Как получить атмосферное электричество: Атмосферное электричество — Энергетика и промышленность России — № 09 (317) май 2017 года — WWW.EPRUSSIA.RU

Электричество вырабатывается за счет обеспечения достаточной высоты сверхлегкого коллектора ионов за счет использования долговременных воздушных платформ, включая привязной воздушный шар, воздушного змея или башню. Атмосферное напряжение увеличивается со скоростью примерно 90-150 В постоянного тока на метр высоты над уровнем земли или моря и на много порядков выше при возмущении погоды. Эксперименты имеют

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИМЕНТЫ, Собранные от ионов в воздухе + вода = водород газ

Ионная энергетическая группа была награждена патентами для установки Ion Colectors на Attomobistes для генерации.

Иллюстрации (ниже) предлагаемых экспериментальных ионных электростанций с использованием долговременных аэростатов (аэростатов или воздушных шаров), воздушных змеев или башен для обеспечения высоты коллекторов ионов для сбора ионов для производства электроэнергии днем ​​и ночью. Будущие варианты реализации технологии сбора ионов, в которых используются долговременные аэростаты (воздушные шары) для обеспечения сборщиков ионов большой высоты, предлагают теоретический рабочий цикл производства энергии, приближающийся к 99%.

Щелкните для получения дополнительной информации

Существует ряд технических отчетов и рецензируемых журнальных статей, доступных для просмотра в Интернете, которые отлично характеризуют электрическую цепь Земли с учетом хорошей погоды (нагрузка цепи), а также возмущенных условий (генераторная часть). . Эти отчеты, как правило, моделируют земной контур хорошей погоды как «целое», усредняющее энергию, производимую тысячами штормов по всей атмосфере. Из таких отчетов можно сделать вывод, что атмосфера предлагает максимум 2 пА/м2 электрического тока. Ion Power Group часто измеряла значительно большую мощность во время пиковых ионных периодов — много ватт собранной мощности — вплоть до 1236 Вт (41 200 В постоянного тока при 30 мА) с коллекторами ионов на высоте 130 футов. Что объясняет очень большое расхождение между теоретическими моделями, представленными в некоторых отчетах, доступных в Интернете, и реальными измерениями Ion Power Group?

P=VxI. Следовательно, если I постоянно, то при увеличении V P увеличивается пропорционально

решает проблему низкого атмосферного тока в условиях хорошей погоды за счет увеличения высоты расположения коллекторов ионов, тем самым увеличивая общую собираемую мощность. Примечательно, что ни один из отчетов, доступных в настоящее время в Интернете, не касается использования атмосферного электричества для производства энергии на основе использования более эффективных углеродных наноматериалов, таких как графит и графен. Таким образом, настоящие отчеты не отражают самые последние достижения в технологии сбора атмосферного электричества. По причинам, изложенным здесь, предыдущие отчеты, доступные до исследования Ion Power Group (хотя большинство из них очень хороши, если их читать в контексте), не следует считать точным представлением

Атмосферное электричество, влияющее на биогеохимические процессы в почвах и отложениях

Введение

Концентрации различных химических соединений в поверхностных водах, почвах и отложениях широко варьируют как в пространстве, так и во времени, часто определяемом как суточный (но также сезонный) колебания (например, Stockdale et al., 2009; Нимик и др., 2011; Смит и др., 2011). Эта изменчивость очень актуальна для организмов, которые живут в этих пространственно-временно неоднородных средах. В то время как крупные подвижные организмы взаимодействуют в более широких пространственных масштабах, можно ожидать, что небольшие и относительно неподвижные организмы, такие как бактерии, грибы или нематоды, будут особенно чувствительны к колебаниям их непосредственного электрохимического окружения. Мелкие организмы реагируют на изменения в своей физико-химической среде изменениями метаболической активности и поведения (например, Fenchel, 2002; Vanreusel et al., 2010). Утилизация дыхательных электронов необходима организмам для поддержания метаболической активности, управляющей экосистемными процессами, включая дыхание и переработку органических веществ и питательных веществ (Чо и Азам, 19).88). Таким образом, наличие молекул, принимающих дыхательные электроны (т. е. окислительно-восстановительные условия), может стать важным ограничением метаболической активности организмов в почвах и отложениях (Hayes and Waldbauer, 2006).

Хотя многие исследования улучшили наше понимание процессов, управляющих электрохимической средой недр Земли, многие наблюдаемые изменения по-прежнему трудно согласовать с известными факторами электрохимической неоднородности. Здесь мы кратко обобщаем наше понимание факторов электрохимической изменчивости недр Земли и представляем новую концептуальную основу, связывающую вариации атмосферного электричества (АЭ) с вариациями электрохимической среды Земли и последствиями для живущих в ней микроорганизмов. Мы представляем доказательства, подтверждающие предполагаемые связи, и определяем проблемы для будущих исследований.

Факторы пространственно-временной изменчивости в электрохимии недр Земли

Мелкомасштабные вариации электрохимических свойств отложений и почв в основном контролируются биотическими влияниями. Например, двигательная активность беспозвоночных, перерабатывающих почвы и отложения (биотурбация), является хорошо известным фактором окислительно-восстановительных условий в микро- и миллиметровом масштабе как в почвах, так и в отложениях (Tokida et al., 2007; Hunting et al., 2012). В частности, считается, что бактериальная метаболическая активность в основном контролируется этим мелкомасштабным изменением (Newman and Banfield, 2002). Колебания окислительно-восстановительного потенциала, вероятно, являются важным селективным давлением на микробы с последствиями для состава и активности сообщества (Pett-Ridge and Firestone, 2005), например, путем отбора метаболически более гибких таксонов бактерий (DeAngelis et al., 2010). В свою очередь, бактерии могут секретировать редокс-активные экссудаты (например, флавины) для поддержания благоприятных окислительно-восстановительных условий (Hunting, Kampfraath, 2013; Markelova et al. , 2018) или могут использовать перенос электронов на большие расстояния (>1 см) для соединения пространственно разделенные биоэлектрохимические процессы (Nielsen et al., 2010; Pfeffer et al., 2012). Фотосинтез также способствует колебаниям окислительно-восстановительных условий за счет поступления кислорода в верхние слои почвы и отложений (Battin et al., 2003; Laursen and Seitzinger, 2004), что приводит к чистому дневному увеличению концентрации кислорода и чистому ночному снижению, вызванному дыхание.

В то время как мелкомасштабные вариации в основном обусловлены биологическими процессами (Masscheleyn et al., 1991; Hayes and Waldbauer, 2006), суточные и сезонные колебания концентраций многих химических видов, имеющих отношение к микробным процессам (например, денитрификация и метаногенез), также часто связаны между собой на больших расстояниях (Lee, 1977; Laursen and Seitzinger, 2004; Allen et al., 2007; Spencer et al., 2007; Rusjan and Mikoš, 2010; Bass et al., 2013). Наличие крупномасштабных временных флуктуаций в самых разных экосистемах предполагает, что крупномасштабные абиотические процессы также имеют отношение к электрохимическим свойствам почвы, отложений и воды (Scholefield et al. , 2005). Действительно, были идентифицированы различные абиотические движущие силы пространственных связей и синхронизированной временной изменчивости подповерхностных химических концентраций и микробной активности. К ним относятся солнечная активность, поток подземных вод, атмосферное давление, лунно-солнечные и приливные циклы, а также градиенты химического потенциала носителей заряда (рассмотрено в Lanzerotti and Gregori, 19).86; Токида и др., 2007). Было показано, что во внутренних водах и наземных почвах разделение зарядов в глине или других минералах, загрязнители и поток грунтовых вод также влияют на электрохимическую среду (например, Revil and Jardani, 2013).

