Резонанс Шумана

Резона́нсом Шу́мана називається явище появи стоячих електромагнітних хвиль низьких і наднизьких частот в атмосфері (між поверхнею Землі та іоносферою). Вперше було передбачене німецьким фізиком Вінфрідом Шуманом. Земля та її іоносфера — це гігантський сферичний резонатор, порожнина якого має низьку електропровідність. Якщо електромагнітна хвиля, що виникла в цьому середовищі, після огинання земної кулі знову збігається із власною фазою (входить в резонанс), то вона може існувати довгий час.

Електромагнітні коливання наднизької частоти, які виникать в резонансній порожнині між поверхнею Землі й іоносферою (резонанс Шумана).
Типовий спектр електромагнітних коливань наднизької частоти з резонансами Шумана. Пік на 50 Гц зумовлений частотою змінного струму у промисловій електромережі.
Типовий добовий хід частоти першої гармоніки резонансу Шумана.

Математична модель
Найпростіша модель сферичного об'ємного резонатора

Розглянемо об'ємний резонатор, що складається з двох концентричних електропровідних сфер[1]. Внутрішню сферу представляє поверхня Землі, а зовнішню — іонізований газ іоносфери, що на висоті близько 80 км над поверхнею землі.

Припустимо, що електромагнітна хвиля, n раз відбиваючись від поверхні Землі та іоносфери, огинає земну кулю. Якщо на шляху довкола Землі укладається ціле число відбивань, то виникає резонанс, і така хвиля може існувати тривалий час. Вважаючи, що хвиля поширюється зі швидкістю світла с = 300 000 км/с, а довжина екватора Землі становить L = 40 000 км, отримаємо частоту коливань, що дорівнює

Для перших п'яти гармонік ця формула дає ряд частот 7,5 — 15,0 — 22,5 — 30,0 — 37,5 ... Гц. Порівнюючи теоретичні частоти з частотами, отриманими експериментально (7,83 — 14,1 — 20,3 — 26,4 — 32,4 ... Гц), помітимо, що при хорошому збігу частоти першої гармоніки помилка з ростом n збільшується.

У своїй оригінальній роботі[2] Шуман проаналізував коливання, що виникають у сферичному об'ємному резонаторі. При цьому він враховував, що поверхня землі має постійну провідність близько σ = 10−3 См / м, а провідність іоносфери на висотах 70—90 км змінюється в межах σ = 10−5—10−3 См/м. Через це середня швидкість поширення електромагнітної хвилі V (σ) приблизно на 20% менше, ніж при відображенні від сфери з нескінченною провідністю. Для частоти n-ї гармоніки Шуман отримав

що для перших п'яти гармонік дає 8,5 — 14,7 — 20,8 — 26,8 — 32,9 Гц.

Причини виникнення хвиль

Існує декілька гіпотез виникнення електромагнітних хвиль у порожнечі Земля-іоносфера

«Грозова» гіпотеза

Розряди блискавки, як вважають, є первинним природним джерелом порушення резонансу Шумана. Блискавки виступають як величезні передавачі, які випромінюють електромагнітну енергію на частотах до 100 кГц.[3] Саме вони є причиною збудження електромагнітних коливань у широкому діапазоні частот. Це явище, на думку більшості фахівців, пояснює наявність стійких наднизькочастотних коливань, які майже не загасають і мають фіксовані частоти.

Характеристики

Після численних досліджень і повторних оглядів була точно визначена частота резонансу Шумана — 7,83 Гц. Через хвильові процеси плазми всередині Землі найбільш чітко спостерігаються піки на частотах приблизно 8, 14, 20, 26, 32 Гц. Для основної, найнижчої частоти, можливі варіації у межах — 1 Гц, але здебільшого протягом доби розкид резонансних частот зазвичай лежить у межах ± (0, — ,2) Гц. Спектральна щільність коливань становить 0,1 мВ/м.

Інтенсивність резонансних коливань та їх частот залежать від таких чинників.

  • Час доби. Уночі амплітуда резонансних хвиль менше у 5—10 разів через зменшення швидкості витрати води в Океанському конвеєрі, зменшення взаємних швидкостей петель ОК.
  • Пора року. Від пори року. У літні місяці (з травня по серпень в північній півкулі) частоти резонансів підвищуються[4]. У південній півкулі підвищення частот резонансів відбувається з листопада по лютий;
  • Місцезнаходження на земній кулі. Хвилі Шумана найбільш чітко виражені поблизу світових осередків гроз: Африка, Південна Америка, Індонезія, Індія (в місцях односпрямованих петель витрати води в ОК). У приполярних регіонах амплітудні піки на цих частотах вже не настільки виражені (мінімальна струмова складова вектора напруженості електричного поля Е). На полюсах максимальний вектор напруженості магнітного поля Н, вектор Е мінімальний, на екваторі навпаки.
  • Сонячна активність. Під час магнітних бур їх інтенсивність зростає на 15 %. Є випадки порушення частот в 12 500 Гц, що відповідає руху в ядрі Землі на глибині 3,6 км від центру ядра Землі.
  • Швидкість витрати води в ОК.
  • Фаза Місяця.
  • Період сонячної активності.

