5. ПРИКЛАДНЫЕ ОБЛАСТИ РЕЗОНАНСА ШУМАНА

: ощий обзор : : глобальная грозовая активность : : глобальные климатические процессы : : ионосфера и космическая погода : : сейсмическая активность : : световые феномены в ионосфере :

 

Поскольку основным источником возбуждения резонанса Шумана являются грозовые разряды, то он несет информацию об их интенсивности и локализации. Поэтому первым из его научно-практических применений стало наблюдение и изучение глобальной грозовой активности. Это направление продолжает развиваться и на сегодняшний день остается одним из наиболее востребованных. Обнаруженная корреляция между глобальной грозовой активностью и параметрами атмосферы позволяет использовать резонанс Шумана для исследования глобальных климатических процессов и этому направлению в последние годы также уделяется повышенное внимание.

Большие ожидания в начале 90-х годов возлагались и на использование резонанса Шумана в качестве инструмента мониторинга параметров ионосферы и, соответственно, космической погоды. Кроме того, во многих исследованиях обнаруживалась корреляция резонанса с тектоническими процессами в земной коре, что сулило большие перспективы в части его возможного использования в качестве предвестника землетрясений. Однако интерес к этим направлениям по разным причинам несколько снизился. В то же время резонанс Шумана начал успешно применяться для исследования световых феноменов - спрайтов, эльфов и джетов, которые вызываются мощными электрическими разрядами в верхних слоях атмосферы. Далее рассмотрим указанные направления более подробно.

Рис. 5.1. Прикладные области резонанса Шумана

 

 

Как уже было сказано, использование резонанса Шумана в качестве источника данных для исследования глобальной грозовой активности явилось одной из первых областей его применения. Первоначально задача решалась путем пеленгации отдельных сверхмощных грозовых разрядов, для чего использовались сигналы резонанса во временнОй области и метод триангуляции (см. приложение A). Грозовая активность определялась как число зафиксированных разрядов, приходящихся на единицу площади в единицу времени. Район локализации разряда определялся как треугольник, образованный пересечением азимутов векторов Пойнтинга сигнала, порожденного данным разрядом, для трех точек наблюдения.

Первая карта глобальной грозовой активности была получена с помошью данного метода М.Фюллекругом и С.Констэблем в 1998 году (см. рис.5.2). Погрешность метода при этом по отношению к данными региональных станций Британской Метеослужбы, регистрирующих разряды в килогерцовом диапазоне, составила около 1000 км.

Рис. 5.2. Карта глобальной грозовой активности, полученная методом триангуляции

Источник иллюстрации: Martin Fullekrug, Steven Constable. Global Triangulation of Intense Lightning Discharges.

Недостатком метода является то, что выделить из общей массы можно только сигналы сверхмощных разрядов (т.н. Q-всплески), составляющие незначительную долю от общего числа (1 разряд приблизительно на 40.000 обычных) и не отражающие полной картины грозовой активности, а также недостаточная точность локализации. Поэтому некоторыми исследователями проводились работы по усовершенствованию метода триангуляции. Так, в работе K.Yamashita, Y.Takahashi, M.Sato, H.Kase. Improvement in lightning geolocation by time of arrival method using global ELF network data описывается метод, дополнительно учитывающий т.н. «время прибытия» сигнала (time of arrival), позволяющий почти в два раза снизить погрешность локализации (с 1000 км до 650 км) и энергетический порог регистрации разрядов (с 1000 К-км до 470 К-км). Пример карты грозовой активности, полученной с использованием данного метода, приведен на рис.5.3.

Рис. 5.3. Карта месячной глобальной грозовой активности, полученная усовершенствованным методом триангуляции (период - январь 2004 г., слева - отрицательные разряды, справа - положительные)

 

Параллельно разрабатывались и продолжают разрабатываться методики, оперирующие параметрами резонанса Шумана в частотной области. В простейшем случае они сводятся к решению обратной задачи (inverse problem), заключающейся в вычислении суммарной энергии грозовых разрядов по спектральной мощности первой моды порождаемого ими сигнала резонанса, регистрируемого на единственной станции наблюдения. Получаемые таким образом данные отражают динамику интегральной глобальной грозовой активности, что позволяет исследовать ее суточные, сезонные и многолетние вариации, а также ее корреляции с другими геофизическими и гелиокосмическими процессами

Более сложной является обратная задача с определением суммарной энергии разрядов в глобальных грозовых центрах. В простейшем виде она решается путем разложения вектора Пойнтинга на вектора по направлениям на эти центры. Однако такой подход достаточно груб, а также требует знания координат и размеров грозовых центров. Более продвинутые методы основаны на вычислении расстояний до центров грозовых разрядов на основании параметров их сигналов (частоты, амплитуды, поляризации) и модели волновода Земля-ионосфера, учитывающей его анизотропию. Однако все они также обладают значительной погрешностью.