Несмотря на широту понимания процессов, управляющих подповерхностной электрохимической средой Земли, и последствий для организмов, известные факторы не могут объяснить все наблюдаемые электрохимические вариации. Особенно это касается вариаций в более глубоких слоях (до метров) земной поверхности (Vorenhout et al., 2011). Например, в то время как фотосинтез может быть ответственным за изменение окислительно-восстановительных условий в биопленках и поверхностных (<1 см) слоях почвы и отложений (Battin et al., 2003; Laursen and Seitzinger, 2004), он вряд ли влияет на более глубокие слои окружающей среды и связанные с ними организмов, так как диффузия кислорода медленная, а потребление гетеротрофами быстрое (Laursen and Seitzinger, 2004). Здесь мы предлагаем новую точку зрения, основанную на идее о том, что изменение АЭ является дополнительным фактором, лежащим в основе циклических изменений в электрохимии и связанных с ними микробных сообществ и активности в подземной среде Земли.

Концептуальная основа взаимосвязей между атмосферным электричеством, электрохимией подповерхностных слоев Земли и микробными сообществами

Электрические свойства приповерхностной атмосферы (например, концентрации ионов и градиент атмосферного потенциала) изменяются в суточных и сезонных временных масштабах (Israelsson and Tammet, 2001 ; Харрисон, 2004). Атмосферное электрическое поле присутствует даже в регионах с хорошей погодой как следствие глобальных потоков электрического тока, вызываемых грозовыми регионами (например, Rycroft et al., 2000; Haldoupis et al., 2017). На местном уровне условия окружающей среды, радиоактивный распад радона, заряды аэрозолей и загрязнение атмосферы могут дополнительно способствовать изменению атмосферных электрических условий (Matthews et al., 2019).). Сочетание глобальных и локальных вариаций AE приводит к вариациям в различных пространственных и временных масштабах, при этом особенно важны флуктуации диэля (Israelsson and Tammet, 2001). В универсальной картине диэля вертикального тока и градиента потенциала преобладает минимум около 04 часов по всемирному времени (UT) и максимум около 19 часов по всемирному времени. Эта универсальная закономерность наиболее очевидна в чистом морском воздухе, где аэрозольное загрязнение и другие локальные источники изменчивости (например, колебания концентрации радона) сведены к минимуму. Напротив, на паттерны сухопутных диэлей больше влияют локальные вариации AE (Israelsson and Tammet, 2001; Harrison, 2004).

Электрические токи основаны на движении (небольших) ионов в электрическом поле атмосферы и обычно находятся в диапазоне от 0,5 до 3,0 пА·м ^-2 на поверхности земли, где токи впоследствии проникают на поверхность Земли как часть глобального электрическая цепь (Rycroft et al., 2008; Harrison, 2013). Другие геофизические процессы (например, поток подземных вод) способствуют влиянию на электрические свойства недр Земли (Lanzerotti and Gregori, 1986; Wada and Umegaki, 2001; Revil et al., 2010). В почвах, водоемах и их отложениях токи, вызванные изменениями АЭ, вероятно, влияют на высвобождение дыхательных электронов и движение ионов, тем самым критически влияя на окислительно-восстановительные условия с последствиями, особенно для микроорганизмов. Например, изменения в AE могут вызывать вертикальное движение заряженных терминальных акцепторов электронов, которые необходимы для микробного дыхания (см. концептуальную диаграмму на рисунке 1). Терминальные акцепторы электронов, относящиеся к микроорганизмам (например, NO ₃ ^— , Mn ₄ ³⁺ и SO ₄ ^2- ) различаются по размеру и заряду, что позволяет предположить, что они движутся с разной скоростью в подземных средах. Кроме того, на движение ионов влияет электропроводность воды, почв и отложений. Поверхностные слои почвы, например, обычно имеют проводимость 0,1–2,0 дСм/м (Rhoades and Corwin, 1981), что ниже по сравнению, например, с морской водой (~ 4 См/м; например, Al-Shamma’a et al. al., 2004), и может препятствовать дальнему (Revil et al., 2010), но не короткому (мкм – мм – см) движению ионов (Wada and Umegaki, 2001; Mann et al., 2005). Такое изменение окислительно-восстановительных свойств почв и отложений, вызванное АЭ, вероятно, влияет на способность микробов избавляться от своих дыхательных электронов (рис. 1). На сегодняшний день совершенно не изучены последствия изменения АЭ для электрохимических свойств подземных экосистем и обитающих в них организмов.

Рисунок 1. Концептуальная диаграмма, изображающая предполагаемую связь между атмосферным электричеством (АЭ), электрохимией поверхности Земли и микробными процессами. Электрические вариации катионов (+) в атмосфере определяются множеством факторов, включая космические лучи, изменения в ионосфере, радиоактивный распад радона и других элементов, глобальную грозовую активность и солнечную радиацию. Поскольку поверхность Земли заряжена отрицательно (–), результирующий вертикальный ток заставляет ионы двигаться в почвах и отложениях. Сюда входят основные ионы, необходимые для микробной метаболической активности в бескислородной среде. Таким образом, эти изменения в поставке ресурсов, вызванные электрическими колебаниями в атмосфере, могут влиять на пространственные и временные закономерности биогеохимических процессов. Основными терминальными акцепторами электронов, используемыми в бескислородном микробном метаболизме, могут быть либо анионы, либо катионы (обозначаются знаком — или + соответственно). Анионы, такие как нитрат (NO ₃ ^— ) и сульфат (SO ₄ ^2-) перемещаются в атмосферу, в то время как катионы железа (Fe ²⁺ ) и марганца (Mn ²⁺ ) перемещаются глубже в почву. или осадок. Свободные электроны, образующиеся в результате микробного метаболизма на поверхности Земли, также потенциально могут быть направлены в атмосферу, как показано изогнутой пунктирной стрелкой.

Доказательства связи между атмосферным электричеством, подповерхностной электрохимией и микробной метаболической активностью

Лабораторные эксперименты

Мы провели несколько лабораторных экспериментов, чтобы изучить влияние изменения AE на окислительно-восстановительные условия отложений и бактериальный метаболизм (описание экспериментального подхода см. в Дополнительных материалах S1). Мы обнаружили, что окислительно-восстановительный потенциал отложений ( E _h ) в водных микрокосмах развивался независимо от pH отложений (максимальное изменение ± 0,1 единицы) или концентрации кислорода (максимальное изменение ± 1% насыщения) при воздействии на них экспериментально измененных уровней. концентрации атмосферных ионов. Напротив, E _h постепенно увеличивалась на разных глубинах отложений, начиная сразу же с началом ионизации, затем снижалась и быстро стабилизировалась при нарушении ионизации (рис. 2А). Контрольные микрокосмы, в которых вышележащая атмосфера не была ионизирована, вскоре достигли окислительно-восстановительного равновесия, которое оставалось постоянным на протяжении всего эксперимента (данные не показаны). Никакого воздействия на E _h в осадке не обнаружено после воздействия на микрокосм радиации [УФ А, В и С, а также фотосинтетически активной радиации (ФАР) и инфракрасного излучения; данные не показаны]. В совокупности наши эмпирические данные показывают, что колебания E _h в отложениях микрокосма не зависели от солнечной радиации, но на них сильно влияли управляемые сдвиги концентраций ионов в вышележащей атмосфере. Эти результаты дают четкое доказательство того, что вариации AE могут влиять на геохимические и микробные процессы посредством изменений E _h .

