно скудны, и сделать какие-либо однозначные выводы на их основе не представлялось возможным. И, конечно же, для получения полной картины о пространственной изменчивости было необходимо расширить сеть приземных наблюдений и организовать воздушные измерения, так как количество станций на тот момент не позволяло построить глобальные карты изменчивости электрических параметров. Безусловно, развитие исследований требовало проведения измерительных экспедиций для получения рядов данных в различных, подчас недоступных для организации станций, местах.

Что касается измерений на удалении от земной поверхности, то к концу 19-го и началу 20-го века огромную популярность приобрели измерения, проводимые на воздушных шарах. Эти измерения позволили

получить профиль изменения электрических параметров, включая и электропроводность на высотах в несколько километров. Также, после открытия электрона Дж. Дж. Томсоном в 1897-м году в Кембриджском университете, произошло зарождение концепции о подвижности ионов (скорость ионов в единичном электрическом поле и другие характеристики ионов в атмосфере). Начиная с 1890-х годов, баллонные измерения стали проводиться по всей Европе, а уже в 1913-м году произведены первые наблюдения градиента потенциала и удельной проводимости атмосферы на высоте около 9 км, которые подтвердили теорию о протекании вертикального электрического тока вне тропосферы, а также позволили провести измерения величины электрического поля на краях высотных слоистых облаков. Из баллонных наблюдений было получено, что вертикальный ток является константой, то есть не меняется с высотой. Это послужило доказательством того, что ток протекает в области от поверхности земли и до высот, как минимум, средней атмосферы где и должно происходить замыкание этого тока. Главным источником споров того времени (в каком-то виде продолжающимися и по сей день) является вопрос о том, что служит источниками вертикального тока в атмосфере.

Отцом-основателем современной теории атмосферного электричества является шотландский физик и метеоролог, лауреат нобелевской премии по физике за изобретение облачной камеры, Чарльз Томсон Рис Уилсон, занимавшийся исследованиями формирования грозовой облачности, а также электричества ясной погоды. Именно он выдвинул гипотезу о том, что грозовая облачность является основным источником электрического тока в атмосфере Земли [15]. Он был организатором регулярных измерений воздушно-земного тока в обсерватории Кью, начиная с 1909-го года. В дальнейшем, восходящий от облаков ток стал именоваться, «током Уилсона». Уилсон был первым, кто использовал измерения электрического поля для оценки структуры заряда во время грозы и зарядов, непосредственно связанных с разрядом молнии. Также, им был открыт эффект ионизации атмосферы в облачной камере [16].

Именно на основе открытий и результатов измерений электрических полей в атмосфере, сделанных Уилсоном, удалось разработать концепцию глобальной цепи, связывающую воедино электрификацию грозовых и ливневых облаков с электрическим полем хорошей погоды и ионосферным потенциалом [15].

Исходя из предложенной концепции, глобальная электрическая цепь (ГЭЦ) - это интегрально - замкнутая система, формируемая глобальной активностью в тропосфере грозовых и электрифицированных ливневых облаков. Из работы Уилсона следует, что система ГЭЦ существует непрерывно благодаря электрическим разрядам, поскольку грозовые и электрифицированные облака существуют в атмосфере в любой момент всемирного времени и действуют как глобальный, внутренний, конвективный генератор тока. Данный генератор формирует восходящий ток, протекающий до высокопроводящей поверхности, располагающейся в районе нижней границы ионосферы. Эта эквипотенциальная поверхность, где проводимость атмосферы достигает максимальных значений, а градиент потенциала становится минимальным, располагается на высоте порядка 60 км [17]. Далее, в области максимальной проводимости происходит формирование возвратного тока, характеризуемого нисходящей плотностью тока хорошей погоды (Л^), текущего вниз вплоть до замыкания через приземные электрические поля и поверхность Земли. Возвратный ток компенсирует отрицательный грозовой заряд, что приводит к равновесию системы токов атмосферного электрического контура [18]. В работе [19] было упомянуто, что в общей сложности около 61% всех грозовых и 31% электрифицированных облаков ответственны за образование ГЭЦ.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Карагодин Арсений Владиславович, 2023 год

- -

1

Linear ' t (loc) Linear fit glob) Linear fit ( ontrol) 3! IMF By(lo ) IMF By (glob) f Control

-4

-2 0 2 IMF By GSM [nT]

4

4

Рисунок 18: Линей ная регрессия средней по ансамблю Д! и средне дневной В у ММП за период], 1£)99-2!002 гг. Данные были объединены в выборки иусреднены для пяти среднесуточных интервалов НИР Ву (см: описание эксперимента). Синий и красный: эксперимент Ву(1ос); Темно-синий и темно-красный: эксперимент Ву^1оЬ); светло-голубой и розовый: контрольный эксперимент. Панели А и В: Д! для северного полушария (А: широта>80) и средних широт (В: 60>широта>50); Панели С и Б: Д! для южного полушария (С: широта>80) и средних широт (Ю: -60<широта<-50). Столбики погрешностей представляют собой стандартную ошибку (+/-) в среднем Д! между членами ансамбля.

На рисунке 18 представлена линейная регрессия между А1 и среднесуточной Ву ММП. Величина усредненного А1 невелика. Корреляции между Ву ММП и А1 для обоих полушарий в высоких и средних широтах также не обнаружено.

В настоящей работе был исследован метеорологический отклик на флуктуацию Ву-компоненты межпланетного магнитного поля, известный как эффект Мансурова, для проверки одной из гипотез гласящей, что эта связь осуществляется через воздействие глобальной атмосферной электрической цепи на скорость слияния облачных капель. Мы провели серию численных ансамблевых экспериментов, состоящих из десяти реализаций, с использованием химико-климатической модели БОСОЬуЗ, стремясь найти влияние Ву ММП на приземное давление и двухметровую температуру, подобное тому, которое было получено ранее из наблюдений. В нашем исследовании мы использовали предположение, что скорость слияния облачных капель и льда и ИП/Л зависят линейно от флуктуации Ву ММП. Результаты показывают, что мы пока не можем подтвердить гипотезу о том, что слияние облачных капель является микрофизическим механизмом, участвующим в связи Ву ММП с погодой. Общие закономерности полученных аномалий приземного давления (Ар) и температуры (А^ остаются похожими в экспериментах с влиянием и без влияния ММП Ву на скорость облачной автоконверсии. Линейная регрессия не показала корреляции между рассматриваемыми метеорологическими параметрами и Ву ММП. Было обнаружено, что стандартное отклонение значений Ар и А1 между членами ансамбля согласуется с величиной аномалий в приземной метеорологии, приведенных в предыдущих исследованиях [4, 5]. Результаты были получены тем же методом. Это указывает на то, что даже если бы модель показывала эффект флуктуаций Ву ММП на приземную метеорологию посредством изменения скорости слияния облачных капель, внутренняя изменчивость модели перекрывала бы его, что не позволяло бы оценить этот эффект должным образом.