По указанным причинам приемлемых результатов при работе в частотной области можно достичь только при замерах с двух и более станций. В этом случае вычисляют для каждой станции профиль «расстояние - интенсивность» и определяют зоны их пересечения (см. рис.5.4). Такой метод получил название метода «томографической реконструкции».

Рис. 5.4. Метод томографической реконструкции глобальной грозовой активности
(слева - принцип, справа - карта с профилями интенсивности по широте и долготе, полученная измерением с 3-х станций.)

Источник иллюстрации: A.Shvets, T.Serdyuk. Tomography Technique For Global Lightning Imaging From Ambient Elf Electromagnetic Noise

Для трех станций степень корреляции измеренных профилей грозовой активности по широте и долготе с профилями, полученными с помощью действующих метеорологических систем (оптических спутниковых и локальных низкочастотных) приближается к 0.8 - 0.98, что принципиально позволяет использовать метод томографической реконструкции для постоянного мониторинга глобальной грозовой активности.

Несмотря на исключительно большое число исследований и разработок в области использования резонанса Шумана для измерения глобальной грозовой активности, они пока не нашли применения в качестве средств постоянного метеорологического мониторинга. На практике для этих целей продолжают применяться как системы спутниковой оптической регистрации, так и системы, основанные на регистрации «атмосфериков» - электромагнитных импульсов, генерируемых грозовыми разрядами в килогерцовом диапазоне. Из числа последних наиболее известными являются международные глобальные сети WWLLN (World Wide Lightning Location Network), GLD360 (Global Lightning Dataset), европейская сеть LINET (Lightning Detection Network), американская сеть NLDN (National Lightning Detection Network), частные сети ZEUS, STARNET и др. Более подробно о данных и аналогичных системах см. в отдельном обзоре.

 

 

 

Известно, что грозовая активность прямо зависит от атмосферной температуры. Поэтому естественно ожидать наличия связи между глобальными температурными параметрами и параметрами резонанса Шумана, для которого грозовые разряды являются источником энергии накачки. Такая связь была обнаружена в результате длительного многолетнего эксперимента известным исследователем резонанса Шумана Е.Р.Вильямсом (см. рис.5.5).

Рис. 5.5. Корреляция между амплитудой резонанса Шумана и глобальной температурой тропического пояса

Источник иллюстрации: Williams E.R. The Schumann resonance: a global tropical thermometer.

В дальнейшем исследования связи глобальной температуры с параметрами шумановского резонанса были продолжены. В частности, было установлено, что колебания температуры в экваториальной зоне (±20° по широте) коррелируют с полугодичным циклом амплитуды первой моды резонанса, а при расширении зоны в сторону полярных областей (вплоть до ±80° по широте) растет степень корреляции с ее годичным циклом, при этом сохраняется корреляция и с полугодичным циклом (см. рис.5.6).

Рис. 5.6. Корреляция между амплитудой резонанса Шумана и глобальной температурой для различных широтных поясов

Источник иллюстрации: M.Sekiguchi, M.Hayakawa, A.P.Nickolaenko, Y.Hobara. Evidence on a link between the intensity of Schumann resonance and global surface temperature.

Результаты рассмотренных исследований свидетельствуют о том, что резонанс Шумана может использоваться как индикатор глобальных температурных вариаций.

В приведенных исследованиях обнаружена связь глобальных температур с амплитудой шумановского резонанса. Однако имеются и работы, в которых заявляется о наличии корреляций между глобальными и локальными температурами и частотами резонанса - см., например R.C.Balling, M.Hildebrandt. Evaluation of the linkage between Schumann Resonance peak frequency values and global and regional temperatures. Данное обстоятельство требует определенного переосмысливания результатов в контексте причинно-следственных связей между климатическими параметрами, параметрами резонанса Шумана и внешними воздействующими факторами.

Кроме использования резонанса Шумана в качестве «глобального термометра» имеются также определенные перспективы его использования в качестве «глобального гигрометра» для исследования процессов изменения концентрации водяного пара в тропопаузе, что важно для изучения парникового эффекта. Предпосылкой для этого является обнаружение корреляциии между среднесуточной амплитудой первой моды резонанса и среднесуточной удельной влажностью воздуха (см. рис.5.7)

Рис.5.7. Среднесуточные вариации амплитуды первой моды резонанса Шумана и удельной влажности воздуха над Африкой (графики разнесены на 1 день для наглядности)

Источник иллюстрации: C.Price, M.Asfur. Lightning And Climate: The Water Vapor Connection.

