Russian national report

Atmospheric Electricity
E. A.  Mareev
1,2
, V. N. Stasenko
3
,  A. A.  Bulatov
1
, 
S. O.  Dementyeva
1
,  A. A.  Evtushenko
1
, N. V. Ilin
1
,  
F. A.  Kuterin
1,2
, N. N. Slyunyaev
1
, M. V. Shatalina
1
1
Institute of Applied Physics of RAS 
2
Nizhny Novgorod State University 
3
State research center “Planeta”
Introduction
This publication provides an overview of the results of Russian studies in 
the field of atmospheric electricity in 2011–2014. Atmospheric electricity re‑
mains one of the fundamental problems in the physics of the atmosphere and 
has attracted attention for many years. Due to the wide application of new 
techniques and modern computational methods, in the past few years there was 
a significant development in various fields of investigation: fair weather elec‑
tricity, thunderstorm electricity, formation of the electrical structure of clouds, 
lightning detection, the correlation of thunderstorm activity with other danger‑
ous weather events. The analysis of the experimental data obtained in Russian 
centres of atmospheric electricity research provides a significant contribution to 
improving theoretical and numerical models of various electrical processes in 
the atmosphere. A number of important research problems were developed in 
physics of lightning, discharges in the middle atmosphere, high‑energy process‑
es, including X-ray and gamma-ray flashes during thunderstorms. New theoret‑
ical approaches were developed to modelling the global electric circuit, light‑
ning  activity  forecast,  the  impact  of  thunderstorm  activity  on  the  chemical 
composition of the atmosphere. In particular, great attention has been given to 
the construction of systems for lightning flashes ranging and modern nowcast‑
ing systems. The main results for each field of study are given in detail in the 
relevant section of this article.
1. Electricity in the fair weather conditions
In recent years fair weather electricity investigations have been receiving 
increasing attention in Russia. The processes occurring in the convective atmos‑
pheric boundary layer (ABL) are one of the main foci of studies due to the needs 
of fundamental research of cloud formation and electrical effects associated with 
industrial and natural aerosols. Numerical models were developed for estimating 
the electro-aerodynamic parameters of the convective ABL, in particular, the 

---

19
Atmospheric Electricity
spatio-temporal distribution of the ion concentration, electric field, current den‑
sity, conductivity and space charge density in a variety of physical conditions 
[1–3]. The proposed models are based on field observation databases and labo‑
ratory experiments. For horizontally homogeneous approximation with high 
spatial and temporal resolution the vertical profiles of the atmospheric electric 
field, space charge density, conductivity and atmospheric electric current densi‑
ty were calculated.
The space charge in the ABL can be estimated numerically on the basis of the 
results of observations [4]. Using the long-term observatory observations and 
seasonal field observations at the Borok Geophysical Observatory (58°04’N and 
38°14’E), the dynamics of the electric field in the mid-latitude surface atmos‑
phere was analysed in a wide range of time scales. It was found that the diurnal 
aeroelectric field variation in the middle latitudes closely matches the unitary 
variation in the winter season. Cross-correlations of the intensity variations of 
the atmospheric electric field density, vertical electric current density, space 
charge density and electric conductivity were investigated. The studies of the 
spectra of the short-period electric field pulsations were continued [5–7]. The 
formation of the temperature inversion layer was accompanied by a positive 
trend in the aeroelectric field intensity and by generation of the short-period 
aeroelectric pulsations. The increase rate of the electric field at the beginning of 
convection with inversion registered by SODAR amounted to 100 V/(m×h) [8].
Measurements of the atmospheric electric potential gradient were performed 
near the Earth’s surface at two locations in the North Caucasus (in lowland and 
highland zone). Possible reasons for local electric field variations in the aero‑
sol-free surface layer were analysed on the basis of the real experimental data 
obtained at Cheget mountain peak. These studies have shown the occurrence of 
an additional electric field maximum during the period 06–09 UT due to the di‑
urnal variation of the turbulent diffusion coefficient [9, 10].
In recent decades the ideas of seismic events prediction have been further 
developed on the basis of studying the emanation of radon from the rock mass 
in the regions of their elastic deformation before an earthquake. According to the 
research results, radon-222 is one of the most important factors influencing the 
electricity of the surface layer. Polar conductivities of the atmosphere show par‑
ticularly close relationship with the concentration of radon. The atmospheric 
conductivity directly depends on the ion concentration, and by inference on the 
ion formation factors. Comparative measurements of radon-222 and specific po‑
lar air conductivities in the atmospheric surface layer were carried out over a 
number of years at various locations in the North Caucasus [11].. It was shown 
that the variations in the concentrations of light atmospheric ions and the space 
charge density are related with the variations in the radon-222 emanations. Spec‑
tral analysis of the space charge density variations was performed [12].

---