Stanford University Globalna aktywność burzowa a pole elektryczne przy powierzchni Ziemi. Marek Kubicki 1, Marek Gołkowski 2, Piotr Barański 1 1 Institute of Geophysics (IGF) Polish Academy of Sciences 2 Department of Electrical Engineering Stanford University XIII Spotkania Bieszczadzkie Dwerniczek czerwiec 2008
Plan prezentacji 1. Rola generatora burzowego w globalnym obwodzie elektrycznym. 2. Metody wyznaczania globalnej aktywności burzowej 3. Wstępna interpretacja relacji pomiędzy globalną aktywnością burzową a pole elektrycznym Ez przy powierzchni Ziemi. 4. Wpływ efektów lokalnych na pole Ez 5. Podsumowanie i koncepcja dalszych badań
Obserwatorium Geofizyczne w Świdrze Instytutu Geofizyki PAN OBS.Świder Pomiary wykorzystywane są w badaniach globalnego obwodu elektrycznego Pomiary w Polskiej Stacji Polarnej w Hornsundzie Pomiary prowadzone w Obserwatorium Geofizycznym w Świdrze 1.NatęŜenia pola elektrycznego 2.Dodatniego i ujemnego elektrycznego przewodnictwa powietrza 3.Gęstości prądu Maxwella 4.Zanieczyszczeń aerozolowych powietrza 5.Zanieczyszczeń gazowych powietrza 6.Zanieczyszczeń radioaktywnych powietrza 7.Radioaktywności opadu, gleby i trawy 8. Kompleksowe pomiary meteorologiczne 9.Gradientu temperatury i wiatru ( okresowo ) 10.Gradientu gęstości ładunku przestrzennego ( okresowo) Pomiary w IGF PAN Warszawa
Global Electric Circuit Global thunderstorms charge ionosphere and current returns to ground through fair weather conduction Fair weather electric field 100-300 V/m measured on the surface Circuit looks simple but shows complex variations with latitude, longitude, magnetopheric & ionospheric processes, also pollution and climate change
Carnegie Curve Lightning Activity Source: Whipple and Scrase, 1936
Widmo częstotliwości i amplituda sygnałów generowanych przez wyładowania atmosferyczne
POLE EM WYŁADOWAŃ NATURALNYCH (składowa radiacyjna E~1/r) wg Lin i in.,jgr, 1979 IGF, 14/07/2006, 6 RS, D=70 km
Normalized amplitude E z,i RS 2 1 0-1 -2 Normalized amplitude E z,i RS 2 1 0-1 -2 0 6 12 18 24 Time UT 0 6 12 18 24 Time UT Przykłady przebiegów dobowych parametrów E0Z i IRS silnie korelujących między sobą. Po lewej stronie obserwacja w dniu 04-10-2005 (R=0.88), po prawej 18-10-2006 (R=0.89). Kółka oznaczają unormowany przebieg E0Z, kwadraty-unormowany przebieg IRS. 4 3.5 600 600 1.5 I RS [a. u.] 3 2.5 2 1.5 1 E 0Z [V/m] 400 200 E 0Z [V/m] 400 200 I RS [a. u.] 1 0.5 0.5 0 0 0 0 0 6 12 18 24 Time [UT] 0 6 12 18 24 Time [UT] 0 6 12 18 24 Time [UT] 0 6 12 18 24 Time [UT] Z. Nieckarz, A. Kułak, M. Kubicki, S. Michnowski, P. Barański, CALCULATING GLOBAL STORM ACTIVITY RATE ON THE BASIS OF SCHUMANN RESONANCE BACKGROUND COMPONENT, Proceedings of the 13-th International Conference on Atmospheric Electricity, ICAE 2007, Beijing, volume I, pp. 72-76.
