- Резонанс Шумана
-
Электромагнитные колебания сверхнизкой частоты, возникающие в резонансной полости между поверхностью земли и ионосферой (резонанс Шумана)
Типичный спектр электромагнитных колебаний сверхнизкой частоты с резонансами Шумана
Типичный суточный ход частоты первой гармоники резонанса ШуманаРезона́нсом Шу́мана называется явление образования стоячих электромагнитных волн низких и сверхнизких частот между поверхностью Земли и ионосферой.
Земля и её ионосфера — это гигантский сферический резонатор, полость которого заполнена слабоэлектропроводящей средой. Если возникшая в этой среде электромагнитная волна после огибания земного шара снова совпадает с собственной фазой (входит в резонанс), то она может существовать долгое время.
Содержание
Математическая модель
Простейшая модель сферического объёмного резонатораРассмотрим объёмный резонатор, состоящий из двух концентрических проводящих сфер[1]. Внутренняя сфера представляет собой поверхность Земли, а внешняя — ионизированный газ ионосферы, находящийся на высоте около 80 км над землёй.
Предположим, что электромагнитная волна, n раз отражаясь попеременно от поверхности Земли и ионосферы, огибает земной шар. Если на окружности Земли укладывается целое число отражений, то возникает резонанс, и такая волна может существовать продолжительное время. Считая, что волна распространяется со скоростью света с = 300 000 км/с, а окружность Земли составляет L = 40 000 км, получим частоту колебаний, равную
Для первых пяти гармоник эта формула даёт ряд частот 7,5 — 15,0 — 22,5 — 30,0 — 37,5 … Гц. Сравнивая теоретические частоты с частотами, полученными экспериментально (7,83 — 14,1 — 20,3 — 26,4 — 32,4 … Гц), заметим, что при хорошем совпадении частоты первой гармоники ошибка с ростом n увеличивается.
В своей оригинальной работе[2] Шуман проанализировал колебания, возникающие в сферическом объёмном резонаторе. При этом он учитывал, что поверхность земли имеет постоянную проводимость около σ = 10−3 См/м, а проводимость ионосферы на высотах 70-90 км меняется в пределах σ = 10−5—10−3 См/м. Из-за этого средняя скорость распространения электромагнитной волны V(σ) примерно на 20 % меньше, чем при отражении от сферы с бесконечной проводимостью. Для частоты n-й гармоники Шуман получил
что для первых пяти гармоник даёт 8,5 — 14,7 — 20,8 — 26,8 — 32,9 Гц.
Причины возникновения волн
Существует несколько гипотез возникновения электромагнитных волн в полости Земля-ионосфера.
«Грозовая» гипотеза
Разряды молнии, как полагают, являются первичным естественным источником возбуждения резонанса Шумана. Молнии ведут себя как огромные передатчики, которые излучают электромагнитную энергию на частотах около 100 кГц.[3] Они-то и являются причиной возбуждения электромагнитных колебаний в широком диапазоне частот. Данным явлением и объясняется, по мнению большинства специалистов, наличие устойчивых сверхнизкочастотных колебаний, которые практически не затухают и имеют фиксированные частоты.
Характеристики
После многочисленных исследований и перепроверок была точно определена частота резонанса Шумана — 7,83 Гц. Из-за волновых процессов плазмы внутри Земли наиболее чётко наблюдаются пики на частотах примерно 8, 14, 20, 26, 32 Гц. Для основной, самой низкой частоты, возможны вариации в пределах 7—11 Гц, но большей частью в течение суток разброс резонансных частот обычно лежит в пределах ±(0,1—0,2) Гц. Спектральная плотность колебаний составляет 0,1 мВ/м.
Интенсивности резонансных колебаний и их частоты зависят:
- От времени суток. Ночью амплитуда резонансных волн меньше в 5—10 раз, из-за уменьшения скорости расхода воды в океанском конвейере (ОК), уменьшения взаимных скоростей петель ОК;
- От времени года. В летние месяцы (с мая по август в северном полушарии) частоты резонансов повышаются[4]. В южном полушарии повышение частот резонансов происходит с ноября по февраль;
- От местонахождения на земном шаре. Волны Шумана наиболее отчетливо выражены вблизи мировых очагов гроз: Африка, Южная Америка, Индонезия, Индия (в местах однонаправленных петель расхода воды в ОК). В приполярных регионах амплитудные пики на этих частотах уже не столь выражены (минимальная токовая составляющая вектора напряженности электрического поля Е). На полюсах максимален вектор напряженности магнитного поля Н, вектор Е минимален, на экваторе наоборот;
- От солнечной активности. Во время магнитных бурь их интенсивность возрастает на 15 %. Есть случаи возбуждения частот в 12 500 Гц, что соответствует движению ядра Земли на глубине 3,6 км от центра ядра Земли;
- От скорости расхода воды в ОК;
- Фаз луны;
- Периодов солнечной активности.