Здесь также необходимо отметить другие важные аспекты, которые могут повлиять на обнаружение эффекта Мансурова в модельном исследовании, а также обсудить допущения, которые были использованы в нашем исследовании, а также дальнейшие перспективы этого исследования. Обратите внимание, что облака не могут быть представлены или недостаточно представлены в некоторые дни, что снижает вероятность правильного обнаружения аномалии. Хотелось бы подчеркнуть, что трудности с моделированием эффекта Мансурова также могут быть вызваны плохой точностью микрофизики облаков в современных химико-климатических моделях. Следует еще раз напомнить, что для оценки сезонного цикла мы использовали тот же период, для которого и рассчитывались А (т.е., 1999-2002 гг.), что может повлиять на точность (в работе [5] рассчитывалось среднее за период 1948-2011). Как обсуждалось в [38], смешивание сезонов в анализе может повлиять на статистическую значимость и уменьшить сигнал в приземной метеорологии, поскольку было показано, что приземная температура и давление повышаются из-за уменьшения пропускной способности облаков, для типичных полярных слоистообразных облаков с оптической толщиной < 1, только в зимних условиях в высоких широтах, тогда как в летних условиях наблюдается снижение приземного давления и температуры с увеличением толщи облаков. Это возможная причина недооценки статистической значимости в [103]. Однако в работах [5, 87], статистически значимая метеорологическая реакция на флуктуацию Ву ММП была выявлена, несмотря на то, что анализ данных метеорологического ре-анализа проводился также без сезонной разбивки за период 1999-2002 гг., но с использованием менее надежного статистического метода. Кроме того, период анализа короткий, и это тоже может повлиять на точность расчетов. Рассмотренный период (1999-2002 гг.) - это солнечный максимум, а включение солнечного минимума в анализ может снизить отношение сигнал/шум. Особо хотелось бы отметить, что для корректной идентификации этого эффекта необходимо отличать сигнал от шума, связанного с внутренней изменчивостью, как показал контрольный эксперимент. Линейность реакции микрофизики

облаков на By ММП, т. е. чувствительность микрофизических параметров облаков к эффектам, вызванным By ММП в ГЭЦ, по-прежнему вызывает споры, поскольку предположение о линейности основано только на [94]. Наше исследование показывает, что линейная зависимость не позволяет обнаружить сигнал для используемой здесь гипотезы. Также в нашем исследовании мы предполагаем отсутствие уменьшения AIP с уменьшением широты (в эксперименте ММП By(glob) влияние постоянно для всего полушария) и ~ идеальную корреляцию между AIP и By ММП, что не помогло выявить влияние By ММП на приземную метеорологию. На самом деле, [4] показал, что идеальной корреляции между аномалиями в ионосферном потенциале и By ММП нет, и что корреляция лучше вблизи магнитного полюса (mlat>80) и быстро падает вместе с величиной аномалий с уменьшением магнитной широты. Однако остается неясным, локализовано ли связанное с By ММП влияние ГЭЦ на микрофизику облаков в высоких широтах или представлено глобально, поскольку оба эксперимента не показали никакого сигнала. Кроме того, интересным неучтенным эффектом является то, что влияние электрических зарядов на микрофизику облаков может конкурировать с аэрозолями, которые могут уменьшать корреляцию [96]. Важно также учитывать нестационарное поведение и временную автокорреляцию для циклических процессов при изучении эффекта Мансурова [103].

В общем, важным моментом также является то, что микрофизический механизм связи By ММП с погодой через увеличение скорости автоконверсии после увеличения Jz может быть неверным. Следовательно, альтернативный механизм, согласно которому Jz приводит к увеличению непрозрачности облаков из-за эффекта electro-anti-scavenging на концентрацию ядер конденсации, также должен быть проверен в моделях глобального климата [98, 89, 90, 38]. Следовательно, для изучения электрических воздействий на облака также необходимо включить в модель передовую электрическую микрофизику, включая такие процессы, как electro-scavenging и electro-anti-scavenging [128, 129, 38]. Однако для

выполнения расчетов также должен быть включен расширенный модуль микрофизики аэрозолей, подобный тому, который включен в более продвинутую модель БОСОЬу4 [130].

Таким образом, необходимы дополнительные исследовательские усилия, чтобы сделать возможным моделирование эффекта Мансурова и численное подтверждение того, что связь Ву ММП с погодой происходит через микрофизику облаков.

Более подробно о ходе выполнения данной части работы и с описанием результатов можно ознакомиться в работах [131, 132].

3.2 Влияние экстремального солнечно-протонного события, аналогичного событию 774-775 г. н.э., на приземную метеорологию через усиление ^ и его влияния на скорость слияния облачных капель

Как уже было упомянуто выше, существуют разные оценки влияния солнечных протонных событий на величину проводимости атмосферы. Это связано с тем, что разные события вызывают разный уровень ионизации атмосферы [50, 52]. Однако, в данных работах рассматривались относительно слабые СПС. В то же время, вклад в изменение параметров ГЭЦ от наиболее экстремальных СПС ранее не рассматривался. Стоит также сказать, что модельные результаты показывают, что экстремальные события могут потенциально повлиять на приземную погоду [133]. В связи с этим интересен вопрос, какой отклик в приземной метеорологии стоит ожидать при изменении ГЭЦ от подобных событий, вызывающих значительное повышение скоростей ионизации атмосферы. Целью данной работы является расчёт вклада экстремального солнечного - протонного события, соответствующего событию 774-775 г. н.э., в изменение параметров ГЭЦ, а также оценка того, каким может быть отклик приземной метеорологии на вариацию Л, вызванную событием, эквивалентным событию 774-775 г. н.э.

Солнечно протонное событие, произошедшее ориентировочно в период 774-775 г. н.э. является наисильнейшим из известных за последние 11 тысячелетий. На сегодняшний день, возникновение такого события считается эталоном наихудшего сценария воздействия космического излучения на климатическую систему Земли, поскольку оно в 40-50 раз мощнее произошедшего 23 февраля 1956 г крупнейшего из непосредственно наблюдавшихся событий за всю историю наблюдений солнечных протонных событий [134]. Исключительно сильное космическое излучение было обнаружено благодаря анализу содержания 14C в кольцах кедровых деревьев в Японии [135]. В работе [136] представлена оценка воздействия такого экстремального явления на химию атмосферы, температуру и динамику, через образовавшийся космогенный изотоп 10Be посредством дополнительной ионизации. Результаты показали, что такое серьезное событие способно воздействовать на полярную стратосферу и привести к уменьшению стратосферного озона по крайней мере в течение одного года, а также привести к региональным изменениям приземной температуры во время бореальной зимы в северном полушарии.

Скорости ионизации от события 774-775 г. н.э. были получены ранее c помощью модели CRAC, которая моделирует атмосферный каскад, индуцированный космическими лучами, с использованием прямого метода Монте-Карло. В дальнейшем скорости ионизации были добавлены в модель SOCOLv3. Более подробное описание расчёта скоростей ионизации, вызванных космическим излучением от события 774-775 можно найти в работах [134, 136].

В данной работе, скорости ионизации, вызванные потоком излучения во время события 774-775 г. н.э., были использованы для расчёта проводимости атмосферы с использованием метода, представленного в предыдущих разделах.

На Рисунке 19 представлены профиль скоростей ионизации, а также профиль проводимости атмосферы во время события, аналогичного собы-

тию 774-775 г. н.э.

Latitude Latitude

Рисунок 19: Левая панель: профиль скоростей ионизации, вызванной дополнительным излучением во время события, аналогичного событию 774-775 г. н.э.; правая панель: широтный профиль проводимости атмосферы во время события, аналогичного событию 774-775 г. н.э., полученные с помощью модели ЭОСОЬуЗ.

На, Рисунке 19 видно значительное повышение скоростей ионизации атмосферы и проводимости воздуха, во время события. При сравнении с характерной величиной ионизации и проводимости в спокойный период выше 50 км, (см. Рисунок 8) можно сделать вывод, что величина, проводимости атмосферы увеличилась более чем на, 6 порядков при увеличении ионизации на, 20 порядков в верхних слоях модельной атмосферы. В нижней атмосфере увеличение проводимости составило около 2 порядков, по сравнению с проводимостью в спокойный период.

С помощью полученного распределения проводимости атмосферы во время события, аналогичного событию 774-775 г. н.э., был рассчитан Л~. Также, был рассчитан Л~ без учёта, ионизации от СПС 774-775 г. н.э (учтены лишь скорости ионизации, вызванные ГКЛ и 11п-222). Глобальное распределение плотности тока, Л- во время события, аналогичного событию 774-775 г. н.э., Л- без учёта, ионизации от СПС 774-775 г. н.э, а, также процентная разница, между ними (делённая на, 20) представлены на, рисунке 20.