Рисунок 2. Влияние повышенных уровней атмосферных катионов на окислительно-восстановительные условия, дыхательную активность бактерий и H ₂ Концентрации S (сульфатредукция) в отложениях водных микрокосмов. (A) Окислительно-восстановительный потенциал, E _h , был измерен на глубине отложений 1 и 6 см в ответ на изменение концентрации катионов в атмосфере. (B) Дыхательная активность бактерий, измеренная как активность системы транспорта электронов (ETS) (выраженная как относительное поглощение при 490 нм), была значительно ниже в контрольных микрокосмах, чем в микрокосмах, в которых атмосфера была ионизирована в течение 24 часов ( т — тест, р = 0,002, н = 6). (C) Изменения концентрации бактерий H ₂ S на разных глубинах отложений в ответ на ионизацию вышележащей атмосферы (левая панель), что свидетельствует о смещении образования H ₂ S к поверхности в результате подъема SO ₄ ^2- механизм (схематично изображен на правой панели). Заштрихованные области и (+) указывают на периоды экспериментальной ионизации. Единичные измерения временного ряда представлены для ясности и считаются репрезентативными для повторных ( н = 12) беж.

Затем мы проверили реакцию бактериальных сообществ в отложениях микрокосма на колебания E _h , вызванные изменениями лабораторных условий АЭ за счет увеличения концентрации ионов в вышележащей атмосфере. Мы измеряли дыхание бактериального сообщества по активности ЭТС в верхнем слое осадка (<1 см) после 1 сут воздействия атмосферной ионизации и наблюдали двукратное увеличение ( t -тест, p <0,05) по сравнению с контрольными микрокосмами (рис. 2В). Однако, поскольку в активность ETS могут вносить вклад многочисленные бактериальные процессы, причина увеличения остается неясной.

Для дальнейшего изучения вопроса мы экспериментально подвергли водные микрокосмы воздействию повышенных концентраций ионов в вышележащей атмосфере и оценили концентрации H ₂ S в ответ на атмосферную ионизацию. Мы выбрали концентрацию H ₂ S как наиболее информативную переменную отклика, поскольку она напрямую зависит от SO ₄ ^— редуктор. Более того, поскольку H ₂ S не несет заряда, любые изменения в H ₂ S из-за изменения AE могут быть результатом только изменений в сокращении SO ₄ ^— . Мы наблюдали постепенное увеличение концентраций H ₂ S на глубине 4 мм ниже поверхности осадка, тогда как концентрации H ₂ S уменьшались на глубине 6 мм ниже поверхности осадка. Ответ в концентрациях H ₂ S после начала ионизации был немного задержан (рис. 2C). Эти данные свидетельствуют о том, что глубина максимума SO ₄ ^2- концентрации сместились к поверхности отложений в ответ на ионизацию, где микробное сообщество быстро отреагировало восстановлением SO ₄ ^2- до H ₂ S.

Полевые наблюдения оценить

Рис. 3. Хорошая погода вызывает колебания окислительно-восстановительного потенциала отложений и AE. (A) Окислительно-восстановительный потенциал (E _h ), измеренный на глубине 10 см в естественном нетронутом отложении в ходе одного эксперимента в течение 3 дней в озере Каданьо, высокогорном озере в Швейцарии, в октябре 2017 г. (B) универсальная периодичность электрических свойств атмосферы (выражаемая градиентом потенциала, PG, между атмосферой и землей), которая наблюдается по всему миру в условиях хорошей погоды (Harrison, 2013). Все данные нанесены на график по отношению к всемирному времени, UT, и представляют собой одиночные измерения временных рядов. Пик в 19 летUT показывают, что колебания окислительно-восстановительных условий регулируются глобальными закономерностями в AE.

Рисунок 4. Когерентность временных изменений чистых концентраций катионов в атмосфере и окислительно-восстановительных условий отложений. Окислительно-восстановительный потенциал (Eh) был измерен 24 октября 2013 г. на разных глубинах (1, 2, 3 и 6 см) в песчаных отложениях канавы в Нидерландах. Данные этого одиночного прогона отображаются в зависимости от местного времени (GMT +2). Колебания

Диэля в E _h в ответ на локальные вариации AE также наблюдались в отложениях пресноводных мезокосмов на открытом воздухе в Нидерландах (рис. 5 и дополнительный рисунок S1). Здесь диэльные узоры были видны даже в присутствии беспозвоночных, перерабатывающих верхние слои отложений, и были более выражены в условиях хорошей погоды, чем в пасмурные дни (дополнительный рисунок S1). Не наблюдалось, чтобы эти суточные ритмы коррелировали с другими протестированными метеорологическими переменными, такими как солнечная радиация, температура и давление воздуха (данные не показаны). Это открытие указывает на то, что предполагаемая связь между АЭ и окислительно-восстановительным потенциалом отложений сохраняется и тогда, когда исключаются основные гидрологические и геофизические процессы (например, поток подземных вод). Это подтверждает нашу гипотезу о том, что существует прямая связь между недрами Е _ч и АЕ. Интересно, что естественное промерзание верхнего слоя воды в мезокосмах служило незапланированным экспериментальным контролем, так как ковариация между подповерхностным E _h и AE исчезла, вероятно, вследствие плохих проводящих свойств льда (данные не приведены). . Наконец, E _h в почвах на трех удаленных участках также следовали диэльным паттернам в АЭ, влияние которых простиралось относительно глубоко в почву (обычно 50–100 см; рис. 6).

Рис. 5. Суточные ритмы хорошей погоды в окислительно-восстановительном потенциале отложений мезокосмов на открытом воздухе, подвергающихся разным уровням биотурбации. На контурных графиках показаны профили окислительно-восстановительного потенциала по глубине (0–9 мм) ( E _h ) за 4 дня в трех разных мезокосмах. Мезокосмы содержали различные комбинации беспозвоночных, которые, как известно, в разной степени перерабатывали поверхностные отложения: (A) нет биотурбации: беспозвоночные отсутствуют; (B) низкий уровень биотурбации: Трубочник spp. и Asellus aquaticus ; и (C) высокий уровень биотурбации: Gammarus pulex , Asellus aquaticus , Chironomus riparius , Tubifex spp., Lumbriculus variegatus 9.

