Русская Википедия:Резонанс Шумана
Резона́нсом Шу́мана называется явление образования стоячих электромагнитных волн сверхнизких частот (единицы и десятки герц) между поверхностью Земли и ионосферой. Явление теоретически обосновано и экспериментально обнаружено немецким физиком В. О. Шуманом в 1952—1954 годах.
Стоячие волны возникают в волноводе, образованном поверхностью Земли и её ионосферой. Для электромагнитных волн они представляют собой 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
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
- <math>f_n = \frac{cn}{L} \approx 7{,}5 n \text{ Гц}.</math>
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] Винфрид Отто 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
- <math>f_n = \frac{V(\sigma)}{L}\sqrt{n(n + 1)} \approx 6{,}0 \sqrt{n(n + 1)} \text{ Гц},</math>
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 «поверхность Земли — ионосфера».
Согласно «грозовой» гипотезе, первичным естественным источником возбуждения резонанса Шумана являются разряды молнии. Молнии ведут себя как огромные передатчики, которые излучают электромагнитную энергию на частотах ниже 100 кГц[3]. Именно они становятся 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.
На Земле ежесекундно происходит примерно 2000 грозовых бурь, сопровождающихся приблизительно 50 вспышками молний. Каждая молния генерирует электромагнитные волны, которые начинают вращаться вокруг планеты, оказываются в «ловушке» между поверхностью Земли и ионосферой на высоте около 96 километров. Некоторые из этих волн, если их длина соответствует определенным условиям, сливаются, усиливаясь и создавая регулярные атмосферные пульсации, известные как резонанс Шумана. Этот резонанс является ценным инструментом для анализа погоды, электрической обстановки и химического состава атмосферы Земли[4].
Для достижения резонанса требуется, чтобы длина этих волн была кратна длине окружности Земли. Таким образом, получается крайне низкочастотная волна, достигающая частоты около 8 Гц — примерно в сто тысяч раз ниже частот используемого для радиовещания диапазона средних волн. Когда эти волны охватывают Землю, гребни и впадины совпадают в оптимальной точке, создавая особый эффект[4].
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]. Тесла охарактеризовал Землю как резонансный контур, и был недалёк от истины — по его подсчётам, резонанс составлял 6,18—30 Гц[8] (эти значения довольно близки к полученным экспериментально 7,83—32,4 Гц). Английский физик Оливер Хэвисайд предположил наличие ионизированного слоя в атмосфере ещё в 1902 году.
В 1952 году В. О. Шуман, в то время возглавлявший Институт электрофизики Мюнхенского технического университета (Шаблон:Lang-en), опубликовал первую свою статью об электромагнитных волнах в волноводе, сформированном земной поверхностью и ионосферой. После этой публикации началось активное изучение того, что впоследствии назвали «резонансом Шумана»Шаблон:Sfn.
Теоретическое обоснование явления описано им в трёх статьях:
- 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 BlitzesШаблон:Недоступная ссылка, Nuovo Cimento 9, 1952, pp. 1116—1138. doi:10.1007/BF02782924
В 1954 году Шуман и Х. Кёниг (Шаблон:Lang-de) опубликовали работу с результатами своих измерений этих резонансных колебанийШаблон:Sfn.
Первое бесспорное (независимое) экспериментальное подтверждение наличия резонансов Шумана было получено в 1960 году[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].
Интерес к резонансу Шумана возродился в 1990-х годах, с появлением более совершенной аппаратурыШаблон:Sfn.
В сентябре 2011 года волны резонанса Шумана были зарегистрированы на высоте до 850 км спутником C/NOFS[12] (ранее ограничением высоты таких волн считалось 100 км)[13].
Основные станции наблюдения за резонансными волнами ШуманаШаблон:Sfn:
- станция Томского государственного университета (Россия, Томск)Шаблон:Sfn;
- станция Модрской обсерватории, (Словакия, Модра);
- станция Лехта (Россия);
- станция West Greenwich (США);
- станция Hollister и Parkfield (США);
- станция Moshiri (Япония);
- станция Мартовая (Украина);
- станция Университета Янины (Греция);
- станция Nagucenk (Венгрия);
- станция Mitzpe Ramon (Израиль);
- полярные станции.
Примечания
Литература
Ссылки
- Zaubergesänge der ErdeШаблон:Ref-de: звуковые записи элементарного резонанса Шумана, грозы и электросмога.
- Шаблон:Cite web
- Шаблон:Публикация
Шаблон:Публикация
- ↑ Kristian Schlegel, Martin Füllekrug: Weltweite Ortung von Blitzen: 50 Jahre Schumann-Resonanzen. Physik in unserer Zeit 33(6), S. 256—261 (2002), Шаблон:ISSN. Английский перевод: 50 Years of Schumann Resonance Шаблон:Wayback
- ↑ Schumann, W. O., Über die strahlungslosen Eigenschwingungen einer leitenden Kugel, die von einer Luftschicht und einer Ionosphärenhülle umgeben ist, Z. Naturforsch. 7a, 149, (1952)
- ↑ Шаблон:Книга
- ↑ 4,0 4,1 Шаблон:Cite web
- ↑ FitzGerald G. F. On the period of vibration of electrical disturbances upon the Earth // Rep. Br. Assoc. Adv. Sc. 63, 682 (1893) [Abstract].
- ↑ The period of vibration of disturbances of electrification of the earth // Nature 48, No. 1248, 526 (September 28, 1893).
- ↑ N. Tesla, U.S. Patent No. 787, 412 Шаблон:Wayback (April 18, 1905)
- ↑ Шаблон:Книга
- ↑ B. P. Besser, «Synopsis of the historical development of Schumann resonances» Radio Science, 42, RS2S02 pp. 20 (2007).
- ↑ Schumann resonance Шаблон:WaybackШаблон:Ref-en
- ↑ Well illustrated study from the University of Iowa Шаблон:WaybackШаблон:Ref-en
- ↑ Шаблон:Cite web
- ↑ Шаблон:Cite web
