1. Введение
Измерение вертикальной составляющей напряженности электрического поля приземного слоя атмосферы (Ez) имеет фундаментальное значение для понимания процессов в системе Земля–атмосфера–Солнце. Электрическое поле формируется за счёт глобальной электрической цепи (ГЭЦ), где грозовые облака выступают генераторами, поддерживающими разность потенциалов между землёй и ионосферой (~250 кВ)
[1][2][3][4][5]
Ez подвержено вариациям в широком диапазоне временных масштабов — от секундных грозовых всплесков до многолетних трендов. Глобальные суточные и сезонные колебания отражают ритмику генерации токов в ГЭЦ и наблюдаются синхронно на удалённых станциях (унитарные вариации)
[6][5][7][8][9]
Вейвлет-анализ — эффективный инструмент для изучения таких нестационарных процессов. В отличие от Фурье-преобразования, он даёт двумерную картину «период–время», позволяя обнаружить преходящие и квазипериодические компоненты
[10][11][12]
Данные измерений Ez в Нальчике (10 лет, полусекундное разрешение) обеспечены электрометром EFM550
[13][14][15]
Суточная гармоника (Carnegie Curve) — основной компонент спектра Ez. Её максимум наблюдается около 19–21 UTC и связан с глобальной активностью гроз
[6][16][17]
Многодневные вариации (~9–11, ~45 дней), обнаруженные в данных с полярных станций
[4][16][18][19][1][20]
Годовой ход Ez отражает сезонную модуляцию ГЭЦ: максимум — в июне–августе, вторичный — в декабре–январе
[4][21]
Короткопериодные вариации (минуты–часы) связаны с турбулентным переносом зарядов в пограничном слое и изменениями метеообстановки
[2][20]
Ez имеет прикладное значение: грозомониторинг, диагностика загрязнений (по росту поля при падении проводимости воздуха)
[7][22][12]
Таким образом, вейвлет-анализ Ez в Нальчике за 2010–2020 гг. позволит охватить весь спектр характерных временных масштабов, выделить устойчивые глобальные колебания и отфильтровать метеозависимые локальные эффекты. Это создаёт основу для дальнейшего применения Ez как индикатора геофизических процессов и внешних аномальных воздействий.
2. Методы и принципы исследования
Для анализа временной структуры вариаций напряженности приземного электрического поля (Ez) использовался непрерывный вейвлет-анализ (CWT) с комплексным базисом Морле. Вейвлет-преобразование осуществлялось над усредненными одноминутными значениями Ez, полученными на данных измерителя EFM550, установленного в г. Нальчик на здании ФГБУ «ВГИ», за период 2010–2020 гг.
Базис Морле выбран за его сбалансированные разрешающие свойства как по частоте, так и во времени, а также за наличие
где:
W(t,s) — комплексный вейвлет-коэффициент на моменте времени t и масштабе s;
A(t,s) — модуль (амплитуда);
ϕ(t,s) — фаза.
Амплитуда интерпретируется как мощность колебаний на данном масштабе, а фаза отражает временную структуру и позволяет анализировать сдвиги по времени, задержки и причинно-следственные связи между рядами.
Для выделения фазовой информации применялись:
1)
2)
3) [12]
Особое внимание уделялось фазовым сдвигам суточной и полусуточной компонент, их сезонной эволюции и возможным нарушениям симметрии, указывающим на нестандартные метео- или космические воздействия.
Вейвлет-скалограммы и фазовые карты интерпретировались с учетом конической зоны влияния (cone of influence), ограничивающей надёжность результатов у краёв временного окна. Статистическая значимость фазово-согласованных областей оценивалась по сравнению с моделью белого и красного шума (95%-доверительный уровень)
[6]
3. Основные результаты
В результате непрерывного вейвлет-преобразования одноминутных данных Ez, собранных в Нальчике за 2010–2020 гг., были получены двумерные скалограммы мощности и фазовые карты, охватывающие временные масштабы от 10 минут до 60 суток (рис. 1).
Двумерные скалограммы мощности и фазовые карты: а – среднегодовая скейлограмма (усредненная за 2010–2020 гг.); б – фазовая информация вейвлет-преобразования 2010–2020 гг.
1. [6]
2. [18][19]
3. [4]
4. [15][20]
4. Обсуждение
Таким образом, фазовая информация в вейвлет-преобразовании позволила не только количественно идентифицировать устойчивые временные шкалы, но и проследить их стабильность, нарушение, а также связи с внешними геофизическими и локальными метеофакторами. Фазовая когерентность, в частности, представляет собой чувствительный индикатор синфазных процессов и может быть использована для диагностики переходов между режимами, а также раннего обнаружения возмущений (например, перед грозами или геомагнитными бурями).
Полученные результаты расширяют наше представление о спектральной и фазовой структуре Ez на средних широтах и подтверждают перспективность комплексного подхода, объединяющего высокочастотные наблюдения, вейвлет-анализ и метеогеофизическое сопровождение. В дальнейшем целесообразно проведение междисциплинарных исследований с применением вейвлет-когерентности и кросс-анализов между Ez, параметрами космической погоды и метеоданными, что позволит углубить понимание процессов в системе Земля–атмосфера–космос.
5. Заключение
Проведённый вейвлет-анализ вариаций приземного электрического поля атмосферы по данным станции в Нальчике (2010–2020 гг.) позволил выявить широкий спектр временных структур — от кратковременных турбулентных флуктуаций до многодневных и сезонных колебаний. Основное внимание было уделено фазовой информации, извлекаемой из комплексных вейвлет-коэффициентов, что обеспечило более глубокое понимание динамики электрического поля и его взаимодействия с внешними и локальными факторами.
Установлено:
1)
2)
3) в
4)
Фазовый подход в рамках вейвлет-преобразования продемонстрировал высокую эффективность в диагностике как глобальных, так и локальных источников вариаций. Он может быть использован для оперативной идентификации нарушений в функционировании глобальной электрической цепи, выявления предвестников опасных природных явлений (гроз, сейсмособытий), а также оценки степени техногенного или климатического влияния на электрическое состояние атмосферы.