Жизнь Земли. Междисциплинарный научно-практический журнал Life of the Earth 10.29003/m4329.0514-7468.2020_46_4/391-405. 2363 Возмущения атмосферного электрического поля во время магнитной бури 5 апреля 2010 г. Disturbances of the atmospheric electric field during the magnetic storm on April 5, 2010 Пилипенко В.А., Смирнов С.Э., Франк-Каменецкий А.В. Pilipenko, V.A., Smirnov, S.E., Frank-Kamenetsky, A.V. 04 12 2020 46 4 391 405 04 12 2024

Проблема возмущения атмосферного электрического поля при вариациях геомагнитного поля до сих пор не имеет однозначного решения. В статье проанализированы доступные данные магнитометров и станций атмосферного электричества во время суперсуббури 5 апреля 2010 г., развившейся на фоне умеренной магнитной бури (/Dst/ ~ 80 нТл). Сопоставление данных флюксметров и магнитометров показало неожиданно сильные вариации вертикального электрического поля Ez с размахом до нескольких сотен В/м («электрический шторм») во время интенсивных магнитных возмущений. Хотя возмущение Еz, наблюдавшееся по всему миру, примерно совпало с магнитной бурей, когерентность между геомагнитными и электрическими вариациями и электрических вариаций между собой была низкая. Данное событие не укладывается в современные представления о возмущениях атмосферного электрического поля ионосферными токами.

The problem of atmospheric electric field disturbances during geomagnetic field variations still has no clear solution. The article analyzes available data from magnetometers and atmospheric electricity stations during the supersubstorm of April 5, 2010, which developed against the background of a moderate magnetic storm (/Dst/ ~ 80 nT). Comparison of fluxmeter and magnetometer data has shown unexpectedly strong variations in the vertical electric field Ez with a range of up to several hundred V/m (“electric storm”) during intense magnetic disturbances. Although the Ez disturbance observed worldwide roughly coincided with the magnetic storm, the coherence between the geomagnetic and electrical variations and the electrical variations between themselves was low. This event does not fit into modern concepts of atmospheric electric field disturbances by ionospheric currents.

 атмосферное электричествомагнитные буриионосфераатмосфера atmospheric electricitymagnetic stormsionosphereatmosphere Анисимов С.В., Шихова Н.М., Клеймёнова Н.Г. Отклик магнитосферной бури в атмосферном электрическом поле средних широт // Геомагнетизм и аэрономия. 2021. Т. 61, № 2. С. 172–183.Бандилет О.И., Землянкин Г.И., Канониди Х.Д., Чернышева С.П. Шефтель В.М. Магнитная активность и вертикальная компонента геоэлектрического поля в высоких широтах // Геомагнетизм и аэрономия. 1978. Т. 18, № 6. С. 1123–1125.Грунская Л.В. Исследование электрического поля приземного слоя атмосферы на основе метода корреляционного приёма. Владимир: Изд-во Владим. гос. ун-та, 2010. 132 с. ISBN 978-5-9984-0036-0.Денисенко В.В., Бычков В.В., Помозов Е.В. Расчёт атмосферных электрических полей, проникающих из ионосферы // Солнечно-земная физика. 2008. Т. 1, № 2. С. 281–283.Дэспирак И.В., Клеймёнова Н.Г., Громова Л.И., Любчич А.А., Гинева В., Сецко П.В. Пространственные особенности суперсуббури на главной фазе бури 5 апреля 2010 года // Известия РАН. Сер. физическая. 2022. T. 86, № 3. C. 322–328. DOI: 10.31857/S0367676522030085.Клеймёнова Н.Г., Никифорова Н.Н., Козырева О.