История исследований
Впервые эффект стоячих волн был обнаружен и проанализирован Николой Тесла. Спустя пять с лишним десятилетий этот эффект был подробно исследован для случая ионосферы и позднее стал известен как «резонанс Шумана». Предположение о существовании резонанса электромагнитных волн в пространстве Земля-ионосфера высказал профессор Мюнхенского университета В.О. Шуман в 1952 году[5]. Какого-либо значения этому предположению он не придал, но опубликовал о нём три статьи[6][7][8]. Ознакомившись с ними, врач Герберт Кёниг (Herbert König) обратил внимание на совпадение частоты волны, рассчитанной Шуманом, с диапазоном альфа-волн человеческого мозга. Он связался с Шуманом и они продолжили исследования. В том же 1952 году они экспериментально подтвердили существование таких естественных резонансов.
Продолжил изучение Вольфган Людвиг, проводивший эксперименты в открытом море и в подземных шахтах. В. Людвиг выпустил книгу о резонансе Шумана «Информативная медицина».[9]
Затруднения в исследовании волн Шумана обусловлены тем, что для их приёма требуется специальная очень чувствительная аппаратура[10] и соответствующая окружающая обстановка: даже движение деревьев, животных или людей рядом с приёмником может повлиять на его показания[11].
В сентябре 2011 г. [12] волны резонанса Шумана были зарегистрированы на высоте до 850 км спутником C/NOFS. Ранее ограничением высоты таких волн считалось 100 км. [13]
Станции для постоянного наблюдения за резонансом Шумана располагаются:
- Россия, г. Томск, Томский государственный университет. Данные на сайте обновляются каждые два часа;
- Словакия, г. Модра, геофизическая обсерватория.
Упоминания
- Резонанс Шумана играет важную роль в объяснении технологии в научно-фантастическом сериале Эксперименты Лэйн.
- В одном из сезонов X-Files в серии 3x03(D.P.O.) агент Малдер упоминает резонанс Шумана.
Примечания
- ↑ Kristian Schlegel, Martin Füllekrug: Weltweite Ortung von Blitzen: 50 Jahre Schumann-Resonanzen. Physik in unserer Zeit 33(6), S. 256—261 (2002), ISSN 0031-9252. Английский перевод: 50 Years of Schumann Resonance
- ↑ Schumann, W.O., Über die strahlungslosen Eigenschwingungen einer leitenden Kugel, die von einer Luftschicht und einer Ionosphärenhülle umgeben ist, Z. Naturforsch. 7a, 149, (1952)
- ↑ Volland, H. Atmospheric Electrodynamics. — Springer-Verlag, Berlin, 1984.
- ↑ Grazyna Fosar and Franz Bludorf Transition to the age of frequencies (англ.).
- ↑ В некоторых источниках — в 1949 году.
- ↑ W.O. Schumann, Über die strahlungslosen Eigenschwingungen einer leitenden Kugel, die von einer Luftschicht und einer Ionosphärenhülle umgeben ist, Zeitschrift und Naturfirschung 7a, 1952, SS. 149–154
- ↑ W.O. Schumann, Über die Dämpfung der elektromagnetischen Eigenschwingnugen des Systems Erde – Luft – Ionosphäre, Zeitschrift und Naturfirschung 7a, 1952, SS. 250–252
- ↑ W.O. Schumann, Über die Ausbreitung sehr Langer elektriseher Wellen um die Signale des Blitzes, Nuovo Cimento 9, 1952, pp. 1116–1138. doi:10.1007/BF02782924
- ↑ Резонанс Шумана (англ.)
- ↑ Schumann resonance (англ.)
- ↑ Well illustrated study from the University of Iowa (англ.)
- ↑ Satellite observations of Schumann resonances in the Earth's ionosphere (англ.) (16 November 2011). Проверено 30 ноября 2011.
- ↑ Учёные открыли утечку волн от молний в космос (рус.) (30 ноября 2011). Архивировано из первоисточника 9 февраля 2012. Проверено 30 ноября 2011.
См. также
Zaubergesänge der Erde (нем.): звуковые записи элементарного резонанса Шумана, грозы и электросмога.
Категории:- Электродинамика
- Магнитное поле Земли
Wikimedia Foundation. 2010.
