Ως Παγκόσμιο Ηλεκτρικό Κύκλωμα ορίζεται το ηλεκτρικό κύκλωμα που σχηματίζεται μεταξύ της επιφάνειας της Γης, που είναι καλός αγωγός του στατικού ηλεκτρισμού, και των κατώτερων στρωμάτων της Ιονόσφαιρας, που είναι ασθενώς ιονισμένο πλάσμα σε υψόμετρο ~ 80 χλμ [Rycroft et al. Space Sci. Rev., 2008]. Ο σφαιρικός αυτός πυκνωτής διατηρεί στους οπλισμούς του (Γη και Ιονόσφαιρα) μέση διαφορά δυναμικού της τάξης των 250 kV. Η ατμόσφαιρα που υπάρχει μεταξύ των οπλισμών του πυκνωτή, είναι καλός αγωγός του ηλεκτρισμού και η αγωγιμότητα της αυξάνει με το ύψος. Η ύπαρξη της αγωγιμότητας οφείλεται, κατά κύριο λόγο, στον ιονισμό των ουδέτερων στοιχείων της ατμόσφαιρας από γαλαξιακές κοσμικές ακτίνες, και συνεπώς στην ύπαρξη θετικών και αρνητικών ιόντων. Εξαιτίας της διαφοράς δυναμικού και της αγωγιμότητας της ατμόσφαιρας, ηλεκτρικό ρεύμα διαρρέει το κύκλωμα, το οποίο ολοκληρούμενο ως προς τη συνολική επιφάνεια της Γης είναι της τάξης του 1 kA. Για τη διατήρηση ενός τέτοιου δυναμικού και συνεπώς τη συνεχή ροή του ηλεκτρικού ρεύματος σε παγκόσμια κλίμακα, είναι απαραίτητη η δράση τριών ηλεκτροκινητικών δυνάμεων: (α). Καταιγίδες | Καταιγιδοφόρα νέφη, (β). Αλληλεπίδραση μεταξύ Ηλιακού Ανέμου και Γήινης Μαγνητόσφαιρας και (γ). το φαινόμενο του Δυναμό που δημιουργείται εξαιτίας των ατμοσφαιρικών παλιρροιών. Με βάση όλα τα παραπάνω, είναι εμφανές ότι μια τόσο δυναμική δομή όπως η γήινη ατμόσφαιρα είναι ισχυρώς ηλεκτρισμένη, με ηλεκτρικές ιδιότητες που δύνανται να επηρεάσουν οποιοδήποτε φαινόμενο λαμβάνει χώρα εντός αυτής.

Οι ηλεκτρικές διεργασίες μπορούν να αποτελέσουν πιθανό παράγοντα-κλειδί στον κύκλο ζωής της σκόνης της ερήμου. Τα σωματίδια σκόνης μπορούν να φορτιστούν κατά τη μεταφορά τους, είτε με την προσάρτηση ατμοσφαιρικών ιόντων είτε με συγκρούσεις σωματιδίων σε σωματίδια (τριβοηλεκτρικό φαινόμενο). Οι μετρήσεις δείχνουν ότι, κατά μέσο όρο, μεγαλύτερα σωματίδια φορτίζονται θετικά ενώ τα μικρότερα φορτίζονται αρνητικά [Zhao, H. L., J. Electrostat, 55, 2002; Lacks, D.J., et al., Phys. Rev. Lett., 100, 188305, 2008; Merrison, J.P., Aeolian Res., 4, 2012; Shinbrot, Τ. and Herrmann, H.J., Nature, 451, 2008]. Κατά τη μεταφορά σκόνης, τα μεγαλύτερα και κυρίως θετικά φορτισμένα σωματίδια διαχωρίζονται από τα μικρότερα αρνητικά φορτισμένα σωματίδια λόγω της βαρυτικής καθίζησης, η οποία ταξινομεί τα σωματίδια σκόνης κατά μέγεθος. Αυτή η διαδικασία αναπτύσσει κατακόρυφα ηλεκτρικά πεδία μέσα στο νέφος σκόνης, ενισχύοντας το προϋπάρχον πεδίο λόγω της εξάντλησης της ατμοσφαιρικής αγωγιμότητας από την παρουσία του στρώματος σκόνης [Gringel W. and Mulheisen. R., Beitr. Phys. Atmos., 51, 121–8, 1978]. Ανάλογα με την αντοχή του, το συνολικό ηλεκτρικό πεδίο μέσα στο νέφος σκόνης μπορεί: (α) να αντισταθμίσει τη βαρυτική καθίζηση μεγάλων σωματιδίων και (β) να προκαλέσει προτιμησιακό προσανατολισμό των μη σφαιρικών σωματιδίων κατά την κατακόρυφη κατεύθυνση που επηρεάζει την αεροδυναμική των σωματιδίων [Ulanowski, Z ., et al., Atmos. Chem. Phys., 7, 2007]. Επομένως, οι ηλεκτρικές διεργασίες μπορεί να αλλάξουν τις διαδικασίες απομάκρυνσης της σκόνης, και συνεπώς την εξέλιξη του μεγέθους των σωματιδίων κατά τη μεταφορά, επηρεάζοντας τις αλληλεπιδράσεις σκόνης-ακτινοβολίας-νέφους και τη σχετική ποιότητα αέρα [Sajani S.Z., et al., Occup. Envirom. Med., 68 (6), 2011], μοντελοποίηση καιρού και κλίματος [Mahowald, Ν., Et al., Aeolian Res., 15, 2014].

