Резонанс Шумана

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Версія від 06:30, 14 лютого 2022, створена TohaomgBot (обговорення | внесок) (Перекладено дати в примітках з англійської на українську)
Перейти до навігації Перейти до пошуку
Анімація резонансу Шумана в атмосфері Землі.
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.

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.

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.
Отримано з https://uk.wikipedia.org/w/index.php?title=Резонанс_Шумана&oldid=34635163