80° N

60° N

40° N

20°N

0°

20°S

40°S

60°S

80°SL 180°W

а

x:

V

z

m

ГХ

vy

А

-<r

Щ

■Ю \

120°W

60°W

60°E

120°E

180°E

50

100 150 200

Jz [pA x тл-2]

250

300

80° N 60° N 40° N 20°N 0° 20°S 40°S 60°S

80°S 180°W

Л

2

ЖТ

SC5

I

■У

гтг

ш

"DP*"

"ЯРЯл

KI

0.0

I

0.5

I

1.0

I

1.5

I

2.0

I

2.5

I

3.0

Jz [pA x тл-2]

80° N

60° N

40° N

20°N

0°

20°S

40°S

60°S

80°S . 180°W

Vi

/-i&L-iS. а

\ г

s Y к

) U x^wj

/ / \JU i

—- и —^

<7

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000 AJz [%]/20

Рисунок 20: Глобальное распределение Р [рА хт~2]. Верхняя панель: Р во время события 774-775 г. н.э.; Средняя панель: Р, рассчитанный без учёта ионизации от события 774-775 г. н.э.; Нижняя панель: процентная разница в Р.

На, рисунке 20 показано, что фоновый ток, рассчитанный с учётом ионизации только от ГКЛ и Кп-222, имеет величину ~ 2-4 рА хт~2. В то же время, величина тока во время события, аналогичного событию 774-775 г. н.э. может достигать величин в несколько сотен рА хт~2. Наблюдается

значительное повышение плотности тока (выше 300 pA хш-2) в высоких широтах, где наблюдались максимумы интенсивности излучения, в связи с геомагнитным обрезанием ионизирующего потока, а также максимумы проводимости атмосферы. Также, была рассчитана процентная разница в Л между эталонным Л и Л во время события 774-775 г. н.э. (см. Рисунок 20).

Далее, было проведено два эксперимента с использованием подхода, описанного в предыдущем разделе. Было использовано предположение, что скорость слияния облачных капель изменяется на тот же процент, что и плотность тока Л под воздействием внешних факторов [94]. В одном эксперименте, скорость слияния облачных капель и льда была усилена на ту же величину, что и Л во время события 774-775 г. н.э. (Expeгiment-A). В другом же эксперименте, скорость слияния облачных капель и льда была уменьшена на ту же величину, что и Л (Expeгiment-В). Expeгiment-В является попыткой усиления толщи облачности, основываясь на микрофизическом механизме, описанном в работах [89, 90, 38]. Стоит сказать, что на данном этапе нет возможности для точной проверки второго микрофизического механизма [89, 90, 38], поэтому данный эксперимент создан лишь для того, чтобы оценить, каким может быть изменение приземной метеорологии при возможном усилении облачности во время события, аналогичного событию 774-775 г. н.э. Также важно упомянуть, что если процентная разница в Л превышала 100%, то во втором эксперименте скорость слияния облачных капель и льда обращалась в ноль, дабы избежать отрицательных значений скорости автоконверсии. Также, в связи с тем, что процентная разница токов достигала значений в сотни тысяч процентов, отсутствует возможность её прямого использования в анализе влияния Л на облачную микрофизику из-за определённых ограничений облачного блока. Поэтому, после ряда тестовых запусков модели, было найдено оптимальное решение, а именно, было решено сознательно снизить величину процентной разницы Л до значений, не превышающих 10 тысяч процентов, разделив её на 20. Кроме того, был

проведён нулевой (эталонный) эксперимент, где ионизация от события не была включена в численный расчёт.

Каждый из трёх экспериментов состоял из пяти членов ансамбля, разделённых по тому же методу, что и ранее, а именно с использованием возмущения ССЬ в первый модельный месяц численного расчёта. Событие в экспериментах, где оно присутствовало, было задано в начале второго года расчёта, чтобы достичь квазиравновесного состояния системы, поскольку численный расчёт стартовал с нулевых условий.

На рисунке 21 представлены результаты расчёта процентной разницы полного содержания облачности в столбе атмосферы (Atcc) между экспериментами Experiment-A, Experiment-B и эталонным экспериментом. Результаты представлены, как средние по ансамблю.

Experiment-A

Experiment-B

180

Atcc [%]

Рисунок 21: Среднее по ансамблю глобальное распределение Atcc [в %] во время события, характерного событию 774-775 г. н.э. а): Разница полного содержания облачности из эксперимента Experiment-A и эталонного эксперимента; Ь): Разница полного содержания облачности из эксперимента Experiment-B и эталонного эксперимента. Сплошная зелёная линия: уровень статистической значимости 95%; Сплошная фиолетовая линия: уровень статистической значимости 90%.

В средних и высоких широтах наблюдаются обширные области с повышенными и пониженными значениями полного содержания облачности. В случае с повышением скорости слияния облачных капель и льда

(Experiment-A), наблюдается значительное снижение полного содержания облачности, до 20%. В эксперименте, где происходило усиление облачности (Experiment-B), вследствие уменьшения скорости автоконверсии, наблюдаемый рост толщи облаков также составил ~ 20%. Интересно отметить, что наблюдаемые изменения в облачности в основном имеют максимумы над поверхностью воды, что объясняется, скорее всего, тем, что облачность в основной своей массе образовывалась над поверхностью воды.

Далее был оценен отклик приземной температуры на изменение общего содержания облачности во время события, аналогичного событию 774-775 г. н.э. Полученная абсолютная разница приземной температуры At, представлена на рисунке рисунке 22.

Experiment-A

80 60 40 20 о -20 -40 -60 -80

-180

"К ^^й. •

____II___'___Z* _______г^^МЪ-йЬ Л

Zjk^^T^L.__________

pyl U. уг^ш.

\ 7 Т>. -?ч !./ ______i^j

______L______Ш__________j__________L:_L_\

Experiment-B

(b)

-....... iL . jr

yr^ vi

.....

vy ü

-I-V--

-120

120

180 -180

-120

-60

I I I I I

-1.7 -1.5 -1.3 -1.1 -0.9 -0.7 -0.5 -0.3 -0.1 0.1

At [K]

180

Рисунок 22: Среднее по ансамблю глобальное распределение [в К] во время события, аналогичного событию 774-775 г. н.э. а): Разница приземной температуры из эксперимента ЕхрептепРА и эталонного эксперимента; Ь): Разница приземной температуры из эксперимента ЕхрептепРВ и эталонного эксперимента. Сплошная зелёная линия: уровень статистической значимости 95%; Сплошная фиолетовая линия: уровень статистической значимости 90%.

Из рисунка, видно, что в день события в обоих экспериментах наблюдаются обширные аномалии в пределах 1-Р5 К в областях, где происходило изменение полного содержания облаков (см. рисунок 21). В областях, где происходило падение величины содержания облаков, наблюдаются положительное изменение приземной температуры, тогда,

как усиление толщи облачности привело к снижению температуры. В данном случае, это происходит, скорее всего, за счёт изменения пропускной способности облачности, из-за чего изменяется количество солнечной радиации, проходящее через облачный слой к земной поверхности.

Важно сказать, что, несмотря на то, что удалось получить отклик облачности и приземной температуры на изменение во время события, аналогичного событию 774-775 г. н.э., оценка статистической значимости, показанная рисунках, демонстрирует низкую статистическую значимость полученных результатов. Во многом это связано с тем, что сильная модельная изменчивость между членами ансамбля, приводит к значительной вариации разницы полей метеорологических параметров, что не позволяет получить статистически более значимый результат. Тем не менее, удалось получить некоторые интересные закономерности, отмеченные при анализе результатов.