Історія досліджень

Уперше наявність стоячих електромагнітних хвиль та їхні частоти в системі «поверхня Землі — іоносфера» передбачив ірландський фізик Джордж Френсіс Фіцджеральд в 1893 році[5][6]. У 1900 році, скоріш за все незалежно, до подібного висновку прийшов Нікола Тесла, який запатентував в 1905 році своє відкриття[7]. Н. Тесла, проте, як видно, не знав про існування іоносферного шару і взагалі провідності атмосфери, тому розраховані ним частоти резонансів виявилися невірними[8].

Однак систематичне вивчення ефекту, що пізніше став відомий як «резонанс Шумана», почалося тільки через майже 50 років. Припущення про існування резонансу електромагнітних хвиль у просторі Земля — ​​іоносфера висловив професор Мюнхенського університету Вінфрід Отто Шуман в 1952 році[9]. Основні результати його досліджень були опубліковані ним у трьох статтях[10][11][12].

Перше беззаперечне експериментальне підтвердження наявності резонансів Шумана було зроблено в 1960 році[13]. Продовжив вивчення Вольфганг Людвіг, який проводив експерименти в відкритому морі і в підземних шахтах. В. Людвіг випустив книгу про резонанс Шумана «Інформативна медицина».

Труднощі в дослідженні хвиль Шумана обумовлені тим, що для їх прийому потрібна спеціальна надчутлива апаратура[14] і відповідне навколишнє оточення: навіть рух дерев, тварин або людей поруч з приймачем може вплинути на його показники[15].

У вересні 2011 р..[16] хвилі резонансу Шумана були зареєстровані на висоті до 850 км супутником C/NOFS. Раніше межею висоти таких хвиль вважались 100 км[17].

Розміщення станцій постійного спостереження за резонансом Шумана:

Згадки в популярній культурі
  • Резонанс Шумана грає важливу роль у поясненні технології в науково-фантастичному серіалі Експерименти Лейн.
  • В одному з сезонів X-Files у серії 3x03 (D.P.O.) агент Малдер згадує резонанс Шумана.

Примітки
  1. 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 Архівовано 4 березня 2016 у Wayback Machine.
  2. Schumann, W. O., Über die strahlungslosen Eigenschwingungen einer leitenden Kugel, die von einer Luftschicht und einer Ionosphärenhülle umgeben ist, Z. Naturforsch. 7a, 149, (1952)
  3. Volland, H. (1984). Atmospheric Electrodynamics. Springer-Verlag, Berlin.
  4. Grazyna Fosar and Franz Bludorf Transition to the age of frequencies Архівовано 29 червня 2014 у Wayback Machine.(англ.).
  5. G. F. FitzGerald, «On the period of vibration of electrical disturbances upon the Earth» Rep. Br. Assoc. Adv. Sc. 63, 682 (1893) [Abstract]
  6. «The period of vibration of disturbances of electrification of the earth» Nature 48, No. 1248, 526 (September 28, 1893)
  7. N. Tesla, U.S. Patent No. 787, 412 Архівовано 9 березня 2016 у Wayback Machine. (April 18, 1905)
  8. J. D. Jackson, Examples of the Zeroth Theorem of the History of Physics, Am. J. Phys, arXiv:0708.4249
  9. У деяких джерелах - в 1949 році.
  10. 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
  11. W.O. Schumann, Über die Dämpfung der elektromagnetischen Eigenschwingnugen des Systems Erde — Luft — Ionosphäre, Zeitschrift und Naturfirschung 7a, 1952, SS. 250—252
  12. W.O. Schumann, Über die Ausbreitung sehr Langer elektriseher Wellen um die Signale des Blitzes[недоступне посилання з листопадаа 2019], Nuovo Cimento 9, 1952, pp. 1116—1138. doi:10.1007/BF02782924
  13. B. P. Besser, «Synopsis of the historical development of Schumann resonances» Radio Science, 42, RS2S02 pp. 20 (2007).
  14. Schumann resonance Архівовано 6 грудня 2009 у Wayback Machine.(англ.)
  15. Well illustrated study from the University of Iowa Архівовано 11 жовтня 2009 у Wayback Machine.(англ.)
  16. Satellite observations of Schumann resonances in the Earth's ionosphere (англ.). 16 листопада 2011. Процитовано 30 листопада 2011.
  17. Учёные открыли утечку волн от молний в космос (рос.). 30 ноября 2011. Архів оригіналу за 9 лютого 2012. Процитовано 30 листопада 2011.
This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.