В., Михновский С. Долгопериодические геомагнитные пульсации и флуктуации напряжённости атмосферного электрического поля на широтах полярной шапки // Геомагнетизм и аэрономия. 1996. Т. 35, № 4. С. 469–477.Кузнецов В.В., Чернева Н.В., Дружин Г.И. О влиянии циклонов на атмосферное электрическое поле Камчатки // Доклады РАН. 2007. Т. 412, № 4. C. 547–551.Руленко О.П., Дружин Г.И., Вершинин Е.Ф. Измерения атмосферного электрического поля и естественного электромагнитного излучения перед камчатским землетрясением 13 ноября 1993 г. (М-7,0) // Доклады РАН. 1996. Т. 348, № 6. С. 814–816.Смирнов С.Э. Реакция электрического состояния приземной атмосферы на геомагнитную бурю 5 апреля 2010 // Доклады РАН. 2014. Т. 456. С. 342–346.Смирнов С.Е., Михайлова Г.А., Капустина О.В. Вариации квазистатического электрического поля в околоземной атмосфере во время геомагнитных бурь в ноябре 2004 г. // Геомагнетизм и аэрономия. 2013. Т. 53. С. 502–514. DOI: 10.1134/S0016793213040130.Смирнов С.Е., Михайлова Г.А., Капустина О.В. Вариации электрических и метеоро­логических параметров в околоземной атмосфере на Камчатке во время солнечных событий в октябре 2003 г. // Геомагнетизм и аэрономия. 2014. Т. 54. С. 240–247. DOI: 10.1134/S0016793214020182Соловьёв С.П., Рыбнов Ю.С., Харламов В.А., Крашенинников А.В. Акустико-гравитационные волны и сопровождающие их возмущения электрического поля атмосферы // Геомагнетизм и аэрономия. 2017. Т. 57, № 3. С. 363–375.Чернева Н.В., Фирстов П.П. Формирование локального электрического поля атмосферы на Камчатке под влиянием природных процессов. Владивосток: Дальнаука, 2018. 127 с.Шефтель В.М., Бандилет О.М., Чернышев А.К. Влияние планетарных магнитных бурь на электрическое поле атмосферы вблизи земной поверхности // Геомагнетизм и аэрономия. 1992. Т. 32, № 1. С. 186–188.Шефтель В.М., Чернышев А.К. Реакция атмосферного электричества на изолированную вспышку и серию вспышек // Геомагнетизм и аэрономия. 1992. Т. 32, № 1. С. 111–117.Belova E., Kirkwood S., Tammet H. The effect of magnetic substorms on near ground atmospheric current // Ann. Geophys. V. 18. С. 1623–1629. DOI: 10.1007/s00585-001-1623-z, 2011.Burns G.B., Frank-Kamenetsky A.V., Troshichev O.A., Bering III E.A., Papitashvili V.O. The geoelectric field – a link between the troposphere and the ionosphere // Ann. Glac. 1998. V. 27. Р. 651–654.Frank-Kamenetsky A.V., Burns G.B., Troshichev O.A., Papitashvili V.O., Bering-III E.A., French W.J.R. The geoelectric field at Vostok, Antarctica: it’s relation to the Interplanetary Magnetic Field and the polar cap potential // J. Atmos. Solar Terr. Phys. 1999. V. 61. Р. 1347–1356.Frank-Kamenetsky A.V., Troshichev O.A., Burns G.B., Papitashvili V.O. Variations of the atmospheric electric field in the near-pole region related to the interplanetary magnetic field // J. Geophys. Res. 2001. V. 106. 179–190.Harrison R.G., Aplin K.L., Rycroft M.J. Atmospheric electricity coupling between earthquake regions and the ionosphere // J. Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics. 2010. V. 72. P. 376–381 (https://doi.org/10.1016/j.jastp.2009.12.004).Hobara Y., Watanabe M., Miyajima R., Kikuchi H., Tsuda T., Hayakawa M. On the spatio-temporal dependence of anomalies in the atmospheric electric field just around the time of earthquakes // Atmosphere. 