Помимо оценки отклика облачности и приземной температуры непосредственно в день события, были проанализированы временные изменения разницы полного содержания облачности и разницы в приземной температуре. На рисунке 23 представлено временное изменение Д^е.

360

360

,/Г Л

I .

T.r ,

* f

* *

.4 _

■ t:

■^sr'-i

380

400 Time, days

420

440

- - > ^ й ..• v • . • Ч* Ф » «а ' -1 - ■ •»«.». i. . ■ г-

' • „ % ""V А ..

}.'■ ' '.-.Хф «• - ... i М ^ • И . ж - — — —.. » — i- " —

380

400 Time, days

420

440

U

12

9

6

3 2 0 и

-з 5

-б

-9

-12

-15

12

9

б

3

0

-3

-6

-9

-12

-15

u u

Рисунок 23: Среднее по ансамблю временное изменение А1сс [в %] в районе события (т.е. +/-50 дней), характерного событию 774-775 г. н.э. Верхняя панель: Разница полного содержания облачности из эксперимента Ехрептегй-А и эталонного эксперимента; Нижняя панель: Разница полного содержания облачности из эксперимента Ехрептеп!-В и эталонного эксперимента. Серая пунктирная линия обозначает день, в который было задано событие. Сплошная чёрная линия: уровень статистической значимости 95%; Пунктирная чёрная линия: уровень статистической значимости 90%.

Из рисунка, видно, что до события разница, между эталонным экспериментом и экспериментами, где задавалось возмущение, ровнялась нулю. Во время события, что уже демонстрировалось выше, наблюдались положительные и отрицательные изменения полного содержания облачности.

После события, наблюдались значительные изменения полного содержания облачности, как положительные, так и отрицательные, которые начали активно проявляться примерно на 3-4 день после события. Данные изменения не связаны на прямую с событием, а лишь показывают изменения направления эволюции системы, случившиеся благодаря одиночному воздействию на облачность, в течение одного дня. Что касается статистической значимости, то небольшие области имеют высокую значимость, однако в основном, значимости находится на уровне, ниже 90%. Это скорее всего связано с высокой внутренней изменчивостью модели, как уже упоминалось выше. На рисунке 23 представлено временное изменение ДЬ.

360

Time, days

¿a

f.

О

••vy.

•tt.

•t*

•c

380

1.3 1.1 0.9 0.7 0.5 0.3 0.1 -0.1 -0.3 -0.5 -0.7 -0.9 -1.1

±1.3 1.1 0.9 0.7 0.5 0.3 0.1 -0.1 -0.3 -0.5 -0.7 щ -0.9 f-1.1

Рисунок 24: Среднее по ансамблю временное изменение At [в К] в районе события (т.е. +/-50 дней), аналогичного событию 774-775 г. н.э. Верхняя панель: Разница приземной температуры из эксперимента Experiment-A и эталонного эксперимента; Нижняя панель: Разница приземной температуры из эксперимента Experiment-B и эталонного эксперимента. Серая пунктирная линяя обозначает день, в который было задано событие. Сплошная чёрная линия: уровень статистической значимости 95%; Пунктирная чёрная линия: уровень статистической значимости 90%.

Из рисунка, 23 мы видим, что зонально At может быть как отрицательной, так и положительной, в день события At плохо выражена, при среднезональном осреднении данных. Однако видно изменение дальнейшей эволюции системы под воздействием события. Рисунки 23 24 показывают,

как сильно может измениться эволюция метеопараметров при однократном воздействии на облачность, что также подтверждает наличие сильной внутренней модельной изменчивости.

3.3 Выводы и обсуждение

Выводы данной части работы следующие:

• Была исследована реакция приземной метеорологии на флуктуации Бу ММП с использованием химико-климатической модели БОООЬуЗ, чтобы проверить механизм, согласно которому эта связь происходит через изменение скорости слияния (аккреции) облачных капель (льда) под действием ГЭЦ.

• Результаты моделирования и последующий простой статистический анализ показывают, что сигнатура Бу ММП не проявляется в приземном давлении и температуре воздуха.

• Внутренняя изменчивость модели может помешать выявлению сигнала Бу ММП в приземной метеорологии, который показывает величину, согласующуюся с величиной из контрольного эксперимента.

• Ошибка среднего в ансамблевых экспериментах в целом согласуется с величиной наблюдаемых аномалий, связанных с Бу ММП.

• Неучтенные процессы, лежащие в основе метеорологической изменчивости, оставшийся шум от сезонного цикла или тренда, также могут нарушать распознавание аномалий, связанных с Бу ММП, в параметрах погоды на уровне земли.

• Результаты моделирования не могут подтвердить гипотезу о том, что скорость слияния облачных капель является промежуточным звеном для связи Бу ММП с погодой, т.е. при изменении скорости автоконверсии на 30-40%. Одноко мы исключаем только рассмотренный

микрофизический механизм эффекта Мансурова, не ослабляя вероятность других или наблюдательных свидетельств образования этого эффекта.

• Была проведена оценка влияния экстремального солнечно-протонного события, аналогичного событию 774-775 г. н.э., на атмосферное электричество и приземную метеорологию, с использованием микрофизического механизма, основанного на изменении скорости слияния (аккреции) облачных капель (льда) под воздействием электрических зарядов, ведущих как в сторону уменьшения, так и в сторону увеличения скорости автоконверсии.

• Результаты показали значительное увеличение проводимости воздуха во всём столбе атмосферы и увеличении плотности тока , которая в высоких широтах достигала значений более 300 рА хш-2, при характерных значениях Зг в 2-4 рА хш-2.

• Был получен отклик полного содержания облачности и приземной температуры на положительные и отрицательные изменения в скорости автоконверсии. Результаты показали существенное изменение облачности (в пределах 20%) и температуры (в пределах 1-1.5 К), по сравнению с эталонным экспериментом.

• Тем не менее, сильная внутренняя изменчивость модели привела к значительным различиям в фоновой эволюции метеорологических параметров между членами ансамбля, что сильно занижает статистическую значимость, которая для большинства полученных результатов ниже 95%.

Заключение

Данная научно-исследовательская работа посвящена изучению влияния космических факторов на атмосферное электричество и оценке отклика приземной метеорологии на изменения в глобальной электрической цепи под внешним воздействием, путём численного моделирования с использованием глобальной химико-климатической модели ВОООЬ. В работе была проведена разработка численного модуля расчёта составляющих глобальной электрической цепи с учётом как внутренних, так и внешних факторов её изменчивости. В модуль расчёта параметров атмосферного электричества входят несколько численных параметризации ионосферного потенциала, с включением и без вариации проводимости атмосферы; расчёт проводимости атмосферы с учётом ионизации от галактических и солнечных космических лучей, а также рассчитанной ионизацией от приземного радона, а также понижением проводимости в облачности и от рекомбинации ионов между собой; расчёт сопротивления атмосферы и нисходящей плотности тока . Результаты тестов показали хорошее согласие с результатами наблюдений и расчётами других моделей. Также, была проведена оценка влияния внешних факторов, а именно вариации Бу-компоненты межпланетного магнитного поля и мощного солнечно-протонного события, аналогичного событию 774-775 г. н.э., на приземные метеорологические параметры через атмосферное электричество и облачную микрофизику. Проверялся микрофизический механизм, что изменение слияние облачных капель под действием тока является промежуточным звеном этой солнечно-земной связи. На данный момент не удалось подтвердить связь между Бу ММП и приземной метеорологии через скорость автоконверсии, в силу малого изменения данного микрофизического параметра под действием Бу ММП, если предположить линейную связь между изменениями скорости слияния облачных капель и изменениями Бу ММП. С другой стороны, удалось подтвердить значительное влияние солнечно-протонного события, аналогичного событию 774-775 г. н.э., на атмосферное электричество, усиливающего ток на

несколько порядков, что приводит к изменению скорости слияния капель на тысячи процентов, при использовании предположения о линейной связи между изменениями скорости слияния облачных капель и изменениями . Удалось сделать оценку изменения полного содержания облачности и температуры воздуха у поверхности Земли при резком повышении значений , для условии повышения и понижения скорости облачной автоконверсии при усилении . Результаты показали существенные изменения полного содержания облачности и приземной температуры, однако при этом статистическая значимость полученных результатов говорит о сильной модельной изменчивости метеорологических параметров между членами ансамбля экспериментов.

