Резонанс Шумана

Первые три режима резонанса Шумана

Резона́нс Шу́мана — явление резонанса природных электромагнитных волн в замкнутом волноводе, который формируется земной поверхностью и нижними слоями ионосферы. Это явление было теоретически предсказано немецким физиком Вильфридом Отто Шуманом в 1952 году и позднее экспериментально подтверждено им и его коллегами. Сигналы резонанса Шумана не представляют собой независимые сигналы особой природы, создаваемые каким-либо специфическим источником. Это всего лишь сигналы, выделяющиеся из общего природного сверхнизкочастотного электромагнитного шума, который в основном (хотя и не исключительно) вызван атмосферными электрическими разрядами.

Математическая модель

Для понимания математической модели важно рассмотреть граничные условия полости Земля-ионосфера. Верхняя граница этой полости определяется ионосферой, которая отражает электромагнитные волны, а нижняя — поверхностью Земли. В пределах этих границ электромагнитные волны распространяются как стоячие волны, непрерывно резонируя на определённых частотах. Математическая модель, объясняющая это явление, опирается на уравнения Максвелла, которые описывают поведение электромагнитных полей. Решая эти уравнения с учётом заданных граничных условий, учёные могут определить основные резонансные частоты и соответствующие распределения поля. Наиболее заметным режимом считается фундаментальный резонанс Шумана, при котором волновая картина достигает максимальной амплитуды на поверхности Земли.

Между поверхностью Земли и ионосферой расположены несколько слоёв атмосферы, каждый из которых обладает уникальными характеристиками. Эти слои, начиная от поверхности, включают тропосферу, стратосферу, мезосферу и термосферу. Знание о различных слоях атмосферы, их составе и компонентах, находящихся между земной поверхностью и ионосферой, важно для изучения погодных явлений, климатических изменений, качества воздуха, телекоммуникаций и космических путешествий. Это помогает учёным глубже понять сложные взаимодействия и процессы в атмосфере и их влияние на Землю и её обитателей. Основной причиной возникновения резонансных волн является глобальная электрическая активность в земной атмосфере, которая формируется в результате грозовой активности, разрядов молний и электромагнитного поля Земли. Разряды молний служат мощными источниками электромагнитного излучения, создавая большое количество высокоэнергетических электронов, которые ионизируют атмосферу. Эти ионизированные области, вместе с естественными резонансными свойствами полости Земля-ионосфера, способствуют генерации и распространению резонансных волн.

Резонанс Шумана

В любое время в различных уголках мира происходит множество гроз, каждая из которых способствует постоянной генерации электромагнитных импульсов в полости Земля-ионосфера. Эти импульсы, похожие на собственные частоты резонатора, усиливают и поддерживают резонансные волны. Сложное взаимодействие между глобальной грозовой активностью и системой Земля-ионосфера приводит к появлению устойчивых резонансных частот.

Физический принцип

Резонанс Шумана возникает из-за того, что электромагнитные волны, излучаемые источником, находящимся между Землёй и ионосферой, многократно обкручивают нашу планету и накладываются друг на друга. Это приводит к образованию стоячих волн на определённых частотах, когда волны движутся в противоположных направлениях. Многие научно-популярные источники представляют этот процесс в виде простой двумерной схемы, что является чрезмерным упрощением. Для более точного понимания резонанса и его деталей стоит обратиться к трёхмерным и динамическим моделям.

В общем виде принцип резонанса Шумана можно представить так: электромагнитная волна, созданная колеблющимся источником, начинает распространяться равномерно во все стороны, обтекая Землю. В антиподной точке, пройдя одинаковое расстояние вдоль поверхности, волна встречает саму себя и продолжает движение, накладываясь на свою предыдущую форму. Таким образом, в антиподной точке происходит реверс волны относительно её исходного пути, что похоже на отражение от бесконечно отражающего зеркала. Поэтому волну, движущуюся от источника в сторону точки реверса, можно назвать прямой, а идущую от точки реверса к источнику — обратной.

Если источник продолжает излучать электромагнитные колебания, после полного оборота волны устанавливается режим, при котором в любой точке между Землёй и ионосферой находятся две когерентные волны (с одинаковой частотой и постоянной разностью фаз), движущиеся в противоположных направлениях вдоль дуги, соединяющей источник с его географическим антиподом. Если они делают полный оборот вокруг Земли за целое число периодов, то в пространстве между Землёй и ионосферой возникает стоячая волна.

