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 . 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

${\displaystyle f_{n}={\frac {cn}{L}}\approx 7{,}5n{\text{ Гц}}.}$

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 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

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

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 . 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 .

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 .

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 . В 1900 году, по всей видимости независимо, к схожему выводу пришёл Никола Тесла , запатентовавший в 1905 году своё открытие . Тесла охарактеризовал Землю как резонансный контур , и был недалёк от истины — по его подсчётам, резонанс составлял 6,18—30 Гц (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 ( англ. Electrophysical Institute at the Technical University of Munich ), 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» .

Теоретическое обоснование явления описано им в трёх статьях:

1. W.O. Schumann, Über die strahlungslosen Eigenschwingungen einer leitenden Kugel, die von einer Luftschicht und einer Ionosphärenhülle umgeben ist , 7a , 1952, SS. 149—154
2. W.O. Schumann, Über die Dämpfung der elektromagnetischen Eigenschwingnugen des Systems Erde — Luft — Ionosphäre , 7a , 1952, SS. 250—252
3. W.O. Schumann, (недоступная ссылка) , 9 , 1952, pp. 1116—1138. doi:10.1007/BF02782924

В 1954 году Шуман и Х. Кёниг ( нем. Herbert König ) опубликовали работу с результатами своих измерений этих резонансных колебаний .

Первое бесспорное (независимое) экспериментальное подтверждение наличия резонансов Шумана было получено в 1960 году .

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 .

Интерес к резонансу Шумана возродился в 1990-х годах, с появлением более совершенной аппаратуры .

В сентябре 2011 года волны резонанса Шумана были зарегистрированы на высоте до 850 км спутником (ранее ограничением высоты таких волн считалось 100 км) .

Основные станции наблюдения за резонансными волнами Шумана :

• 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 .

Примечания

Литература

• Schlegel, Kristian. Weltweite Ortung von Blitzen : 50 Jahre Schumann‐Resonanzen : [ нем. ] / Kristian Schlegel, Martin Füllekrug // Physik in unserer Zeit. — 2002. — Vol. 33, no. 6 (4 November). — doi : .
  Schlegel, Kristian. : Translation: Catarina Geoghan : [ англ. ] = 50 Jahre Schumann‐Resonanzen : [пер. с нем. ] / Kristian Schlegel, Martin Füllekrug // Semantic Scholar. — 2007.
  Шлегель, Кристиан. / Пер. с англ. Janto ; пер. с нем. на англ. К. Джоган // Резонанс Шумана : факты и фантазии / Кристиан Шлегель, Мартин Фюллекруг. — 2017. — 22 января.

Ссылки

• (нем.) : звуковые записи элементарного резонанса Шумана, грозы и электросмога .
• (рус.) . Space Observing System. Данные комплексного мониторинга в г.Томске . Томский государственный университет . Дата обращения: 18 ноября 2019.
• Janto. : факты и фантазии. — 2017. — 22 января.
  Janto. // Резонанс Шумана : факты и фантазии. — 2017. — 22 января.