Конечно, данная работа должна быть продолжена, как в направлении улучшения численных методов расчёта вклада космических факторов в изменение параметров атмосферного электричества, так и в направлении улучшения различных оценок, в том числе и количественных, влияния внешних факторов на погоду и климат, через атмосферное электричество и облачную микрофизику, поскольку в данной области остаётся ещё много неясного, требующего соответствующих вложений со стороны научного сообщества. Считаю, что вложения необходимо направлять как на улучшение методов наблюдений различными способами и приборами, так и на совершенствование численного моделирования параметров ГЭЦ, что, конечно, требует серьёзных модернизаций различных составляющих климатических моделей, включая модернизацию облачных модулей, взаимодействие аэрозолей с облачными ядрами, пространственное разрешение моделей и т.д. Важность дальнейшего прогресса в оценке влияния изменений в атмосферном электричестве под воздействием внешних факторов на метеорологию и климат Земли подтверждена и развитие этой области знаний приведёт к существенному продвижению в понимании изменений климата и к более точному прогнозу его будущего состояния.

Список сокращений и условных обозначений

ХКМ - химико-климатическая модель SOCOL - SOlar Climate Ozone Links

ГЭЦ - глобальная атмосферная электрическая цепь (контур) ИП - ионосферный (ионосфера-земля) электрический потенциал Jz - плотность тока хорошей погоды ММП - межпланетное магнитное поле

By ММП - азимутальная (с утра на вечер) компонента (By) ММП

ПЧПШ - электрический потенциал через полярную шапку

EUV - коротковолновое ультрафиолетовое излучение

X-ray - рентгеновское излучение

ГКЛ - галактические космические лучи

СКЛ - солнечные космические лучи

СПС - солнечное протонное событие

WACCM - The Whole Atmosphere Community Climate Model

INMCM4 - Климатическая модель Института вычислительной математики (ИВМ), версия 4

MA-ECHAM5.4 - версия модели Европейского центра/Гамбурга для средней атмосферы, версия 5.4

ХTM - химико-транспортный модуль

MEZON - Module for the Evaluation of oZONe Trends

UT-вариация - унитарная суточная вариация

Rn-222 - изотоп радона-222

IR,Rn_222 - Ионизация, вызванная изотопом радона-222 GLE - ground level enhancement

GSM - геоцентрическая солнечная магнитная система ГТС - гелиосферный токовый слой

NSSDC - the National Space Science Data Center OMNIWeb

Список литературы

[1] S. M. Mansurov, L. G. Mansurova, G. S. Mansurov, V. V. Mikhnevich, and A. M. Visotskii. North-south asymmetry of geomagnetic and tropospheric events. Journal of Atmospheric and Terrestrial Physics, 36:1957, November 1974.

[2] Brian A. Tinsley and Roderick A. Heelis. Correlations of atmospheric dynamics with solar activity evidence for a connection via the solar wind, atmospheric electricity, and cloud microphysics. jgr, 98(D6):10375-10384, June 1993.

[3] R. G. Harrison. The Global Atmospheric Electrical Circuit and Climate. Surveys in Geophysics, 25(5-6):441-484, November 2004.

[4] G. B. Burns, B. A. Tinsley, W. J. R. French, O. A. Troshichev, and A. V. Frank-Kamenetsky. Atmospheric circuit influences on ground-level pressure in the Antarctic and Arctic. Journal of Geophysical Research (Atmospheres), 113(D15):D15112, August 2008.

[5] M M Lam, G Chisham, and M P Freeman. The interplanetary magnetic field influences mid-latitude surface atmospheric pressure. Environmental Research Letters, 8(4):045001, oct 2013.

[6] R. G. Roble and P. B. Hays. A quasi-static model of global atmospheric electricity 2. Electrical coupling between the upper and lower atmosphere. jgr, 84(A12):7247-7256, December 1979.

[7] P. B. Hays and R. G. Roble. A quasi-static model of global atmospheric electricity 1. The lower atmosphere. jgr, 84(A7):3291-3305, July 1979.

[8] G. M. Lucas, A. J. G. Baumgaertner, and J. P. Thayer. A global electric circuit model within a community climate model. Journal of Geophysical Research (Atmospheres), 120(23):12,054-12,066, December 2015.

[9] A. Odzimek, M. Lester, and M. Kubicki. EGATEC: A new high-resolution engineering model of the global atmospheric electric circuit—Currents in

the lower atmosphere. Journal of Geophysical Research (Atmospheres), 115(D18):D18207, September 2010.

[10] E. A. Mareev and E. M. Volodin. Variation of the global electric circuit and Ionospheric potential in a general circulation model. grl, 41(24):9009-9016, December 2014.

[11] Б. Франклин. Труд Франклина Опыты и наблюдения над электриче-ством.Перевод с английского В. А. Алексеева. М. Издательство АН СССР, 271, 1956.

[12] Я.А. Шнейберг. История выдающихся открытий и изобретений (электротехника, электроэнергетика, радиоэлектроника). Научно-популярное издание,Издательский дом МЭИ, page 118, 2009.

[13] И. М. Имянитов and К. С. Шифрин. Современное состояние исследований атмосферного электричества. УФН 76 593-642., 1962.

[14] F. Leblanc, K. L. Aplin, Y. Yair, R. G. Harrison, J. P. Lebreton, and M. Blanc. Planetary Atmospheric Electricity, volume 30. 2008.

[15] C. T. R. Wilson. Investigations on Lightning Discharges and on the Electric Field of Thunderstorms. Philosophical Transactions of the Royal Society of London Series A, 221:73-115, January 1921.

[16] C. T. R. Wilson. On the Ionisation of Atmospheric Air. Proceedings of the Royal Society of London Series I, 68:151-161, January 1901.

[17] H. ISRAEL. Atmospheric Electricity, vol. I: Fundamentals, Conductivity, Ions, Israel Program for Scientific Translations, Jerusalem;. National Technical Information Service, U. S. Dept. Commerce, Springfield, Virginia, 22151, U.S.A., 317(X), 1971.

[18] C. T. R. Wilson. Investigations on Lightning Discharges and on the Electric Field of Thunderstorms. Philosophical Transactions of the Royal Society of London Series A, 221:73-115, January 1921.

[19] Michael Peterson, Wiebke Deierling, Chuntao Liu, Douglas Mach, and Christina Kalb. A TRMM Assessment of the Composition of the Generator Current That Supplies the Global Electric Circuit. Journal of Geophysical Research (Atmospheres), 123(15):8208-8220, August 2018.

[20] F. J. W. Whipple. On the association of the diurnal variation of electric potential gradient in fine weather with the distribution of thunderstorms over the globe. Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, 55(229):1-18, January 1929.

[21] F.J.W. Whipple and F.J. Scrase. Point discharge in the electric field of the earth, an analysis of continuous records obtained at Kew observatory. Geophysical memoirs. H. M. Stationery off., 1936.

[22] R. Giles Harrison. The Carnegie Curve. Surveys in Geophysics, 34(2):209-232, March 2013.

[23] R. Miihleisen and H Riekert. tmospheric electric measurement in the troposphere and stratosphere on the Atlantic Ocean during 1965 and 1969. PANGAEA, 1970.

