Резонанс Шумана

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Это старая версия этой страницы, сохранённая 95.140.92.49 (обсуждение) в 09:24, 14 декабря 2013 (→История исследований: Опечатка в имени Теслы). Она может серьёзно отличаться от текущей версии.
Перейти к навигации Перейти к поиску
Отпатрулированная версия этой страницы, проверенная 14 декабря 2013, была основана на этой версии.
Анимация резонанса Шумана в атмосфере Земли
Электромагнитные колебания сверхнизкой частоты, возникающие в резонансной полости между поверхностью земли и ионосферой (резонанс Шумана).
Типичный спектр электромагнитных колебаний сверхнизкой частоты с резонансами Шумана. Пик на 50 Гц обусловлен частотой переменного тока в промышленной электросети
Типичный суточный ход частоты первой гармоники резонанса Шумана

Резона́нсом 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.

Математическая модель

Простейшая модель сферического объёмного резонатора

Рассмотрим 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 в ядре Земли на глубине 3,6 км от центра ядра Земли;
  • От скорости расхода воды в ОК;
  • Фаз луны;
  • Периодов солнечной активности.

История исследований

Впервые наличие стоячих электромагнитных волн и их частоты в системе «поверхность Земли — ионосфера» было предсказано ирландским физиком Дж. Ф. Фицджеральдом в 1893 году[5][6]. В 1900 году, по всей видимости независимо, к схожему выводу пришёл Никола Тесла, запатентовавший в 1905 году своё открытие[7]. Н. Тесла, однако, по всей видимости, не знал о существовании ионосферного слоя и вообще проводимости атмосферы, поэтому рассчитанные им частоты резонансов оказались неверными[8].

Однако систематическое изучение эффекта, позднее ставшего известного как «резонанс Шумана», началось только спустя почти 50 лет. Предположение о существовании резонанса электромагнитных волн в пространстве Земля — ионосфера высказал профессор Мюнхенского университета В. О. Шуман в 1952 году[9]. Основные результаты его исследований были опубликованы им в трёх статьях[10][11][12].

Первое бесспорное экспериментальное подтверждение наличия резонансов Шумана было сделано в 1960 году[13].

Продолжил изучение Вольфганг Людвиг, проводивший эксперименты в открытом море и в подземных шахтах. В. Людвиг выпустил книгу о резонансе Шумана «Информативная медицина».

Затруднения в исследовании волн Шумана обусловлены тем, что для их приёма требуется специальная очень чувствительная аппаратура[14] и соответствующая окружающая обстановка: даже движение деревьев, животных или людей рядом с приёмником может повлиять на его показания[15].

В сентябре 2011 г.[16] волны резонанса Шумана были зарегистрированы на высоте до 850 км спутником C/NOFS. Ранее ограничением высоты таких волн считалось 100 км.[17]

Станции для постоянного наблюдения за резонансом Шумана располагаются:

Упоминания в популярной культуре

  • 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

  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
  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. Atmospheric Electrodynamics. — Springer-Verlag, Berlin, 1984.
  4. ↑ Grazyna Fosar and Franz Bludorf Transition to the age of frequencies (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 (April 18, 1905)
  8. ↑ J. D. Jackson, Examples of the Zeroth Theorem of the History of Physics, Am. J. Phys, arXiv:0708.4249
  9. ↑ В некоторых источниках — в 1949 году.
  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, 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 (англ.)
  15. ↑ Well illustrated study from the University of Iowa (англ.)
  16. ↑ Satellite observations of Schumann resonances in the Earth's ionosphere (англ.) (16 ноября 2011). Дата обращения: 30 ноября 2011.
  17. ↑ Учёные открыли утечку волн от молний в космос (30 ноября 2011). Дата обращения: 30 ноября 2011. Архивировано 9 февраля 2012 года.

См. также

Zaubergesänge der Erde (нем.): звуковые записи элементарного резонанса Шумана, грозы и электросмога.

Источник — https://ru.wikipedia.org/ruwiki/w/index.php?title=Резонанс_Шумана&oldid=60092156