Рисунок 6. Суточные ритмы хорошей погоды в окислительно-восстановительном потенциале почвы и AE. Окислительно-восстановительный потенциал ( E _h ), измеренный в естественных почвах: (A) на глубине 50 см в Нидерландах (52,2 ° с. ш., 4,5 ° в. д.; GMT + 2) между 1 и 3 мая 2011 г., (B) на глубине 50 см в Нидерландах (52,4° с.ш., 6,1° в.д.) с 1 по 3 июля 2011 г. и (C) на глубине 1 м в Бангладеш (23,8° с.ш., 90,6° в.д.; GMT + 6) в период с 27 по 30 марта 2010 г. Линии представляют измерения отдельных временных рядов. (D) Универсальная периодичность электрических свойств атмосферы (выраженная как градиент потенциала, PG, между атмосферой и землей), наблюдаемая по всему миру в условиях хорошей погоды (Harrison, 2013). Все данные нанесены относительно UT. Пик в 19 летUT (видимые на панелях B , C ) указывают на то, что флуктуации окислительно-восстановительных условий регулируются глобальными вариациями AE (B,C) , тогда как пики в 16 UT (видимые на панелях A ) указывают на то, что флуктуации в окислительно-восстановительных условиях в основном определяются локальными вариациями в AE (A) .

Эти наружные измерения позволяют предположить, что изменение подповерхностного окислительно-восстановительного потенциала может следовать как универсальному циклу изменения атмосферного потенциала (рис. 6), так и локальным источникам изменения, влияющим на концентрацию атмосферных катионов на уровне земли (<1 м). Вместе с нашими лабораторными результатами эти полевые наблюдения показывают, что как глобальные, так и локальные вариации AE влияют на окислительно-восстановительные условия и микробные процессы в почвах и отложениях, в которых в некоторых местах могут преобладать сильные локальные влияния на окислительно-восстановительные характеристики.

Последствия и перспективы

Результаты наших лабораторных экспериментов и полевых наблюдений подтверждают гипотезу о том, что вариации AE могут влиять на E _h в различных почвах и отложениях с последствиями для микробных сообществ в этих средах. Однако значение этого явления в естественных условиях остается неясным, поскольку сохраняющиеся пробелы в знаниях препятствуют окончательному пониманию причинно-следственных связей между АЭ и электрической средой Земли. Задачи будущих исследований варьируются от выяснения соответствующих масштабов физических и химических связей до того, как эти связи прямо или косвенно управляют отдельными группами организмов.

То, как конкретные химические виды и организмы реагируют на изменения в АЭ, вероятно, зависит от относительной величины комбинации различных физических источников вариаций. К ним относятся солнечная активность, сток подземных вод, градиенты химического потенциала носителей заряда (рассмотрено в Lanzerotti and Gregori, 1986; Revil and Jardani, 2013), а также электрохимические свойства почвы и отложений, включая электрическое сопротивление, размер и заряд концевые акцепторы электронов. Таким образом, выявление абсолютной и относительной роли региональных и глобальных факторов изменчивости AE (Märcz and Harrison, 2003; Harrison, 2004) и окислительно-восстановительного потенциала в воде, отложениях и почвах может стать многообещающей, хотя и сложной областью исследований. Электрохимия недр Земли различается по глубине, и, следовательно, в будущей работе необходимо оценить, в какой степени вариации АЭ могут трансформироваться в синхронизированные реакции электрохимии недр Земли в зависимости от условий на разных глубинах почвы и отложений (например, влажность, электропроводность, Е _ч ). Точно так же необходимо разделить роль АЭ по отношению к другим основным движущим силам электрохимии недр Земли. Это требует скоординированных полевых экспериментов в широком диапазоне географических мест, чтобы оценить значение в глобальном масштабе и важность местных влияний в наложении универсальных ритмов.

Связь между АЭ и подповерхностной электрохимией, наблюдаемая в наших полевых и лабораторных исследованиях, также предполагает, что микроорганизмы в этих средах уязвимы к антропогенным воздействиям, влияющим на изменение АЭ. В частности, на АЭ может влиять антропогенное загрязнение дымом, диоксидом серы и аэрозолями (Retalis et al., 19).91; Шефтель и др., 1994; Камра и Дешпанде, 1995). Наши результаты показывают, что такие загрязнители могут оказывать сильное, хотя и неизвестное в настоящее время, косвенное воздействие на подповерхностные микроорганизмы и процессы, влияя на временные характеристики АЭ. Кроме того, частым локальным фактором, влияющим на вариации АЭ, является электрическое загрязнение от высоковольтных линий электропередач (в основном работающих на переменном токе) (Maruvada, 2012). Возникающие в результате статические электрические поля вызывают реакции у широкого круга организмов, особенно поведенческие реакции у беспозвоночных (Petri et al., 2017; Schmiedchen et al., 2018). Однако эти исследования были ограничены летающими насекомыми и беспозвоночными на поверхности почвы, поэтому потенциальное воздействие статических электрических полей на подповерхностные микроорганизмы и беспозвоночных осталось незамеченным. Тем не менее, линии электропередач могут влиять на сообщества и процессы почвы и отложений, по крайней мере, двумя способами: во-первых, выброс ионов обеспечивает вторичный источник загрязнения, который может изменить постоянный ток и перенос ионов в локальной среде с последствиями для микробных сообществ и процессов, описанных выше. . Во-вторых, сильные колебания электрических полей влияют на организмы, использующие их для ориентации (т. е. гальванотаксис или электротаксис). Такие поведенческие реакции наблюдались у бактерий и беспозвоночных, таких как нематоды (Беспалов и др. , 19).96; Chrisman et al., 2016) и может еще больше усложнить электрохимическую среду в почвах и отложениях, которую могут изменять многие организмы (Traunspurger et al., 1997; Weerman et al., 2011; Hunting et al., 2013, 2015; Hunting и Кампфраат, 2013). Эффекты локального электрического загрязнения легко поддаются тестированию в лабораторных условиях путем манипулирования электрическими переменными, но они также могут быть подтверждены в естественных условиях (например, под линиями электропередач).

Заключение

Наши результаты экспериментов и полевых наблюдений показывают, что изменение АЭ может влиять на химический состав недр Земли и микроорганизмы в подземных средах. Мы представили доказательства того, что вариации AE могут каскадно отражаться на изменениях в окислительно-восстановительных условиях отложений с последствиями для активности микробного переноса электронов и биогеохимических процессов, таких как SO ₄ ^— редуктор. Эти идеи расширяют наше концептуальное понимание процессов в водоемах, почвах и отложениях, а также их упускаемых из виду связей с АЭ. Сочетание АЭ и подповерхностной электрохимии, вероятно, имеет отношение к широкому кругу организмов, в частности к тем, которые обладают электротактическим поведением, таким как многие виды микробов и нематод. Предложенная концепция, согласно которой АЭ может служить синусовым узлом, задающим ритм биогеохимического сердцебиения Земли, также содержит много неизвестных, которые требуют поиска разнообразных направлений исследований в будущем.

Вклад авторов

EH задумал, разработал и координировал исследование. RH и AK были вовлечены в первоначальную концепцию. EH, AB, MV и CC собрали полевые данные. HvdG и PvB участвовали в разработке исследования. HvdG, EH и AK участвовали в разработке концептуальной фигуры. EH провела эксперименты и статистический анализ. EH, RH и MG составили рукопись. WA, PvB, AB и HvdG внесли значительный вклад в более ранние проекты. Все авторы внесли свой вклад в улучшение предыдущих вариантов рукописи.