[24] Ralph Markson. Comparison of ionospheric potential and air-earth current as indicators of the global circuit current. In 8th International Conference on Atmospheric Electricity, pages 814-819, January 1988.

[25] R. Markson. Ionospheric potential variations obtained from aircraft measurements of potential gradient. Journal of Geophysical Research, 81:1980-1990, Apr 1976.

[26] Ralph Markson. The Global Circuit Intensity: Its Measurement and Variation over the Last 50 Years. Bulletin of the American Meteorological Society, 88:223, Jan 2007.

[27] H. G. Silva, F. Lopes, S. Pereira, S. M. Barbosa, K. Nicoll, M. Collares Pereira, and R. G. Harrison. Measurements of the Atmospheric Electric Field through a Triangular Array and the Long-range Saharan

Dust Electrification in Southern Portugal. arXiv e-prints, page arXiv:1608.02494, Aug 2016.

[28] G. B. Burns, A. V. Frank-Kamenetsky, B. A. Tinsley, W. J. R. French, P. Grigioni, G. Camporeale, and E. A. Bering. Atmospheric Global Circuit Variations from Vostok and Concordia Electric Field Measurements. Journal of Atmospheric Sciences, 74(3):783-800, Mar 2017.

[29] Valery Denisenko and Oleg Yakubaylik. Taking account of topography when calculating the resistance of the global atmospheric conductor. Solnechno-Zemnaya Fizika, 1:104-108, Mar 2015.

[30] J. H. Kraakevik and John F. Clark. Airborne measurements of atmospheric electricity. Transactions, American Geophysical Union, 39:827-834, Jan 1958.

[31] R. Markson, L. H. Ruhnke, and E. R. Williams. Global scale comparison of simultaneous ionospheric potential measurements. Atmospheric Research, 51:315-321, Jan 1999.

[32] R. Markson. Aircraft measurements of the atmospheric electrical global circuit during the period 1971-1984. Journal of Geophysical Research, 90:5967-5977, Jun 1985.

[33] Richard P. Miihleisen. New determination of the air-earth current over the ocean and measurements of ionosphere potentials. Pure and Applied Geophysics, 84:112-115, Dec 1971.

[34] M. R. Hairston and R. A. Heelis. Model of the high-latitude ionospheric convection pattern during southward interplanetary magnetic field using DE 2 data. jgr, 95(A3):2333-2343, March 1990.

[35] D. R. Weimer. A flexible, IMF dependent model of high-latitude electric potentials having "Space Weather" applications. grl, 23(18):2549-2552, January 1996.

[36] D. R. Weimer. An improved model of ionospheric electric potentials including substorm perturbations and application to the Geospace Environment Modeling November 24, 1996, event. jgr, 106(A1):407-416, January 2001.

[37] E. D. Pettigrew, S. G. Shepherd, and J. M. Ruohoniemi. Climatological patterns of high-latitude convection in the Northern and Southern hemispheres: Dipole tilt dependencies and interhemispheric comparisons. Journal of Geophysical Research (Space Physics), 115(A7):A07305, July 2010.

[38] Brian A. Tinsley. Uncertainties in Evaluating Global Electric Circuit Interactions With Atmospheric Clouds and Aerosols, and Consequences for Radiation and Dynamics. Journal of Geophysical Research (Atmospheres), 127(5):e35954, March 2022.

[39] S. W. H. Cowley and M. Lockwood. Excitation and decay of solar wind-driven flows in the magnetosphere-ionosphere system. Annales Geophysicae, 10(1-2):103-115, February 1992.

[40] G. B. Burns, B. A. Tinsley, A. V. Frank-Kamenetsky, and E. A. Bering. Interplanetary magnetic field and atmospheric electric circuit influences on ground-level pressure at Vostok. Journal of Geophysical Research (Atmospheres), 112(D4):D04103, February 2007.

[41] V. V. Kuznetsov, V. V. Plotkin, I. I. Nesterova, and M. S. Pozdeeva. Universal diurnal variation of F2-layer critical frequency. Journal of Geomagnetism and Geoelectricity, 42(10):1237-1240, Jan 1990.

[42] V. V. Kuznetsov, V. V. Plotkin, I. I. Nesterova, and N. I. Izraileva. Universal Diurnal Variation of F2-Layer Critical Frequency as Characteristic of Global Ionosphere Condition. Journal of Geomagnetism and Geoelectricity, 45(10):1175-1179, Jan 1993.

[43] A. M. Zadorozhny and A. A. Tyutin. Universal diurnal variation of mesospheric electric fields. Advances in Space Research, 20(11):2177-2180, Jan 1997.

[44] N. 0Stgaard, S. B. Mende, H. U. Frey, L. A. Frank, and J. B. Sigwarth. Observations of non-conjugate theta aurora. Geophysical Research Letters, 30(21):2125, Nov 2003.

[45] G. A. Bazilevskaya, I. G. Usoskin, E. O. Flückiger, R. G. Harrison, L. Desorgher, R. Bütikofer, M. B. Krainev, V. S. Makhmutov, Y. I. Stozhkov, A. K. Svirzhevskaya, N. S. Svirzhevsky, and G. A. Kovaltsov. Cosmic Ray Induced Ion Production in the Atmosphere. ssr, 137(1-4):149-173, June 2008.

[46] Irina A. Mironova, Karen L. Aplin, Frank Arnold, Galina A. Bazilevskaya, R. Giles Harrison, Alexei A. Krivolutsky, Keri A. Nicoll, Eugene V. Rozanov, Esa Turunen, and Ilya G. Usoskin. Energetic Particle Influence on the Earth's Atmosphere. ssr, 194(1-4):1-96, November 2015.

[47] Tony Phillips, Sam Johnson, Amelia Koske-Phillips, Michael White, Amelia Yarborough, Aaron Lamb, Anna Herbst, Ferris Molina, Justin Gilpin, Olivia Grah, Ginger Perez, Carson Reid, Joey Harvey, and Jamie Schultz. Space Weather Ballooning. Space Weather, 14(10):697-703, October 2016.

[48] J. Tacza, J. P. Raulin, R. R. S. Mendonca, V. S. Makhmutov, A. Marun, and G. Fernandez. Solar Effects on the Atmospheric Electric Field During 2010-2015 at Low Latitudes. Journal of Geophysical Research (Atmospheres), 123(21):11,970-11,979, November 2018.

[49] William E. Cobb. Evidence of a Solar Influence on the Atmospheric Electric Elements at Mauna Loa Observatory. Monthly Weather Review, 95(12):905, January 1967.

[50] Ralph Markson. Solar modulation of atmospheric electrification and possible implications for the Sun-weather relationship. nat, 273(5658):103-109, May 1978.

[51] W. M. Farrell and M. D. Desch. Solar proton events and the fair weather electric field at ground. grl, 29(9):1323, May 2002.

[52] J. C. Willett. Solar modulation of the supply current for atmospheric electricity? jgr, 84(C8):4999-5002, August 1979.

[53] I. Tzur, R. G. Roble, C. C. Reid, and H. C. Zhuang. The Response of the Earth's Global Electrical Circuit to a Solar Proton Event. In Weather and Climate Responses to Solar Variations, page 427, January 1983.

[54] Brian A. Tinsley, Geoffrey M. Brown, and Philip H. Scherrer. Solar variability influences on weather and climate: Possible connections through cosmic ray fluxes and storm intensification. jgr, 94(D12):14783-14792, October 1989.

[55] K. G. McCracken, F. B. McDonald, J. Beer, G. Raisbeck, and F. Yiou. A phenomenological study of the long-term cosmic ray modulation, 850-1958 AD. Journal of Geophysical Research (Space Physics), 109(A12):A12103, December 2004.

[56] P. C. Anderson, D. L. Carpenter, K. Tsuruda, T. Mukai, and F. J. Rich. Multisatellite observations of rapid subauroral ion drifts (SAID). jgr, 106(A12):29585-29600, December 2001.

