Russian national report

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E. A. Mareev, V. N. Stasenko, A. A. Bulatov, S. O. Dementyeva, A. A. Evtushenko, N. V. Ilin, ...
In the fair weather electricity research great attention is given to the electrode 
effect. In [13] the variability of the electrical parameters under the influence of 
the electrode effect is investigated, and two extreme cases of the electrode effect, 
classical and turbulent, are considered. It was found that under the ‘fair weather’ 
conditions the space electric charge is positive near the ground, and the scale of 
its distribution is determined by the electrode layer thickness and is equal to 
several metres. The values of the electric charge density are defined by both the 
power of the ion formation source and the magnitude of the electric field. On the 
basis of the research results recommendations for monitoring atmospheric elec‑
trical parameters were provided [14].
In [15] a non-stationary electrodynamic model was developed of atmospher‑
ic turbulence in the surface layer allowing for multiple-charged aerosol particles. 
The stability, convergence and conservativeness of the schemes employed were 
proved. On the basis of experimental observations the conditions for the classical 
and turbulent electrode effect were established, and the agreement of the ob‑
tained model calculations with the experimental data was estimated. The approx‑
imate analytical solution was obtained of the boundary value problem for the 
classical electrode effect in the surface atmosphere. It was shown that the ob‑
tained solution is an exact analytical solution for a special case of the problem, 
which takes place in the real atmosphere. Approximate asymptotic solutions 
corresponding to low turbulent mixing were found for the cases of stable and 
neutral atmospheric stratification [16]. In [17] the well-posed problems were 
analysed for the one‑dimensional steady‑state system of equations describing the 
classical electrode effect in the atmospheric surface layer; a complete classifica‑
tion of the solution types was obtained, their properties were investigated, and 
analytical expressions were derived for the dependence of the ion concentration 
on the electric field intensity. New classes of solutions to the system were found, 
characterized by the presence of layers with infinitely increasing conductivity 
and charge density.
2. The global electric circuit
The concept of the global electric circuit (GEC) is fundamentally important 
for the studies of atmospheric electricity, since it combines all electrical process‑
es in the atmosphere into a single electric network. Over the last few years the 
interest in GEC has increased owing to the fact that its parameters can serve as 
indicators of the state of Earth’s climate system and Earth’s space environment.
Much attention has been given recently to modelling the GEC and its particu‑
lar components, especially the most important part of the GEC composed of 
quasi‑stationary distribution of the electric current, maintained by thunderstorm 
generators.  In  [18]  steady-state  and  non-stationary  GEC  models  were 

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Atmospheric Electricity
constructed; in these models it is possible to uniquely determine the spatial dis‑
tribution of the electric potential for arbitrary (known) distribution of conductiv‑
ity in the atmosphere, once GEC generators are described in the form of a source 
current density distribution. An important distinctive feature of these models is 
the boundary value problem in which the ionospheric potential — one of the 
most important GEC parameters, defined as the potential difference between the 
Earth’s surface and the ionosphere — is uniquely determined (as a constant or 
as a function of time) from the solution of equations for the potential and is not 
specified explicitly; furthermore, it was demonstrated that this boundary value 
problem is the only possible one, if the atmosphere has the geometry of a spher‑
ical layer. Besides the implementation of corresponding numerical models on the 
basis of the finite element method, it was shown that the ionospheric potential in 
many simple problems can be expressed analytically as a function of the problem 
parameters [18, 19]. A number of general questions concerning GEC modelling 
in both plane-parallel and spherical geometry were discussed in [20].
In [21] the impact of lightning discharges on the GEC was analysed and 
discussed. On the basis of a quasi-stationary GEC model it was shown that intr‑
acloud discharges and positive cloud-to-ground discharges result in a decrease 
in the ionospheric potential, whereas negative cloud-to-ground discharges result 
in its increase. Quantitative estimates demonstrated that the ionospheric potential 
variation due to negative cloud-to-ground discharges do not exceed 10% of its 
quasi-stationary value.
The interaction of the GEC with ionospheric and lithospheric processes is 
another important direction of research. In [22] an attempt was made to consider 
the influence of the ionospheric generator on the atmospheric electric field. The 
vertical profile of atmospheric conductivity was assumed to be piecewise-expo‑
nential, and at the upper boundary of the atmosphere a certain distribution of the 
potential was specified. Within the framework of the non-stationary problem the 
estimates were obtained for the stabilization time of the stationary electric field 
in the lower atmosphere when the ionospheric generator is turned on and for the 
dissipation time of the electric field in the absence of generators. In [23, 24] 
penetration of the electric field from the atmosphere near the Earth’s surface to 
the  ionosphere  was  modelled,  which  is  important  for  the  problem  of  iono‑
sphere-lithosphere coupling. In such models the vertical component of the elec‑
tric field at the Earth’s surface is specified, and the equation for the potential, 
allowing for conductivity anisotropy, is solved. The authors calculated that the 
absolute value of the resulting electric field generated in the ionosphere by means 
of such mechanism is much less than it is usually supposed in connection with 
observations of the ionospheric precursors of earthquakes [24]. The coupling of 
lithospheric and ionospheric processes through the GEC was also discussed in 
[25]. In [26] hypothetical ‘seismogenic currents’ flowing between the tectonic 

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