ATOMSPHERIC WEATHER ELECTROMAGNETIC SYSTEM FOR OBSERVATION MODELING & EDUCATION The AWESOME ELF/VLF Receiver Stanford University Rejestracje VLF w Obs.w Świdrze. LAT LON FREQ SIGN LOCATION FORMAT kw 59.91 10.52 16400Hz JXN Kolsas, Norway (NATO) FSK 45 8.47 77.40 18200Hz VTX Katabomman, India FSK 52.71-3.07 19600Hz GBZ Anthorn, Great Britain (NATO) FSK 30-21.80 114.20 19800Hz NWC North West Cape, Australia (USA MSK 1000 40.88 9.68 20270Hz ICV Isola di Tavolara, Italy (NATO) MSK 20 25.03 111.67 20600Hz 3SA Changde, China FSK 39.60 103.33 20600Hz 3SB Datong, China FSK 40.70 1.25 20900Hz HWU Rosnay, France MSK 400 20.40-158.2 21400Hz NPM Lualualei, Hawaii, USA MSK 424 40.70 1.25 21750Hz HWV Le Blanc, France (NATO) MSK 200 52.40-1.20 22100Hz GQD Anthorn, Great Britain (NATO) FSK 32.04 130.81 22200Hz JJI Ebino, Japan FSK 200 53.10 7.60 23400Hz DHO Rhauderfehn, Germany (DHO) FSK 800 44.65-67.30 24000Hz NAA Cutler, Maine, USA MSK 1000 48.20-121.9 24800Hz NLK Jim Creek, Washington, USA MSK 192 46.35-98.33 25200Hz NLM LaMoure, North Dakota, USA MSK 37.43 27.55 26700Hz TBB Bafa, Turkey MSK 65.00-18.00 37500Hz NRK Grindavik, Iceland (USA) MSK 18.00-67.00 40750Hz NAU Aguado, Puerto Rico (USA) MSK 100
VLF Measurements CH AD CH: Chistochina, Alaska PA: Palmer Station, Antarctica AD: Adelaide, Australia PA For the study global lightning activity was estimated by looking at VLF data from three sites with Stanford Awesome receivers Sites were chosen to cover all global areas of lightning activity Total EM energy in a narrow band around 2 frequencies 325 Hz and 10 khz was calculated every 15 minutes
Day-Night Propagation Effects Palmer (PA) March 5:00 PA 10:00 VLF Waves propagate more efficiently at night Sites show greater activity when station it is nighttime at station Local time effects need to be taken corrected for in VLF data 15:00 PA PA
Results: March Monthly Averages Asia Africa Americas VLF data captures all three global lightning centers: Asia, Africa, Americas Electric field data exhibits maxima only for Asia and Americas, not Africa
Results: May Monthly Averages Asia Africa Americas African zone shows enhanced VLF activity in May especially in the 10 khz band 325 Hz band is less affected by African storms Electric field again does not show effect of African storms
WWLLN World Wide Lightning Location Network (wwlln.net)
Globalna aktywność burzowa na podstawie LIS
Wpływ efektów lokalnych na pomiary pola elektrycznego w warstwie przyziemnej
Zmiany profilu pionowego pola E na związana z turbulencją i aerozolem. 1.4 E s um m er E winter 1.2 E zn (ave) 1.0 sezonowy, dobowy przebieg pola E 0.8 0.6 0 4 8 12 16 20 24 Hour, UT
Pomiary E Z i aerozolu przyziemnego w Obserwatorium w Świdrze Aerozol a pole elektryczne E Z OBS Swider 22-27.04.2008 Pole Elektryczne E Pomiary lidarowe w Obserwatorium w Belsku E [ V/m ] 800 600 400 200 0 0 1 2 3 4 5 6 kolejne dni od 22.04.2008 6 x 104 OBS Swider 22-27.04.2008 Aerozol 5 4 [ A\cm3] 3 2 1 0 0 1 2 3 4 5 6 kolejne dni od 22.04.2008
Podsumowanie -w badaniach globalnego obwodu elektrycznego, analizując wpływy troposferyczne jak i magnetosferyczne, bardzo waŝne jest wyznaczenie rzeczywistego przebiegu globalnej aktywności burzowej w skali doby. -wykorzystanie pomiarów w zakresie ELF, VLF, SR oraz Ez pozwala na kompleksowe badania globalnego obwodu elektrycznego w zakresie sprzęŝeń pomiędzy składową AC i DC. - wydaje się uzasadnione analizowanie wpływu: poszczególnych centrów burzowych oraz widma częstotliwościowego generowanego przez wyładowania w tych centrach, na globalny obwód elektryczny.
References B A. Tinsley, L. Zhou (2006). Initial results of a global circuit model with variable stratospheric and tropospheric aerosol. J.G.R, vol. 11, D16205, doi:10.1029/2005jd006988,2006. Kartalev, M.D., M.J. Rycroft, M. Fuellekrug, V.O. Papitashvili, V.I. Keremidarska., 2006. A possible explanation for the dominant effect of South American thunderstorms on the Carnegie curve. Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics, 68, 457-468. Rycroft, M.J., Israelsson, S. and Price, C., 2000. The global atmospheric electric circuit, solar activity and climate change. Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics 62, pp. 1563 1576. Whipple, F.J.W., Scrase, F.J., 1936. Point discharge in the electric field of the earth. Geophysical Memoirs of London VII (68), 1 20. Williams E.R., S.J Heckman, 1993. The local diurnal variation of cloud electrification and the global diurnal variation of negative charge on the Earth. J.G.R, vol.98, No. D3, pp.5221-5234, 1993. Williams, E.R. 1993, Global Circuit response to Seasonal variations in global surface air temperature. Monthly weather review, vol. 122, pp.1917-1929, august 1994. Williams, E. R. G. Satori, 2004. Lighting, thermodynamic and hydrological comparison of the two tropical continental chimneys. Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics 66 (2004), pp. 1213-1231.
Obserwatorium Geofizyczne w Świdrze Magnetometr firmy Santorius, Getynga 1910r. na stanowisku pomiarowym w pawilonie pomiarów absolutnych ZAPRASZAMY DO ODWIEDZENIA