[57] J. C. Foster and H. B. Vo. Average characteristics and activity dependence of the subauroral polarization stream. Journal of Geophysical Research (Space Physics), 107(A12):1475, December 2002.

[58] M. Eisenbud and T. Gesell. Environmental radioactivity from natural, industrial and military sources. London: Academic Press., ISBN: 9780122351549.

[59] John E. Pearson and M. Harry. Atmospheric Radon-222 Concentration Variation with Height and Time. Journal of Applied Meteorology (19621982), 5(2):175-181, 1966.

[60] Amiram Roffman. Captive balloon measurements of radon 222 and its daughter ions. Pure and Applied Geophysics, 97(1):175-182, December 1972.

[61] K. L. Sherman and O. H. Gish. Electrical potential-gradient and conductivity of air near Rapid City, South Dakota. Terrestrial Magnetism and Atmospheric Electricity (Journal of Geophysical Research), 42(3):289, January 1937.

[62] O. H. Gish. Evaluation and Interpretation of the Columnar Resistance of the Atmosphere. Terrestrial Magnetism and Atmospheric Electricity (Journal of Geophysical Research), 49(3):159, January 1944.

[63] Rita Callahan Sagalyn and Gerard A. Faucher. Aircraft investigation of the large ion content and conductivity of the atmosphere and their relation to meteorological factors. Journal of Atmospheric and Terrestrial Physics, 5(1):253-272, January 1954.

[64] Я.И. Френкель. Теория явлений атмосферного электричества. Го-стехиздат, 155 c., 1949.

[65] E. L. Shreve. Theoretical Derivation of Atmospheric Ion Concentrations, Conductivity, Space Charge Density, Electric Field and Generation Rate from 0 to 60 km. Journal of Atmospheric Sciences, 27(8):1186-1194, November 1970.

[66] M. Makino and T. Ogawa. Responses of atmospheric electric field and air-earth current to variations of conductivity profiles. Journal of Atmospheric and Terrestrial Physics, 46:431-445, May 1984.

[67] Colin Price, Joyce Penner, and Michael Prather. NOx from lightning: 2. Constraints from the global atmospheric electric circuit. jgr, 102(D5):5943-5951, March 1997.

[68] Michael J. Rycroft, Anna Odzimek, Neil F. Arnold, Martin Füllekrug, Andrzej Kulak, and Torsten Neubert. New model simulations of the global atmospheric electric circuit driven by thunderstorms and electrified shower clouds: The roles of lightning and sprites. Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics, 69(17-18):2485-2509, December 2007.

[69] M. Makino and T. Ogawa. Quantitative estimation of global circuit. jgr, 90(D4):5961-5966, June 1985.

[70] B. K. Sapkota and Nivedita Varshneya. On the global atmospheric electrical circuit. Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics, 52:1-20, 1990.

[71] Brian A. Tinsley and Limin Zhou. Initial results of a global circuit model with variable stratospheric and tropospheric aerosols. Journal of Geophysical Research (Atmospheres), 111(D16):D16205, August 2006.

[72] A. J. G. Baumgaertner, J. P. Thayer, R. R. Neely, and G. Lucas. Toward a comprehensive global electric circuit model: Atmospheric conductivity and its variability in CESM1(WACCM) model simulations. Journal of Geophysical Research (Atmospheres), 118(16):9221-9232, August 2013.

[73] Ilya G. Usoskin, Gennady A. Kovaltsov, and Irina A. Mironova. Cosmic ray induced ionization model CRAC:CRII: An extension to the upper atmosphere. Journal of Geophysical Research (Atmospheres), 115(D10):D10302, May 2010.

[74] A. A. Artamonov, A. L. Mishev, and I. G. Usoskin. Model CRAC:EPII for atmospheric ionization due to precipitating electrons: Yield function and applications. Journal of Geophysical Research (Space Physics), 121(2):1736-1743, February 2016.

[75] Anton Artamonov, Irina Mironova, Gennady Kovaltsov, Alexander Mishev, Evgenii Plotnikov, and Natalia Konstantinova. Calculation of atmospheric ionization induced by electrons with non-vertical

precipitation: Updated model CRAC-EPII. Advances in Space Research, 59(9):2295-2300, May 2017.

[76] A. V. Kalinin, N. N. Slyunyaev, E. A. Mareev, and A. A. Zhidkov. Stationary and nonstationary models of the global electric circuit: Well-posedness, analytical relations, and numerical implementation. Izvestiya Atmospheric and Oceanic Physics, 50(3):314-322, May 2014.

[77] Nikolay N. Slyunyaev, Evgeny A. Mareev, and Artem A. Zhidkov. On the variation of the ionospheric potential due to large-scale radioactivity enhancement and solar activity. Journal of Geophysical Research (Space Physics), 120(8):7060-7082, August 2015.

[78] Nikolay N. Slyunyaev, Alexey V. Kalinin, and Evgeny A. Mareev. Thunderstorm generators operating as voltage sources in global electric circuit models. Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics, 183:99-109, February 2019.

[79] S. V. Anisimov, S. V. Galichenko, A. A. Prokhorchuk, and K. V. Aphinogenov. Mid-latitude convective boundary-layer electricity: A study by large-eddy simulation. Atmospheric Research, 244:105035, November 2020.

[80] Earle R. Williams. The global electrical circuit: A review. Atmospheric Research, 91(2):140-152, February 2009.

[81] М. В. Ломоносов. Избранные философские произведения. Госполитиздат, Москва, pages 216-233, 1950.

[82] A. Bennett. Measurement of Atmospheric Electricity During Different Meteorological Conditions. a thesis submitted for the degree of Doctor of Philosophy Department of Meteorology, 2007.

[83] R. E. Dickinson. Solar variability and the lower atmosphere. Bulletin of the American Meteorological Society, 56:1240-1248, January 1975.

[84] Douglas V. Hoyt and Kenneth H. Schatten. The role of the sun in climate change / Oxford, 1997. Physics Today, 51(6):70, June 1998.

[85] D. E. Page. The interplanetary magnetic field and sea level polar atmospheric pressure. Workshop on Mechanisms for Tropospheric Effects of Solar Variability and the Quasi-Biennial Oscillation, 98(D6):227, June 1993.

[86] B. A. Tinsley. The global atmospheric electric circuit and its effects on cloud microphysics. Reports on Progress in Physics, 71(6):066801, June 2008.

[87] Mai Mai Lam, Gareth Chisham, and Mervyn P. Freeman. Solar wind-driven geopotential height anomalies originate in the Antarctic lower troposphere. grl, 41(18):6509-6514, September 2014.

[88] Mervyn P. Freeman and Mai Mai Lam. Regional, seasonal, and inter-annual variations of Antarctic and sub-Antarctic temperature anomalies related to the Mansurov effect. Environmental Research Communications, 1(11):111007, December 2019.

[89] John E. Frederick, Brian A. Tinsley, and Limin Zhou. Relationships between the solar wind magnetic field and ground-level longwave irradiance at high northern latitudes. Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics, 193:105063, October 2019.

[90] Brian A. Tinsley, Limin Zhou, Lin Wang, and Liang Zhang. Seasonal and Solar Wind Sector Duration Influences on the Correlation of High Latitude Clouds With Ionospheric Potential. Journal of Geophysical Research (Atmospheres), 126(4):e34201, February 2021.

[91] Michael J. Rycroft, Keri A. Nicoll, Karen L. Aplin, and R. Giles Harrison. Recent advances in global electric circuit coupling between the space environment and the troposphere. Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics, 90:198-211, December 2012.

[92] C. T. R. Wilson. A theory of thundercloud electricity. Proceedings of the Royal Society of London. Series A, Mathematical and Physical Sciences, 236(1206):297-317, 1956.