2022. V. 13. P. 1619 (https://doi.org/10.3390/atmos13101619).Hunting E.R., Matthews J., de Arróyabe Hernáez P.F., S.J. England, K. Kourtidis, K. Koh, K. Nicoll, R.G. Harrison, K. Manser, C. Price, S. Dragovic, M. Cifra, A. Odzimek, D. Robert. Challenges in coupling atmospheric electricity with biological systems // Int. J. Biometeorology. 2021. V. 65. P. 45–58 (https://doi.org/10.1007/s00484-020-01960-7).Kikuchi T. Transmission line model for the near-instantaneous transmission of the ionospheric electric field and currents to the equator // J. Geophys. Res. 2014. V. 119. P. 1131–1156. DOI: 10.1002/2013JA019515.Lu G., Hagan M.E., Häusler K., Doornbos E., Bruinsma S., Anderson B.J., Korth H. Global ionospheric and thermospheric response to the 5 April 2010 geomagnetic storm: An integrated data-model investigation // J. Geophys. Res. 2014. V. 119. P. 10358–10375. DOI: 10.1002/2014JA020555.Michnowski S., Odzimek A., Kleimenova N.G., Kozyreva O.V., Kubicki M., Klos Z., Israelsson S., Nikiforova N.N. Review of relationships between solar wind and ground-level atmospheric electricity – case studies at Hornsund, Spitsbergen, and Swider, Poland // Survey in Geophysics. 2021. V. 42 (D23). DOI: 10.1007/s10712-021-09639-3.Mostl C., Temmer M., Rollett T., Farrugia C.J., Liu Y., Veronig A.M., Leitner M., Galvin A.B., Biernat H.K. STEREO and Wind observations of a fast ICME flank triggering a prolonged geomagnetic storm on 5–7 April 2010 // Geophys. Res. Lett. 2010. V. 37. L24103. DOI: 10.1029/2010GL045175.Park C.G. Downward mapping of high-latitude ionospheric electric fields to the ground // J. Geophys. Res. 1976. V. 81. P. 168–174. DOI:10.1029/JA081i001p00168.Pilipenko V.А., Fedorov E.N., Martines-Bedenko V.А., Bering E.A. Electric mode excitation in the atmosphere by magnetospheric impulses and ULF waves // Frontiers in Earth Science. 2021. V. 8. P. 687. DOI: 10.3389/feart.2020.619227.Pulinets S., Davidenko D. Ionospheric precursors of earthquakes and Global Electric Circuit // J. Adv. Space Res. 2014 (http://dx.doi.org/10.1016/j.asr.2013.12.035).Smirnov S.E. Reaction of electric and meteorological states of the near-ground atmosphere during a geomagnetic storm on 5 April 2010 // Earth, Planets and Space. 2014. V. 66. P. 154.Svensmark H., Friis-Christensen E. Variation of cosmic ray flux and global cloud coverage – a missing link in solar-climate relationships // J. Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics. V. 59, Is. 11. 1997. P. 1225–1232 (https://doi.org/10.1016/S1364-6826(97)00001-1).Victor N.J., Manu S., Frank-Kamenetsky A.V., Panneerselvam C., Anil Kumar C.P., Elango P. Network of observations on the atmospheric electrical parameters during geomagnetic storm on 5 April 2010 // J. Geophys. Res. 2016. V. 121. DOI: 10.1002/2015JA022080. Anisimov, S.V., Shikhova, N.M., Kleymyonova, N.G., “Response of a magnetospheric storm in the atmospheric electric field of mid-latitudes”, Geomagnetism and Aeronomy 61 (2), 172–183 (2021) (in Russian).Bandilet, O.I., Zemlyankin, G.I., Kanonidi, Kh.D., Chernysheva, S.P., Sheftel, V.M., “Magnetic activity and the vertical component of the geoelectric field at high latitudes”, Geomagnetism and Aeronomy 18 (6), 1123–1125 (1978) (in Russian).Grunskaya, L.V., Study of the electric field of the atmospheric surface layer based on the correlation technique (Vladimir: Vladimir University Publishing House, 2010) (in