Вектор электрической составляющей резонанса Шумана ориентирован вертикально, это означает, что его направление не меняется с изменением азимутального направления волн в рассматриваемом волноводе. Это приводит к тому, что в точке реверса и в точке источника амплитуды прямых и обратных электрических волн совпадают по величине и знаку, из-за чего они складываются и формируют пучности. Это можно подтвердить математическим выражением для суммы синфазных волн (без учёта потерь и изменений сечения волновода):

sin(ωt+X)+sin(ωt−X)=2sin(ωt)cos(X)

где:

• sin(ωt+X) — амплитуда прямой волны с круговой частотой ω в момент t в точке X ;
• sin(ωt−X) — амплитуда обратной волны с круговой частотой ω в момент t в точке X.

Причины возникновения волн

Существует несколько гипотез о возникновении электромагнитных волн в полости «поверхность Земли — ионосфера».

Согласно «грозовой» гипотезе, основным естественным источником возбуждения резонанса Шумана являются разряды молний. Молнии функционируют как мощные передатчики, излучающие электромагнитную энергию на частотах ниже 100 кГц. Именно они становятся причиной появления электромагнитных колебаний в широком диапазоне частот. Это явление, по мнению большинства специалистов, объясняет наличие устойчивых сверхнизкочастотных колебаний, которые практически не затухают и имеют фиксированные частоты.

Каждую секунду на Земле происходит примерно 2000 гроз, сопровождающихся приблизительно 50 вспышками молний. Каждая молния генерирует электромагнитные волны, которые начинают вращаться вокруг планеты, «застревая» между поверхностью Земли и ионосферой на высоте около 96 километров. Некоторые из этих волн, соответствующие определённым условиям длины, сливаются, усиливаются и создают регулярные атмосферные пульсации, известные как резонанс Шумана. Этот резонанс служит ценным инструментом для анализа погоды, электрической обстановки и химического состава атмосферы Земли.

Для возникновения резонанса необходимо, чтобы длина этих волн была кратна длине окружности Земли. В результате получается крайне низкочастотная волна с частотой около 8 Гц — примерно в сто тысяч раз ниже частот, используемых в радиовещании на средних волнах. Когда эти волны охватывают Землю, их пики и впадины совпадают в оптимальной точке, создавая уникальный эффект.

История исследований

Впервые существование стоячих электромагнитных волн и их частоты в системе «поверхность Земли — ионосфера» было предсказано ирландским физиком Джордж Ф. Фицджеральдом в 1893 году. В 1900 году к аналогичному выводу пришёл Никола Тесла, который в 1905 году запатентовал своё открытие. Тесла описал Землю как резонансный контур и оценил резонансные частоты в диапазоне 6,18—30 Гц, что близко к экспериментально установленным значениям 7,83—32,4 Гц. В 1902 году английский физик Оливер Хэвисайд выдвинул гипотезу о существовании ионизированного слоя в атмосфере. В 1952 году Винфрид О. Шуман, возглавлявший Институт электрофизики Мюнхенского технического университета, опубликовал свою первую статью о электромагнитных волнах, образованных взаимодействием земной поверхности и ионосферы. Это стало стартом активного изучения явления, позже названного «резонансом Шумана». В 1954 году Шуман и Х. Кёниг опубликовали результаты своих измерений резонансных колебаний. Первое независимое экспериментальное подтверждение существования резонансов Шумана было получено в 1960 году.

Исследования волн Шумана сопряжены с трудностями, так как для их регистрации требуется специальная высокочувствительная аппаратура и определённые условия окружающей среды: даже мимолётные движения вокруг приёмника могут влиять на его показания. Интерес к резонансу Шумана возродился в 1990-х годах благодаря появлению более совершенной технологии. В сентябре 2011 года спутник C/NOFS зарегистрировал волны резонанса Шумана на высоте до 850 км, хотя ранее считалось, что их высота ограничена 100 км.

Основные станции наблюдения за резонансными волнами Шумана включают:

• станция Томского государственного университета (Россия, Томск);
• 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.