4. ОСОБЫЕ СВОЙСТВА РЕЗОНАНСА ШУМАНА.

: общие замечания : : кросс-модуляция : : просачивание за ионосферу : : особенности поляризации : : расщепление частот : : когерентная помеха :

 

В данной главе дается краткий обзор особых свойств резонанса Шумана, не являющихся определящими в понимании его природы и базовых характеристик, но представляющих интерес для углубленного ознакомления с его проблематикой. По указанной причине здесь даются сведения лишь о существовании того или иного особого свойства и его краткая характеристика с графическими иллюстрациями. Подробное же описание этих интересных, но не первостепенных особенностей резонанса Шумана выходит за рамки настоящего обзора. Ознакомиться в деталях с соответствующими исследованиями и полученными результатами можно по источникам, упомянутым в тексте.

 

В начале 1990-х годов учеными Харьковского Радиоастрономического Института было сформулировано предположение о том, что электрическое поле резонанса Шумана должно «подогревать» электроны плазмы слоя D ионосферы, тем самым вызывая изменения его коэффициента рефракции синхронно с частотами резонанса, и что данные изменения должны вызывать кросс-модуляцию других радиосигналов, отражающихся от ионосферы. Для проверки данного предположения в сентябре 1994 года был проведен эксперимент, заключающийся в приеме и спектральном анализе тестового радиосигнала RWS (round-the-world signal), т.е. сигнала, распространяющегося от передатчика к приемнику по т.н. «длинному» пути, почти полностью огибая земной шар, что обеспечивало его максимально - возможное взаимодействие с разогреваемой резонансом Шуман ионосферой.

Для эксперимента использовалась антенна Т-образного радиотелескопа декаметрового диапазона УТР-2 с электрически управляемой диаграммой направленности по азимуту и элевации, и подключенный к ее самостоятельным сегментам многоканальный когерентный доплеровский радиоприемник, оснащенный фильтрами, сужающими полосу пропускания до 30 Гц.

В качестве источника тестового радиосигнала использовался сигнал эталона частоты и времени радиостанции RWM (частота 14,996 мггц), расположенной в подмосковье и находящейся практически на одном меридиане с радиотелескопом на расстоянии около 700 км. При таком расстоянии приемная антенна попадает в «мертвую» зону передатчика и влияние на измерение прямого сигнала, распространяющегося по «короткому» пути, практически исключается. Для обеспечения наилучших условий прохождения тестового сигнала эксперимент проводился во время нахождения меридиана между приемником и передатчиком в зоне терминатора, что для данной конфигурации имеет место дважды в сутки в сезоны равноденствия (см. рис.4.1).

Рис. 4.1. Эксперимент с кросс-модуляцией ВЧ-радиосигнала сигналом резонанса Шумана
слева - радиотелескоп УТР-2, справа - схема эксперимента

 

В результате в большинстве сеансов приема-передачи было зафиксировано наличие в аплитуде принимаемого сигнала модуляционной составляющей с частотами первых трех мод резонанса Шумана (см. рис.4.2), что полностью подтверждает наличие эффекта кросс - модуляции. Более подробно о теоретических предпосылках и самом эксперименте см. в статье Y.M.Yampolski, P.V.Bliokh, V.S.Beley, V.G. Galushko, S.B.Kascheev. Non-linear interaction between Schumann resonances and HF signals.

Рис. 4.2. Спектр кросс-модулированного ВЧ-радиосигнала (HF) в сравнении со спектром СНЧ-сигнала (ELF)

Источник иллюстрации - указанная выше статья

 

 

 

До недавнего времени считалось, что СНЧ радиоволны диапазона резонанса Шумана не способны преодолевать слой D ионосферы. Однако измерения, проведенные с помощью многоцелевого спутника C/NOFS (Communication/Navigation Outage Forecasting System), разработанного в Air Force Research Laboratory Space Vehicles Directorate и запущенного в апреле 2008 года, показали, что сигнал резонанса, хоть и сильно ослабленный, уверенно регистрируется на ночной стороне за пределами ионосферы на высотах до 800 км.

Рис. 4.3. Спутник C/NOFS и зарегистрированный им спектр компоненты Ez резонанса Шумана

Источник иллюстрации: Fernando Simoes, Robert Pfaff, Henry Freudenreich. Satellite observations of Schumann resonances in the Earth’s ionosphere.