Russian)Denisenko, V.V., Bychkov, V.V., Pomozov, E.V., “Calculation of atmospheric electric fields penetrating from the ionosphere”, Solar-Terrestrial Physics 1 (2), 281–283 (2008) (in Russian).Despirak, I.V., Kleymyonova, N.G., Gromova, L.I., Lyubchich, A.A., Gineva, V., Setsko, P.V., “Spatial features of the supersubstorm during the main phase of the storm on April 5, 2010”, Bull. of the RAS. Physical Ser. 86 (3), 322–328 (2022). DOI: 10.31857/S0367676522030085 (in Russian)Kleymyonova, N.G., Nikiforova, N.N., Kozyreva, O.V., Mikhnovsky, S., “Long-period geomagnetic pulsations and fluctuations of the atmospheric electric field strength at the latitudes of the polar cap”, Geomagnetism and Aeronomy 35 (4), 469–477 (1996) (in Russian).Kuznetsov, V.V., Cherneva, N.V., Druzhin, G.I., “On the influence of cyclones on the atmospheric electric field of Kamchatka”, Reports of RAS 412 (4), 547–551 (2007) (in Russian).Rulenko, O.P., Druzhin, G.I., Vershinin, E.F., “Measurements of the atmospheric electric field and natural electromagnetic radiation before the Kamchatka earthquake of November 13, 1993 (M-7.0)”, Reports of RAS 348 (6), 814–816 (1996) (in Russian).Smirnov, S.E., “Response of the electric state of the surface atmosphere to the geomagnetic storm of April 5, 2010”, Reports of RAS 456, 342–346 (2014) (in Russian).Smirnov, S.E., Mikhaylova, G.A., Kapustina, O.V., “Variations of the quasi-static electric field in the near-Earth atmosphere during geomagnetic storms in November 2004”, Geomagnetism and Aeronomy 53, 502–514 (2013). DOI: 10.1134/S0016793213040130 (in Russian).Smirnov, S.E., Mikhaylova, G.A., Kapustina, O.V., “Variations of electrical and meteorological parameters in the near-Earth atmosphere in Kamchatka during solar events in October 2003”, Geomagnetism and Aeronomy 54, 240–247 (2014). DOI: 10.1134/S0016793214020182 (in Russian).Soloviev, S.P., Rybnov, Yu.S., Kharlamov, V.A., Krasheninnikov, A.V., “Acoustic-gravity waves and accompanying disturbances of the atmospheric electric field”, Geomagnetism and Aeronomy 57 (3), 363–375 (2017) (in Russian).Cherneva, N.V., Firstov, P.P., Formation of the local electric field of the atmosphere in Kamchatka under the influence of natural processes (Vladivostok: Dalnauka, 2018) (in Russian)Sheftel, V.M., Bandilet, O.M., Chernyshev, A.K., “Influence of planetary magnetic storms on the electric field of the atmosphere near the Earth’ surface”, Geomagnetism and Aeronomy 32 (1), 186–188 (1992a) (in Russian).15 Sheftel, V.M., Chernyshev, A.K. “Reaction of atmospheric electricity to an isolated flash and a series of flashes”, Geomagnetism and Aeronomy 32 (1), 111–117 (1992b) (in Russian).Belova, E., Kirkwood, S., Tammet, H., “The effect of magnetic substorms on near ground atmospheric current”, Ann. Geophys. 18, 1623–1629 (1992b). DOI: 10.1007/s00585-001-1623-z, 2011.Burns, G.B., Frank-Kamenetsky, A.V., Troshichev, O.A., Bering-III, E.A., Papitashvili, V.O., “The geoelectric field – a link between the troposphere and the ionosphere”, Ann. Glac. 27, 651–654 (1998).Frank-Kamenetsky, A.V., Burns, G.B., Troshichev, O.A., Papitashvili, V.O., Bering-III, E.A., French, W.J.R., “The geoelectric field at Vostok, Antarctica: it’s relation to the Interplanetary Magnetic Field and the polar cap potential”, J. Atmos. and Solar Terr. Phys. 61, 1347–1356 (1999).Frank-Kamenetsky, A.V., Troshichev, O.A., Burns, G.B., Papitashvili, V.O., “Variations