Заявление о конфликте интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могли бы быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Благодарности

Мы благодарим Эндрю Боултона, Мартину Вийвер и Джека Мидделбурга за конструктивные комментарии к более ранним черновикам рукописи, Франка Хаммечера, Джерарда Мюйзера и Катарину Куцио за полезные обсуждения и помощь, а также Ханса Агему и Тийса ван Роона за техническую помощь. поддерживать. Мы благодарны Dré Kampfraath и Frans Schupp за графический дизайн концептуальной схемы (рис. 1). Мы признательны за услуги, предоставленные Centro Biologia Alpina, Пиора. Часть этой работы разработана в результате участия в COST Action 15211 Atmospheric Electric Network: связь с системой Земли, климатическими и биологическими системами, поддерживаемой программой COST Европейского Союза (Европейское сотрудничество в области науки и технологий).

Дополнительный материал

Дополнительный материал к этой статье можно найти в Интернете по адресу: https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fphys.2019.00378/full#supplementary-material

Ссылки

Allen, D. E., Далал, Р. К., Ренненберг, Х., Мейер, Р. Л., Ривз, С., и Шмидт, С. (2007). Пространственные и временные вариации потоков закиси азота и метана между субтропическими мангровыми отложениями и атмосферой. Почвенный биол. Биохим. 39, 622–631. doi: 10.1016/j.soilbio.2006.09.013

Полнотекстовая перекрестная ссылка | Google Scholar

Аль-Шаммаа, А. И., Шоу, А., и Саман, С. (2004). Распространение электромагнитных волн на частотах МГц в морской воде. IEEE Trans. Антенны Распространение. 52, 2843–2849. doi: 10.1109/TAP.2004.834449

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Басс А. М., О’Грэйди Д., Беркин К., Леблан М., Твид С., Нельсон П. Н. и др. (2013). Высокие суточные колебания растворенного неорганического углерода, значений δ13C и поверхностного оттока CO2 в сезонной тропической пойме. Окружающая среда. хим. лат. 11, 399–405. doi: 10.1007/s10311-013-0421-7

PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar

Баттин, Т. Дж., Каплан, Л. А., Ньюболд, Дж. Д., и Хансен, К. М. (2003). Вклад микробных биопленок в экосистемные процессы в мезокосмах рек. Природа 426, 439–442. doi: 10.1038/nature02152

PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar

Беспалов В. А., Жулин И. Б., Тейлор Б. Л. (1996). Поведенческие реакции Escherichia coli на изменения окислительно-восстановительного потенциала. Проц. Натл. акад. науч. США 93, 10084–10089. doi: 10.1073/pnas.93.19.10084

PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar

Чо, Б. К., и Азам, Ф. (1988). Основная роль бактерий в биогеохимических потоках в недрах океана. Природа 332, 441–443. doi: 10.1038/332441a0

PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar

Крисман С.Д., Уэйт С.Б., Сковилл А.Г. и Карнелл Л. (2016). C. elegans демонстрирует отличное поведение в фиксированном и однородном электрическом поле. PLoS One 11:e0151320. doi: 10.1371/journal.pone.0151320

PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar

Кьюселл К., Меттроп И. С., ван Лун Э. Э., Ламерс Л. П. М., Воренхаут М. и Койман А. М. (2015). Последствия кратковременных засух и наводнений в богатых видами болотах летом и зимой: крупномасштабные полевые манипуляционные эксперименты. Экол. англ. 77, 127–138. doi: 10.1016/j.ecoleng.2015.01.025

CrossRef Full Text | Google Scholar

ДеАнджелис, К.М., Сильвер, В.Л., Томпсон, А.В., и Файерстоун, М.К. (2010). Микробные сообщества приспосабливаются к повторяющимся изменениям окислительно-восстановительного потенциала почвы. Окружающая среда. микробиол. 12, 3137–3149. doi: 10.1111/j.1462-2920.2010.02286.x

PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar

Фенхель, Т. (2002). Поведение микробов в гетерогенном мире. Наука 296, 1068–1071. doi: 10.1126/science.1070118

PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar

Халдупис К. , Райкрофт М., Уильямс Э. и Прайс К. (2017). Является ли «земляно-ионосферный конденсатор» действительным компонентом глобальной электрической цепи атмосферы? Дж. Атмос. Сол. Терр. физ. 164, 127–131. doi: 10.1016/j.jastp.2017.08.012

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Harrison, RG (2004). Глобальная атмосферная электрическая цепь и климат. Сурв. Геофиз. 25, 441–484. doi: 10.1007/s10712-004-5439-8

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Harrison, RG (2013). Кривая Карнеги. Сурв. Геофиз. 34, 209–232. doi: 10.1007/s10712-012-9210-2

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Хейс, Дж. М., и Вальдбауэр, Дж. Р. (2006). Круговорот углерода и связанные с ним окислительно-восстановительные процессы во времени. Филос. Транс. Р. Соц. Б биол. науч. 361, 931–950. doi: 10.1098/rstb.2006.1840

Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar

Хантинг, Э. Р., де Гой, Дж. М., Ассельман, М. , ван Соест, Р. В. М., и ван дер Геест, Х. Г. (2010). Разложение органического вещества, полученного из мангровых зарослей, в связанных с мангровыми зарослями губках. Бык. мар. 86, 871–877. doi: 10.5343/bms.2010.1001

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Хантинг, Э. Р., и Кампфраат, А. А. (2013). Вклад бактерий в измерения окислительно-восстановительного потенциала (Eh) в отложениях. Междунар. Дж. Окружающая среда. науч. Технол. 10, 55–62. doi: 10.1007/s13762-012-0080-4

CrossRef Full Text | Google Scholar

Хантинг, Э. Р., Малдер, К., Краак, М. Х. С., Бреур, А. М., и Адмирал, В. (2013). Влияние меди на взаимодействие беспозвоночных с отложениями. Окружающая среда. Загрязн. 180, 131–135. doi: 10.1016/j.envpol.2013.05.027

PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar

Хантинг, Э. Р., Вийвер, М. Г., ван дер Гест, Х. Г., Малдер, К., Краак, М. Х., Бреуре, А. М., и др. (2015). Перекрытие ресурсных ниш способствует стабильности метаболизма бактериального сообщества в экспериментальных микрокосмах. Перед. микробиол. 6:105. doi: 10.3389/fmicb.2015.00105

PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar

Хантинг, Э. Р., Уотли, М. Х., ван дер Гест, Х. Г., Малдер, К., Краак, М. Х., Бреуре, А. М., и др. (2012). Следы беспозвоночных при переработке детрита, структуре бактериального сообщества и пространственно-временных окислительно-восстановительных профилях. Свежесть. науч. 31, 724–732. doi: 10.1899/11-134.1

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Исраэльссон С. и Таммет Х. (2001). Изменение атмосферного электричества в хорошую погоду в обсерватории Марста, Швеция, 1993–1998. Дж. Атмос. Сол. Терр. физ. 63, 1693–1703. doi: 10.1016/S1364-6826(01)00049-9

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ерошевски П., Стейкарт К. и Куль М. (1996). Амперометрический микросенсор для определения h3S в водной среде. Анал. хим. 68, 4351–4357. doi: 10.1021/ac960091b

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Камра А. К. и Дешпанде К.Г. (1995). Возможные вековые изменения и распространение загрязнения воздуха с суши на океан по данным измерений электропроводности атмосферы над Бенгальским заливом. Ж. Геофиз. Рез. Атмос. 100, 7105–7110. doi: 10.1029/94JD03246

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ланцеротти, Л.Дж., и Грегори, Г.П. (1986). Теллурические течения: природная среда и взаимодействие с искусственными системами. Электрическая среда Земли . Вашингтон, округ Колумбия: National Academy Press, 232–257.

