Резонанс Шумана

Электромагнитные колебания сверхнизкой частоты, возникающие в резонансной полости между поверхностью земли и ионосферой (резонанс Шумана)

Типичный спектр электромагнитных колебаний сверхнизкой частоты с резонансами Шумана

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. 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

$f_{n} =\frac{cn}{L} \approx 7,5 n \ \mathrm Hz.$

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 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

$f_{n} =\frac{V(\sigma)}{L}\sqrt{n(n+1)} \approx 6,0 \sqrt{n(n+1)}\ \mathrm Hz,$

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 антенны, которые излучают электромагнитную энергию на частотах около 100 кГц. 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 ; В Южном полушарии повышение частот резонансов происходит с ноября по февраль.
• от места нахождения 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 12500Гц, что соответствует движению ядра земли на глубине 3,6 км от центра ядра земли.
• от скорости расхода воды в ОК (океанском конвейере)
• фаз луны
• периодов солнечной активности (СА)

История исследований

Впервые эффект стоячих волн был обнаружен и проанализирован Николой Тесла.^{[источник не указан 478 дней]} Спустя пять с лишним десятилетий этот эффект был подробно исследован для случая ионосферы и позднее стал известен как «резонанс Шумана». Предположение о существовании резонанса электромагнитных волн в пространстве Земля-ионосфера высказал профессор Мюнхенского университета В.О. Шуман в 1952 году. Какого-либо значения этому предположению он не придал,^{[источник не указан 478 дней]} но опубликовал о нём три статьи. Ознакомившись с ними, врач Герберт Кёниг (Herbert König) обратил внимание на совпадение частоты волны, рассчитанной Шуманом, с диапазоном альфа-волн человеческого мозга. Он связался с Шуманом и они продолжили исследования. В том же 1952 году они экспериментально подтвердили существование таких естественных резонансов.

Продолжил изучение Вольфган 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 и соответствующая окружающая обстановка: даже движение деревьев, животных или людей рядом с приёмником может повлиять на его показания.

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

Станции для постоянного наблюдения за резонансом Шумана располагаются:

• Россия, г. Томск, Томский государственный университет. Данные на сайте обновляются каждые два часа;
• Словакия, г. Модра, геофизическая обсерватория.

Упоминания

• 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.

См. также

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