Σε αυτό το έργο, θα αναπτύξουμε ένα νέο μοντέλο 3D Cartesian που εξαρτάται από το χρόνο και θα λαμβάνει υπόψη αρκετές ατμοσφαιρικές διεργασίες, όπως: (i) τον ιονισμό λόγω της ακτινοβολίας γαλαξιακών κοσμικών ακτίνων, (ii) τον ανασυνδυασμό ιόντων-ιόντων και (iii) την προσάρτηση ιόντων σε σωματίδια μη σφαιρικής σκόνης. Το μοντέλο θα μπορεί να υπολογίζει με συνέπεια τη δυναμική του χρόνου της ατμοσφαιρικής αγωγιμότητας και του ατμοσφαιρικού ηλεκτρικού πεδίου, υπό την παρουσία διανομής στατικών μη σφαιρικών σωματιδίων σκόνης. Επιπλέον, η συνολική πυκνότητα φορτίου, το φορτίο σωματιδίων σκόνης και ο προσανατολισμός σωματιδίων σκόνης θα ποσοτικοποιηθούν επίσης. Ο νέος τρισδιάστατος φορμαλισμός ηλεκτροδότησης επιτρέπει τη μελέτη των στρωμάτων σκόνης χωρίς να επιβάλλει συμμετρία και ισχύει για στρώματα με οριζόντια και κάθετη έκταση, σε αντίθεση με τα μοντέλα 1D που ισχύουν όταν η οριζόντια επέκταση είναι πολύ μεγαλύτερη από την κατακόρυφη, ή 2D μοντέλα που έχουν συμμετρία στο σχήμα του στρώματος σκόνης.

Τα αποτελέσματα συγκρίνονται, στην περιοριστική περίπτωση ότι η οριζόντια έκταση είναι πολύ μεγαλύτερη από την κατακόρυφη, με εκείνα που λαμβάνονται από μοντέλα 1D που βρέθηκαν στην προηγούμενη βιβλιογραφία [π.χ. Zhou, L., Tinsley, B.A., Adv. Space Res. 50, 2012]. Επιπλέον, η επίδραση της μελετημένης διαδικασίας ηλεκτροδότησης πρέπει να προσεγγιστεί μέσω σύγκρισης με πρόσφατες και μοναδικές μετρήσεις ηλεκτρικού πεδίου σε στρώματα σκόνης, όπως γίνεται με τη χρήση νέων αισθητήρων ατμοσφαιρικής ηλεκτρικής ενέργειας χαμηλού κόστους σε μια πειραματική εκστρατεία του έργου D-TECT ERC , στην Κύπρο το Νοέμβριο του 2019.