Google Scholar

Laursen, A.E., and Seitzinger, S.P. (2004). Суточные закономерности денитрификации, потребления кислорода и образования закиси азота в реках, измеренные на всем протяжении. Свежий биол. 49, 1448–1458. doi: 10.1111/j.1365-2427.2004.01280.x

Полный текст CrossRef | Google Scholar

Ли, Д. Р. (1977). Устройство для измерения фильтрационного потока в озерах и эстуариях. Лимнол. океаногр. 22, 140–147. doi: 10. 4319/lo.1977.22.1.0140

CrossRef Full Text | Google Scholar

Манн, А. В., Биррелл, Р. Д., Федиков, М. А. Ф., и Де Соуза, Х. А. Ф. (2005). Вертикальная миграция ионов: механизмы, почвенные аномалии и глубина отбора проб для разведки полезных ископаемых. Геохим. Исследуйте. Окружающая среда. Анальный. 5, 201–210. doi: 10.1144/1467-7873/03-045

CrossRef Full Text | Google Scholar

Мерц Ф. и Харрисон Р. Г. (2003). Долговременные изменения электрических параметров атмосферы наблюдались в Надьценке (Венгрия) и в британских обсерваториях в Эскдалемуире и Кью. Анна. Геофиз. 21, 2193–2200. doi: 10.5194/angeo-21-2193-2003

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Маркелова Э., Парсонс С. Т., Кутюр Р. М., Смитон С. М., Маде Б., Шарле Л. и др. (2018). Деконструкция окислительно-восстановительного каскада: какую роль играют микробные экссудаты (флавины)? Окружающая среда. хим. 14, 515–524. doi: 10.1071/EN17158

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Марувада, PS (2012). Электрическое поле и ионно-токовая среда линий электропередачи постоянного тока высокого напряжения: сравнение расчетов и измерений. IEEE Trans. Мощность Делив. 27, 401–410. doi: 10.1109/TPWRD.2011.2172003

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Массчелейн П. Х., Делон Р. Д. и Патрик У. Х. мл. (1991). Влияние окислительно-восстановительного потенциала и рН на образование и растворимость мышьяка в загрязненной почве. Окружающая среда. науч. Технол. 25, 1414–1419. doi: 10.1021/es00020a008

CrossRef Full Text | Google Scholar

Matthews, J.C., Wright, MD, Clarke, D., Morley, E.L., Silva, A.J., Bennett, D., et al. (2019). Городские и сельские измерения градиента атмосферного потенциала. Дж. Электростат. 97, 42–50. doi: 10.1016/j.elstat.2018.11.006

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ньюман, Д. К., и Банфилд, Дж. Ф. (2002). Геомикробиология: как взаимодействия на молекулярном уровне лежат в основе биогеохимических систем. Наука 296, 1071–1077. doi: 10.1126/science.1010716

PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar

Нильсен Л. П., Рисгаард-Петерсен Н., Фоссинг Х., Кристенсен П. Б. и Саяма М. (2010). Электрические токи связывают пространственно разнесенные биогеохимические процессы в морских отложениях. Природа 463, 1071–1074. doi: 10.1038/nature08790

PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar

Нимик Д. А., Гаммонс С. Х. и Паркер С. Р. (2011). Дильские биогеохимические процессы и их влияние на водно-химический режим водотоков: обзор. Хим. геол. 283, 3–17. doi: 10.1016/j.chemgeo.2010.08.017

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Петри А. К., Шмидхен К., Штундер Д., Дехент Д., Краус Т., Бейли В. Х. и др. (2017). Биологические эффекты воздействия статических электрических полей на человека и позвоночных: систематический обзор. Окружающая среда. Здоровье 16:41. doi: 10.1186/s12940-017-0248-y

PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar

Петт-Ридж, Дж. , и Файрстоун, М.К. (2005). Колебания окислительно-восстановительного потенциала структурируют микробные сообщества во влажной тропической почве. Заявл. Окружающая среда. микробиол. 71, 6998–7007. doi: 10.1128/AEM.71.11.6998-7007.2005

PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar

Пфеффер К., Ларсен С., Сонг Дж., Донг М., Безенбахер Ф., Мейер Р. Л. и др. (2012). Нитевидные бактерии переносят электроны на сантиметровые расстояния. Природа 491, 218–221. doi: 10.1038/nature11586

PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar

Реталис Д., Питта А. и Псаллидас П. (1991). Проводимость воздуха и другие электрические параметры по отношению к метеорологическим элементам и загрязнению воздуха в Афинах. Метеорол. Атмос. физ. 46, 197–204. doi: 10.1007/BF01027345

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Ревил, А., и Джардани, А. (2013). Метод собственного потенциала: теория и приложения в науках об окружающей среде . Кембридж: Издательство Кембриджского университета, 1–385. doi: 10.1017/CBO9781139094252

CrossRef Полный текст | Академия Google

Ревиль, А., Мендонса, К.А., Атеквана, Э.А., Кулесса, Б., Хаббард, С.С., и Болен, К.Дж. (2010). Понимание биогеобатареи: где геофизика встречается с микробиологией. Ж. Геофиз. Рез. Биогеология. 115, doi: 10.1029/2009JG001065

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Роудс, Дж. Д., и Корвин, Д. Л. (1981). Определение зависимости электропроводности почвы от глубины с помощью индуктивного электромагнитного измерителя проводимости почвы 1. Почвоведение. соц. Являюсь. Дж. 45, 255–260. doi: 10.2136/sssaj1981.03615995004500020006x

CrossRef Full Text | Google Scholar

Русьян С. и Микош М. (2010). Сезонная изменчивость суточных колебаний концентрации нитратов в реке в гидрологически стабильных условиях. Биогеохимия 97, 123–140. doi: 10.1007/s10533-009-9361-5

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Райкрофт М. Дж., Харрисон Р.Г., Николл К.А. и Мареев Э.А. (2008). Обзор глобальной электрической цепи Земли и проводимости атмосферы. Космические науки. Ред. 137, 83–105. doi: 10.1007/s11214-008-9368-6

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Райкрофт, М. Дж., Исраэльссон, С., и Прайс, К. (2000). Глобальная атмосферная электрическая цепь, солнечная активность и изменение климата. Дж. Атмос. Сол. Терр. физ. 62, 1563–1576. doi: 10.1016/S1364-6826(00)00112-7

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Шмидхен К., Петри А.К., Дриссен С. и Бейли У.Х. (2018). Систематический обзор биологических эффектов воздействия статических электрических полей. Часть II: беспозвоночные и растения. Окружающая среда. Рез. 160, 60–76. doi: 10.1016/j.envres.2017.09.013

PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar

Шолефилд Д., Ле Гофф Т., Брейвен Дж., Эбдон Л., Лонг Т. и Батлер М. (2005). Согласованные суточные закономерности концентрации питательных веществ в реке и физических условий. Науч. Общая окружающая среда. 344, 201–210. doi: 10.1016/j.scitotenv.2005.02.014

PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar

Шефтель В. М., Чернышев А. К., Чернышева С. П. (1994). Электропроводность воздуха и электрическое поле атмосферы как индикатор антропогенного загрязнения атмосферы. Ж. Геофиз. Рез. Атмос. 99, 10793–10795. doi: 10.1029/94JD00287

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Смит Л., Ватцин М. К. и Друшель Г. (2011). Связь подвижности фосфора в отложениях с сезонными и дневными окислительно-восстановительными колебаниями на границе отложений и воды в эвтрофном пресноводном озере. Лимнол. океаногр. 56, 2251–2264. дои: 10.4319/lo.2011.56.6.2251

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Спенсер Р. Г., Пеллерин Б. А., Бергамаски Б. А., Даунинг Б. Д., Краус Т. Э., Смарт Д. Р. и др. (2007). Суточная изменчивость состава речного растворенного органического вещества, определенная оптическими измерениями in situ в реке Сан-Хоакин (Калифорния, США). Гидр. Процесс. 21, 3181–3189. doi: 10.1002/hyp.6887

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Стокдейл А., Дэвисон В. и Чжан Х. (2009 г.). Микромасштабная биогеохимическая неоднородность в отложениях: обзор доступных технологий и наблюдаемые данные. Науки о Земле. Ред. 92, 81–97. doi: 10.1016/j.earscirev.2008.11.003

CrossRef Full Text | Google Scholar

Токида Т., Миядзаки Т., Мидзогути М., Нагата О., Такакаи Ф., Кагемото А. и др. (2007). Падение атмосферного давления как триггер выброса метана из торфяников. Глоб. Биогеохим. Циклы 21, 1–8.

Академия Google

Traunspurger, W., Bergtold, M., and Goedkoop, W. (1997). Влияние нематод на бактериальную активность и численность в пресноводных отложениях. Экология 112, 118–122. doi: 10.1007/s004420050291

PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar

Vanreusel, A., Fonseca, G., Danovaro, R., Da Silva, M.C., Esteves, A.M., Ferrero, T. , et al. (2010). Вклад неоднородности глубоководной макросреды в глобальное разнообразие нематод. Мар. Экол. 31, 6–20. doi: 10.1111/j.1439-0485.2009.00352.x

CrossRef Full Text | Google Scholar

Vorenhout, M., van der Geest, HG, and Hunting, ER (2011). Усовершенствованный регистратор данных и новые датчики для непрерывных измерений окислительно-восстановительного потенциала в заболоченных местах. Междунар. Дж. Окружающая среда. Анальный. хим. 91, 801–810. doi: 10.1080/03067319.2010.535123

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Вада С.И. и Умегаки Ю. (2001). Распределение основных ионов и электрического потенциала в почве при электрокинетической реабилитации. Окружающая среда. науч. Технол. 35, 2151–2155. doi: 10.1021/es001335j

PubMed Abstract | Полный текст перекрестной ссылки | Google Scholar

Weerman, E.J., Van Der Geest, G.H., Van Der Meulen, MD, Manders, E.M., Van De Koppel, J., Herman, P.M., et al. (2011). Инфузории как инженеры фототрофных биопленок. Свежесть. биол. 56, 1358–1369. doi: 10.1111/j.1365-2427.2011.02574.x

CrossRef Полный текст | Google Scholar

Frontiers | От редакции: Атмосферное электричество

Атмосферное электричество связано с широким кругом дисциплин, включая глобальную атмосферную электрическую цепь (ГЭЦ), энергетическое излучение и электрификацию атмосферы, микрофизику аэрозолей и облаков, грозы, физику молнии, высокоэнергетические процессы, а также отношения к солнечно-земным явлениям и эволюции климата Земли и химии атмосферы. Исследования во многих областях атмосферного электричества быстро развиваются благодаря наземным, спутниковым и бортовым измерениям, лабораторным исследованиям в различных масштабах и химико-климатическому моделированию.

Солнечно-земные влияния исследуются в нескольких статьях. Чум и др. исследовал влияние солнечного ветра на вторичные космические лучи и атмосферное электричество. Связь между гелиосферным магнитным полем, атмосферным электрическим полем, грозовой активностью и вторичными космическими лучами исследуется с акцентом на вариации, связанные с вращением Солнца. Установлено, что колебания грозовой активности находятся в фазе и в противофазе с B _x и B _y компонентов гелиосферного/межпланетного магнитного поля, соответственно, в соответствии с предыдущими исследованиями. С другой стороны, 27-дневное вращение Солнца не было значительным в атмосферном электрическом поле, измеренном в Словакии и Чехии, и, следовательно, не было значительного влияния B _x и B _y на атмосферное электрическое поле. наблюдалось на этих среднеширотных станциях. Пилипенко и др. использовал данные и моделирование GLOCAEM для решения давней проблемы связи между возмущениями космической погоды и атмосферным электричеством. Модель предсказывает, что скорость возбуждения Е-моды магнитосферными возмущениями низка, так что только слабая Е _z отклик величиной ~несколько В/м будет вызван геомагнитными возмущениями ~100 нТл. Однако на высотах ~30 км преобладающим становится электрическое поле Е-моды. Бозоки и др. исследовать модуляцию солнечного цикла резонатора Земля-Ионосфера, который заключает в себе электромагнитное излучение постоянного тока молнии <100 Гц, явление, известное как резонансы Шумана. Показано, что для объяснения всех наблюдений необходимо учитывать влияние солнечного рентгеновского излучения и высыпаний энергичных электронов, поскольку они изменяют добротность полости в основном в высоких широтах.

Куо и др. экспериментально подтвердил, что матричный фотометр ISUAL (AP) измерил коэффициент эмиссии N ₂ 2P/1P и сравнил его с теоретически предсказанным коэффициентом эмиссии спрайтов, используя численные результаты для стримеров спрайтов. Отношения, измеренные AP в событиях гало спрайтов, согласуются с предсказанными отношениями для электрических полей головы стримера 3,7 E _k и 4,6 E _k , где E _k — электрическое поле пробоя. Большинство событий морковного спрайта инициировано на высоте 67,4 ± 7,6 км с меньшими расчетными электрическими полями 1~4 E _к . Ниже 60 км отношения, измеренные по AP, упали ниже прогнозируемого отношения ∼1 E _k .