В настоящее время исчерпывающего понимания механизма просачивания резонанса Шумана в верхние слои ионосферы и за ее пределы нет и ведется разработка возможных теоретических моделей. Например модель, разработанная в Ядерном Университете МИФИ, предполагает передачу колебаний от слоя D вверх за счет некоего интерфейса слоя E (см. рис.4.4). Подробнее см. по ссылке на источник иллюстрации.

Рис. 4.4. Возможная модель просачивания резонанса Шумана в верхнюю ионосферу

Источник иллюстрации: V.V.Surkov, N.S.Nosikova, A.A.Plyasov, V.A. Pilipenko, V.N.Ignatov. Penetration of Schumann resonances into the upper ionosphere.

 

В большинстве работ по умолчанию обычно полагается, что электромагнитные колебания резонанса Шумана имеют линейную вертикальную поляризацию. Однако специальные исследования обнаруживают наличие эллиптической и даже круговой поляризации. Так, исследования, проведенные в разное время в течение 2014 года в Томском Университете, показали, что эллиптическая поляризация имеет место в течение 70-80% времени (см. рис.4.5).

Рис. 4.5. Эллиптическая поляризация первой моды резонанса Шумана
слева - суточные диаграммы параметров поляризации первой моды, справа - статистика.

Источник иллюстрации: S.A.Kolesnik, A.A.Kolmakov, D.A.Nedosekov. Polarization characteristics of the Schumann resonance modes in Tomsk.

 

С поляризацией тесно связано свойство расщепления частот шумановского резонанса. Суть его в том, что вследствие анизотропии ионосферы в пределах одной моды возможно существование нескольких резонансов с близкими частотами. Обычными средствами и методами мониторинга такое расщепление обнаружить затруднительно, поскольку оно маскируется широкой полосой спектра вследствие невысокой добротности резонатора. По этой причине для обнаружения расщепления используется одновременное наблюдение на когерентных частотах с двух разнесенных по долготе станций, а также одновременное наблюдение всех трех компонент магнитного поля с вычислением параметров поляризации. Последнее основано на том, что анизотропия волновода Земля-ионосфера приводит к появлению фазовых сдвигов между компонентами магнитного поля и, соответственно, к появлению эллиптической поляризации. Возможная схема такого расщепления приведена на рис.4.6.

Рис. 4.6. Возможная схема расщепления частоты первой моды резонанса Шумана.

Источник иллюстрации: A.P.Nickolaenko, Davis D.Sentman. Line splitting in the Schumann resonance oscillations

Феномен расщепления частот резонанса Шуман исследуется достаточно давно и этой проблематике посвящено достаточно много работ. Тем не менее, вопросы остаются и исследования продолжаются.

 

Несмотря на предельно низкий уровень сигнала резонанса Шумана, обнаружено, что он является серьезной помехой для набирающей обороты гравитационной астрономии. Суть в том, что электромагнитные колебания резонанса Шумана воздействуют на чувствительные к электромагнитному полю конструкции, находящиеся в разных географических точках, синхронно по частоте и фазе, т.е. когерентно, и эта когерентность, в связи с принципом действия измерительной сети пространственно разнесенных гравитационных приемников, приводит к появлению трудноустранимой систематической погрешности, понижающей порог чувствительности и затрудняющей измерение стохастического фона гравитационных волн (stochastic gravitational-wave background). Описание данного эффекта в связи с его узкой спецификой выходит далеко за рамки настоящего обзора. Желающие ознакомиться с этой проблематикой могут обратиться к работам исследователей проекта LIGO (Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory), например, к опубликованному в 2013 г. на arXive.org препринту E. Thrane, N.Christensen, R.M.S.Schofield. Correlated magnetic noise in global networks of gravitational-wave interferometers: observations and implications.

 

* * *

 

Внимание! Работы в области исследований резонанса Шумана постоянно отслеживаются автором настоящего обзора. В случае обнаружения новых свойств этого природного феномена информация о них будет добавлена в данную главу.

* * * * *

 

 

Опубликовано 27.12.2016. Последнее изменение - нет.

© Janto 2016 Все права защищены