[93] Limin Zhou and Brian A. Tinsley. Production of space charge at the boundaries of layer clouds. Journal of Geophysical Research (Atmospheres), 112(D11):D11203, June 2007.

[94] R. G. Harrison, K. A. Nicoll, and M. H. P. Ambaum. On the microphysical effects of observed cloud edge charging. Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, 141(692):2690-2699, October 2015.

[95] R. Giles Harrison and Michael Lockwood. Rapid indirect solar responses observed in the lower atmosphere. Proceedings of the Royal Society of London Series A, 476(2241):20200164, September 2020.

[96] Shian Guo and Huiwen Xue. The enhancement of droplet collision by electric charges and atmospheric electric fields. Atmospheric Chemistry & Physics, 21(1):69-85, January 2021.

[97] Brian A. Tinsley and Glen W. Deen. Apparent tropospheric response to MeV-GeV particle flux variations: A connection via electrofreezing of supercooled water in high-level clouds? jgr, 96(D12):22,283-22,296, December 1991.

[98] L Zhou, B A Tinsley, L Wang, and G Burns. The zonal-mean and regional tropospheric pressure responses to changes in ionospheric potential. J. Atmos. Sol. Terr. Phys, 171:111-118, 2018.

[99] Tom Lachlan-Cope. Antarctic clouds. National Institute Polar Research Memoirs, 29(2):150-158, June 2010.

[100] David H. Bromwich, Julien P. Nicolas, Keith M. Hines, Jennifer E. Kay, Erica L. Key, Matthew A. Lazzara, Dan Lubin, Greg M. McFarquhar, Irina V. Gorodetskaya, Daniel P. Grosvenor, Thomas Lachlan-Cope, and Nicole P. M. van Lipzig. Tropospheric clouds in Antarctica. Reviews of Geophysics, 50(1):RG1004, January 2012.

[101] Mai Mai Lam and Brian A. Tinsley. Solar wind-atmospheric electricity-cloud microphysics connections to weather and climate. Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics, 149:277-290, November 2016.

[102] Mai Mai Lam, Mervyn P. Freeman, and Gareth Chisham. IMF-driven change to the Antarctic tropospheric temperature due to the global atmospheric electric circuit. Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics, 180:148-152, November 2018.

[103] Jone Edvartsen, Ville Maliniemi, Hilde Nesse Tyss0y, Timo Asikainen, and Spencer Mark Hatch. The mansurov effect: Statistical significance and the role of autocorrelation. J. Space Weather Space Clim, 2022.

[104] Norman J. MacDonald and Walter Orr Roberts. Further Evidence of a Solar Corpuscular Influence on Large-Scale Circulation at 300 Mb. jgr, 65:529, February 1960.

[105] Martin C. Todd and Dominic R. Kniveton. Changes in cloud cover associated with Forbush decreases of galactic cosmic rays. jgr, 106(D23):32031-32042, December 2001.

[106] S. Veretenenko and P. Thejll. Effects of energetic solar proton events on the cyclone development in the North Atlantic. Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics, 66(5):393-405, March 2004.

[107] John M. Wilcox, Philip H. Scherrer, Leif Svalgaard, Walter Orr Roberts, and Roger H. Olson. Solar Magnetic Sector Structure: Relation to Circulation of the Earth's Atmosphere. Science, 180(4082):185-186, April 1973.

[108] A. J. G. Baumgaertner, G. M. Lucas, J. P. Thayer, and S. A. Mallios. On the role of clouds in the fair weather part of the global electric circuit. Atmospheric Chemistry & Physics, 14(16):8599-8610, August 2014.

[109] Yushan Xie, Ruyi Zhang, Zhipeng Zhu, and Limin Zhou. Evaluating the response of the global column resistance to a large volcanic eruption by

an aerosol coupled chemistryclimate model. Frontiers in Earth Science, 9:385, June 2021.

[110] A. Stenke, M. Schraner, E. Rozanov, T. Egorova, B. Luo, and T. Peter. The SOCOL version 3.0 chemistry-climate model: description, evaluation, and implications from an advanced transport algorithm. Geoscientific Model Development, 6(5):1407-1427, September 2013.

[111] E. Manzini, M. A. Giorgetta, M. Esch, L. Kornblueh, and E. Roeckner. The Influence of Sea Surface Temperatures on the Northern Winter Stratosphere: Ensemble Simulations with the MAECHAM5 Model. Journal of Climate, 19(16):3863, Jan 2006.

[112] Eugene V. Rozanov, Vladimir A. Zubov, Michael E. Schlesinger, Fanglin Yang, and Natalia G. Andronova. The UIUC three-dimensional stratospheric chemical transport model: Description and evaluation of the simulated source gases and ozone. jgr, 104(D9):11,755-11,781, May 1999.

[113] T. Egorova, E. Rozanov, V.A. Zubov, and I. Karol. Model for investigating ozone trends (mezon). Izvestiya - Atmospheric and Ocean Physics, 39:277-292, 05 2003.

[114] M. Schraner, E. Rozanov, C. Schnadt Poberaj, P. Kenzelmann, A. M. Fischer, V. Zubov, B. P. Luo, C. R. Hoyle, T. Egorova, S. Fueglistaler, S. Bronnimann, W. Schmutz, and T. Peter. Technical Note: Chemistry-climate model SOCOL: version 2.0 with improved transport and chemistry/microphysics schemes. Atmospheric Chemistry & Physics, 8:5957-5974, Oct 2008.

[115] M. Tiedtke. A Comprehensive Mass Flux Scheme for Cumulus Parameterization in Large-Scale Models. Monthly Weather Review, 117(8):1779, Jan 1989.

[116] E. Manzini and N. A. McFarlane. The effect of varying the source spectrum of a gravity wave parameterization in a middle atmosphere general circulation model. jgr, 103(D24):31523-31540, Dec 1998.

[117] T. E. Nordeng. Extended Versions of the Convective Parameterization Scheme at ECMWF and Their Impact on the Mean and Transient Activity of the Model in the Tropics. ECMWF Technical Memorandum, 206(41), Jan 1994.

[118] A. K. Betts. A new convective adjustment scheme. Part 1: Observational and theoretical basis. Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society, 112(473):677-691, July 1986.

[119] Arseniy Karagodin, Eugene Rozanov, Evgeny Mareev, Irina Mironova, Evgeny Volodin, and Ksenia Golubenko. The representation of ionospheric potential in the global chemistry-climate model SOCOL. Science of the Total Environment, 697:134172, December 2019.

[120] J. Kazil, P. Stier, K. Zhang, J. Quaas, S. Kinne, D. O'Donnell, S. Rast, M. Esch, S. Ferrachat, U. Lohmann, and J. Feichter. Aerosol nucleation and its role for clouds and Earth's radiative forcing in the aerosol-climate model ECHAM5-HAM. Atmospheric Chemistry & Physics, 10(22):10733-10752, November 2010.

[121] K. Golubenko, E. Rozanov, I. Mironova, A. Karagodin, and I. Usoskin. Natural Sources of Ionization and Their Impact on Atmospheric Electricity. grl, 47(12):e88619, June 2020.

[122] Ilya G. Usoskin and Gennady A. Kovaltsov. Cosmic ray induced ionization in the atmosphere: Full modeling and practical applications. Journal of Geophysical Research (Atmospheres), 111(D21):D21206, November 2006.

[123] Roy Yaniv, Yuval Reuveni, Yoav Yair, and Barry Lynn. Temporal variations of the conduction current density during fair weather days in Israel. Atmospheric Research, 222:1-11, July 2019.

[124] Norman F. Ness and John M. Wilcox. Sector Structure of the Quiet Interplanetary Magnetic Field. Science, 148(3677):1592-1594, June 1965.