Возмущения атмосферного электрического поля из-за крупных извержений вулканов, ядерных аварий, испытаний ядерного оружия и присутствия пустынной пыли в атмосфере рассматриваются в трех статьях. Се и др. использовать химико-климатическую модель, связанную с аэрозолем, для разработки новой глобальной модели электрической цепи. Их результаты показывают, что из-за циркуляции Брюера-Добсона существуют значительные сезонные колебания потери ионов из-за изменений в слое вулканического аэрозоля. В зимнем полушарии в высоких широтах сопротивление столба будет больше сопротивления столба в летнем полушарии. При вулканическом аэрозольном слое в фазе спада солнечной активности сопротивление столба было бы более чувствительным к флуктуациям потока электронов высыпающихся электронов от низких до средних энергий. Объединение этой модели с подмоделью глобальной цепи, включающей точное образование ионных пар за счет высыпания релятивистских электронов, могло бы прояснить связь между космической погодой и тропосферой. Кубицкий и др. проанализировать параметры атмосферного электричества, измеренные в Геофизической обсерватории в Свидере, Польша, во время крупных событий, приведших к выбросу значительного количества искусственных радиоактивных веществ в атмосферу Земли. А именно, испытания ядерного оружия 1958–1965, Чернобыльская катастрофа в 1986 г. и авария на Фукусиме в 2011 г. Mallios et al. изучали прилипание ионов к осаждающимся сферическим частицам пыли с использованием одномерной численной модели, которая оценивает приобретенный электрический заряд на частицах пыли и рассчитывает электрическую силу, действующую на них. Используя наблюдаемое распределение пыли по размерам, авторы обнаружили, что частицы приобретают заряд в диапазоне от 1 до 1000 элементарных зарядов в зависимости от их размера и плотности. Частицы становятся в основном отрицательно заряженными, но при определенных условиях частицы >100 μ m может быть положительным. Крупномасштабное электрическое поле может увеличиваться до 20 раз по сравнению со средними значениями хорошей погоды. Результаты показывают, что электрической силы недостаточно, чтобы существенно повлиять на гравитационное оседание частиц. Это указывает на то, что одного процесса присоединения ионов недостаточно для изменения динамики частиц, и указывает на необходимость включения трибоэлектрических эффектов и восходящих потоков, чтобы полностью представить влияние электричества на динамику частиц в модели.

Хантинг и др. теоретически оценить, как деревья изменяют окружающие их электрические поля, и эмпирически сравнить влияние деревьев на динамику градиента атмосферного потенциала, положительные ионы, уровень земли и электрохимические свойства почвы. Показано, что значительное увеличение градиента атмосферного потенциала лишь незначительно влияет на электрическое поле под кронами деревьев, а электрохимические свойства почвы связаны с временной динамикой положительных ионов вблизи приземной атмосферы. Деревья уменьшают временную изменчивость как концентрации положительных ионов на уровне земли, так и окислительно-восстановительного потенциала почвы. Результаты показывают, что дерево может изменять временную изменчивость атмосферного электрического поля у земли и электрохимию почвы, и поэтому возможно, что почвенные микроорганизмы, процессы и электрочувствительные организмы косвенно зависят от атмосферных электрических полей.

Tacza et al. представить измерения градиента потенциала с пяти удаленных станций в высоких широтах Южного и Северного полушария, чтобы свести к минимуму влияние местных эффектов. Они представляют первое описание новых наборов данных из Галлея, Антарктика, и Соданкюля, Финляндия, а также новые критерии для определения условий хорошей погоды на заснеженных участках. Показано, что скорость ветра всего 3 м/с может поднимать частицы снега, и что выбор места измерения является важным фактором при определении этой пороговой скорости ветра. Суточный и сезонный анализ градиента потенциала в условиях хорошей погоды показывает прекрасное совпадение с кривой Карнеги глобальной электрической цепи. Это показывает, что места в высоких широтах, в которых иногда присутствуют магнитные и солнечные влияния, также могут обеспечить глобальные репрезентативные измерения для глобальных исследований электрических цепей.

Rusz et al. использовать массив микробарометров с большой апертурой для расчета местоположения источников инфразвукового излучения от грозовых разрядов, используя временные задержки между быстрыми изменениями электростатического поля и приходом инфразвуковых сигналов. Для большинства проанализированных случаев расчетное местоположение источника инфразвука соответствует местоположению молнии, определенному европейской сетью обнаружения молний EUCLID. Метод позволяет рассчитать высоту источника инфразвука, которая обычно составляет ~3–5 км. Тритакис и др. создавали искусственные помехи, такие как стрельба из винтовок, работа двигателя автомобиля, автомобильное радио и тряска аппаратуры, рядом со станциями записи ELF, чтобы определить влияние таких радиочастотных помех на записи электромагнитных волн в диапазоне шумановского резонанса <100 Гц. Такие помехи имитируют антропогенные шумы от охотников, туристов и отдыхающих, которые могут возникать вблизи удаленных станций записи ELF. Работа может помочь разграничить искусственные сигналы, созданные в результате антропогенной деятельности, и естественные сигналы, связанные с геофизическими явлениями.

Вклад авторов

IM разработал идею темы исследования « Атмосферное электричество ». IM, MF, KK и EM являются участниками и редакторами темы исследования « Атмосферное электричество ». KK написал первый черновик этой редакционной статьи при редактировании и дополнительном вкладе IM, MF и EM. Все перечисленные авторы внесли существенный, непосредственный и интеллектуальный вклад в работу и одобрили ее для публикации.

Финансирование

Работа И.М. в СПбГУ «Лаборатория исследования озонового слоя и верхних слоев атмосферы» выполнена при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации по договору подряда №. 075-15-2021-583. Работа MF спонсировалась грантом Королевского общества (Великобритания) NMG/R1/180252 и Советом по исследованиям окружающей среды (Великобритания) в рамках грантов NE/L012669/1 и NE/H024921/1. Работа над проектом MF получила финансирование от исследовательской и инновационной программы Horizon 2020 Европейского Союза в рамках соглашения о гранте Марии Склодовской-Кюри 722337.

Конфликт интересов

Авторы заявляют, что исследование проводилось в отсутствие каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могли бы быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

Примечание издателя

Все утверждения, изложенные в этой статье, принадлежат исключительно авторам и не обязательно представляют претензии их дочерних организаций или издателя, редакторов и рецензентов. Любой продукт, который может быть оценен в этой статье, или претензии, которые могут быть сделаны его производителем, не гарантируются и не поддерживаются издателем.

Благодарности

Мы благодарим авторов статей, опубликованных в теме исследования « Атмосферное электричество », за их ценный вклад и рецензентов за важные обзоры. KK, IM и EM подтверждают действие COST CA15211 «ELECTRONET». IM выражает благодарность д-ру Евгению Розанову за помощь в организации темы исследования « Атмосферное электричество ». Эта тема исследования была реализована в сотрудничестве с доктором Светланой Дементьевой. IM выражает благодарность Рошану Пателю из редакции «Frontiers in Earth Science» за поддержку в процессе редактирования.

Ключевые слова: атмосферное электричество, глобальная электрическая цепь, магнитосфера-ионосфера-атмосфера, резонансы Шумана, микрофизика аэрозолей и облаков. Перед. наук о Земле. 10:853584. doi: 10.3389/feart.2022.853584

Поступила в редакцию: 12 января 2022 г.; Принято: 19 января 2022 г.;
Опубликовано: 09 февраля 2022 г.

Отредактировано и проверено:

Юцин Ван, Гавайский университет в Маноа, США

Copyright © 2022 Mironova , Füllekrug, Kourtidis and Mareev. Это статья с открытым доступом, распространяемая на условиях лицензии Creative Commons Attribution License (CC BY).