of the atmospheric electric field in the near-pole region related to the interplanetary magnetic field”, J. Geophys. Res. 106, 179–190 (2001).Harrison, R.G., Aplin K.L., Rycroft, M.J., “Atmospheric electricity coupling between earthquake regions and the ionosphere”, J. Atmos. and Solar Terr. Phys. 72, 376–381 (2010) (https://doi.org/10.1016/j.jastp.2009.12.004).Hobara, Y., Watanabe, M., Miyajima, R., Kikuchi, H., Tsuda, T., Hayakawa, M., “On the spatio-temporal dependence of anomalies in the atmospheric electric field just around the time of earthquakes”, Atmosphere 13, 1619 (2022) (https://doi.org/10.3390/atmos13101619).Hunting, E.R., Matthews, J., de Arróyabe Hernáez, P.F., S.J. England, K., Kourtidis, K., Koh, K., Nicoll, R.G., Harrison, K., Manser, C,. Price, S., Dragovic, M., Cifra, A., Odzimek, D., Robert, “Challenges in coupling atmospheric electricity with biological systems”, Int. J. Biometeorology 65, 45–58 (2021) (https://doi.org/10.1007/s00484-020-01960-7).Kikuchi, T., “Transmission line model for the near-instantaneous transmission of the ionospheric electric field and currents to the equator”, J. Geophys. Res. 119, 1131–1156 (2014). DOI: 10.1002/2013JA019515.Lu, G., Hagan, M.E., Häusler, K., Doornbos, E., Bruinsma, S., Anderson, B.J., Korth, H., “Global ionospheric and thermospheric response to the 5 April 2010 geomagnetic storm: An integrated data-model investigation”, J. Geophys. Res. 119, 10358–10375 (2014). DOI: 10.1002/2014JA020555.Michnowski, S., Odzimek, A., Kleimenova, N.G., Kozyreva, O.V., Kubicki, M., Klos, Z., Israelsson, S., Nikiforova, N.N., “Review of relationships between solar wind and ground-level atmospheric electricity – case studies at Hornsund, Spitsbergen, and Swider, Poland”, Survey in Geophysics. 42 (D23) (2021). DOI: 10.1007/s10712-021-09639-3.Mostl, C., Temmer, M., Rollett, T., Farrugia, C.J., Liu, Y., Veronig, A.M., Leitner, M., Galvin, A.B., Biernat, H.K., “STEREO and Wind observations of a fast ICME flank triggering a prolonged geomagnetic storm on 5–7 April 2010”, Geophys. Res. Lett. 37. L24103 (2010). DOI: 10.1029/2010GL045175.Park, C.G., “Downward mapping of high-latitude ionospheric electric fields to the ground”, J. Geophys. Res. 81, 168–174 (1976). DOI: 10.1029/JA081i001p00168.Pilipenko, V.А., Fedorov, E.N., Martines-Bedenko, V.А., Bering, E.A., “Electric mode excitation in the atmosphere by magnetospheric impulses and ULF waves”, Frontiers in Earth Science 8, 687 (2021). DOI: 10.3389/feart.2020.619227.Pulinets, S., Davidenko, D., “Ionospheric precursors of earthquakes and Global Electric Circuit”, J. Adv. Space Res. 2014.http://dx.doi.org/10.1016/j.asr.2013.12.035.Smirnov, S.E., “Reaction of electric and meteorological states of the near-ground atmosphere during a geomagnetic storm on 5 April 2010”, Earth, Planets and Space 66, 154 (2014).Svensmark, H., Friis-Christensen, E., “Variation of cosmic ray flux and global cloud coverage – a missing link in solar-climate relationships”, J. Atmos. and Solar Terr. Phys. 59 (11), 1225–1232 (https://doi.org/10.1016/S1364-6826(97)00001-1).Victor, N.J., Manu, S., Frank-Kamenetsky, A.V., Panneerselvam, C., Anil Kumar, C.P., Elango, P., “Network of observations on the atmospheric electrical parameters during geomagnetic storm on April 5, 2010”, J. Geophys. Res. 121 (2016). DOI: 10.1002/2015JA022080.