مؤسسه ژئوفیزیک دانشگاه تهران فیزیک زمین و فضا 2538-371X 52 2 2026 09 05 Modeling of global atmospheric electric circuit based on WWLLN dataset مدل‌سازی مدار الکتریکی جهانی جوّ با استفاده از داده‌های WWLLN 335 353 107916 10.22059/jesphys.2026.409821.1007754 FA جعفر برهانیان گروه فیزیک، دانشکده علوم، دانشگاه محقق اردبیلی، اردبیل، ایران. 0000-0003-2557-0483 Journal Article 2026 01 28 A model of the global atmospheric electric circuit has been presented that is based on more realistic and up-to-date data and models for current generators and atmospheric conductivity. The World Wide Lightning Location Network data has been employed to estimate distribution of thunderstorms as the main sources of electric current in global electric circuit by means of the clustering approach. Thunderstorm clusters are combined with aircraft observations of electrified clouds to determine the contribution of thunderstorm and shower clouds in total conduction (Wilson) currents. The electrical conductivity of atmosphere results from the concentration of small ions in air and varies with height, because of the ion sources, e.g. cosmic rays, radon isotopes and terrestrial radioactivity, and the primary sink, e.g. aerosol particles of height profile. The CRAC: CRII, that is one of the most commonly used atmospheric ionization models, is employed to calculate the cosmic rays induced ionization rate; and radioactivity induced ionization rate is determined using an exponential vertical profile combined with an up-to-date data for surface Radon 222 ionization rate, as the main source of ionization agent in atmospheric boundary layer. Considering the aerosol particles to be monodispersed, the variation with height is represented by an exponential vertical profile. Based on these models and considering simple and well-known models for ion-aerosol attachment coefficients and ions mobility, the 3-dimentioal distribution of the atmospheric conductivity is calculated. It is found that near the earth surface the conductivity profile resembles radioactivity induced ionization rate, while at higher altitudes it looks like the cosmic rays counterpart. From the air conductivity profile, the columnar resistance, namely the resistance of a unit area column of atmosphere from the orographic surface to the ionosphere, is found and shown that the major contribution to the columnar resistance is the resistance of the boundary layer, where the ion production rate is relatively small and the loss rate is large. Total atmospheric resistance is the total resistance of all the column resistances summed in parallel over the world, taking into account the change with latitude of the area of each grid element. Production of total resistance and total conduction current gives us ionosphere’s electric potential, while electric potential at the surface of the earth is assumed to be zero. The global distribution of the downward air-earth current density which is independent of altitude, while affected by the orography and geographical coordinates via columnar resistance, is calculated and it is found that current density above land is larger than that of above sea. As the columnar resistance on high mountains is smaller, more air–earth current flows over those areas of the earth than others, in general. Atmospheric electric field, as one of the most studied elements of the global electric circuit, related to the local electrical conductivity and current density, is evaluated using Ohm’s law and its global distribution at different altitudes is presented. The model described in the present research is validated by comparing the global diurnal variations of the electric field with the well-known Carnegie Curve, which represents the mean diurnal variability of the global electric circuit. The model confirms that the global atmospheric electric activity peaks daily at ~20 UTC and it is found that the overall variation of electric fields at 3 positions are the same and similar to that of the Carnegie curve. مدلی از مدار الکتریکی جهانی جوّ ارائه شده است که مبتنی بر مدل‌ها و داده‌های به‌روزتر و واقعی‌تر برای رسانش الکتریکی جوّ و مولدهای جریان است. داده‌های مربوط به شبکه جهانی تعیین مکان آذرخش‌ها به کار گرفته شده است تا توزیع جهانی ابرهای تندری با استفاده از روش خوشه‌بندی تعیین شود. سپس با ترکیب این خوشه‌ها با نتایج آزمایش‌های انجام یافته بر فراز ابرهای بار‌دار، جریان کل شارش‌یافته از ابرهای تندری و رگباری به طرف یونسفر (جریان ویلسون) محاسبه شده است. به‌کمک مدل CRAC:CRII برای یونیزاسیون جوّ به‌وسیله پرتوهای کیهانی و داده‌های به‌روز برای یونیزاسیون حاصل از مواد رادیواکتیو، نرخ یونیزاسیون جوّ مشخص و به‌کمک مدل‌های ساده برای ضرایب چسبندگی یون‌ها به هواویزها و توزیع فضایی هواویزها، توزیع سه‌بعدی برای رسانندگی جوّ محاسبه شده است. با داشتن رسانندگی، مقاومت ستونی جوّ که به‌صورت مقاومت ستونی به ارتفاع یونسفر و مساحت سطح مقطع واحد تعریف می‌شود محاسبه و از روی آن مقاومت کل جوّ زمین تعیین شده است. با فرض پتانسیل صفر برای سطح زمین از حاصل‌ضرب مقاومت کل در جریان ویلسون پتانسیل یونسفر مشخص شده است. چگالی جریان الکتریکی رو به پایین که مستقل از ارتفاع بوده و به‌ واسطه مقاومت ستونیکه وابسته به پستی و بلندی زمین و مختصات جغرافیایی است، محاسبه شده است. با استفاده از قانون اهم توزیع جهانی میدان الکتریکی در ارتفاعات مختلف تعیین و به‌منظور محک‌زدن مدل ارائه‌شده، تغییرات روزانه میدان الکتریکی در چندین نقطه با منحنی کارنِگی مقایسه شده است. https://jesphys.ut.ac.ir/article_107916_e3f73cb2590ba7f91da928e232804eb1.pdf