Работы в области использования резонанса Шумана для исследования и мониторинга климатических процессов ведутся достаточно интенсивно, но пока не привели к созданию соответствующего метеорологического инструментария, который мог бы конкурировать с существующими средствами и методами.

 

Принцип зондирования ионосферы с помощью резонанса Шумана очевиден - параметры резонанса напрямую определяются высотой и проводимостью ее слоя D. Соответствующая идея была выдвинута еще первооткрывателями резонанса. Отличительной особенностью такого зондирования является получение глобальных данных, т.е. данных, усредненных по дневной и ночной сторонам земного шара, независимо от координат точки наблюдения (см. Приложение A). Однако востребованность таких данных оказалась существенно ниже, чем локальных данных, которые традиционно получали и продолжают получать с помощью станций вертикального высокочастотного зондирования.

Успешная разработка и освоение в массовом порядке техники зондирования ионосферы с использованием сигналов глобальных навигационных спутниковых систем еще больше обесценила перспективы резонанса Шумана в этой области. Еще одним обстоятельством, препятствующим внедрению резонанса Шумана в повседневную практику зондирования ионосферы является необходимость учета анизотропии волновода Земля-ионосфера, что требует для расчетов исключительно больших вычислительных мощностей.

Поскольку параметры слоя D во многом определяются параметрами космической погоды, то ее интегральное состояние также можно было бы определять косвенным образом через параметры резонанса. Однако сложности здесь те же и в ближайшей перспективе данная технология неконкурентоспособна по сравнению с традиционными методами мониторинга с помощью наземных и космических обсерваторий.

 

Исследования, связанные с поиском в естественных низкочастотных электромагнитных полях признаков сейсмической активности, проводятся уже достаточно давно. В их рамках уже не раз наблюдались аномалии резонанса Шумана, которые, предположительно, могли свидетельствовать о приближающемся землетрясении. Показательным является случай с землетрясением Chi-chi на Тайване, имевшим место 21.09.1999 года. Ретроспективный анализ записей геофизической обсерватории Нагои (Япония) показал, что на интервале, начиная за несколько дней до землетрясения и кончая несколькими днями позже него фиксировалось аномальное увеличение амплитуды четвертой моды резонанса, а также частоты ее компоненты Hns (см. рис.5.8). Похожая, но менее выраженная аномалия четвертой моды наблюдалась и во время следующего, менее мощного землетрясения Chia-yi, имевшего место также на Тайване 02.11.1999 года.

Рис.5.8. Аномалия 4-ой моды резонанса Шумана, связанная с землетрясением Chi-chi

Источник иллюстрации: M.Hayakawa, K.Ohta, A.P.Nickolaenko, Y.Ando. Anomalous effect in Schumann resonance phenomena observed in Japan, possibly associated with the Chi-chi earthquake in Taiwan.

В то же время, на станции Лехта, находящейся на значительно большем удалении от эпицентра землетрясения, подобных аномалий зафиксировано не было, что говорит об их локальном характере.

Сходные аномалии были зафиксированы и в ряде других случаев, в частности, в связи с землетрясениями в 2013 года в Китае и Пакистане, мощнейшим землетрясением 2011 года Tohoku-Oki в Японии, землетрясениями 2011 года в Китае, землетрясением 2006 года на Тайване и др. Во всех случаях за несколько дней до главного толчка фиксировалось аномальное увеличение амплитуды в районе первой - четвертой мод, а также изменение частот, причем в локальном масштабе.

По одной из гипотез причина описанных аномалий в том, что над районом будущего землетрясения за счет эффекта связи «литосфера-атмосфера-ионосфера» (LAI coupling) в ионосфере формируется аномальная зона, служащая «зеркалом» для электромагнитных волн. Сигналы грозовых центров, приходящие с разных направлений, отражаются от нее и создают в определенных зонах соответствующую локальную интерференционную картину (см. рис.5.9).

Рис.5.9. Принцип формирования аномалии резонанса Шумана вблизи зоны землетрясения

Источник иллюстрации: M.Hayakawa, A.P.Nickolaenko, M.Sekiguchi, K.Yamashita, Y.Ida, M.Yano. Anomalous ELF phenomena in the Schumann resonance band as observed at Moshiri (Japan) in possible association with an earthquake in Taiwan.

Несмотря на высокую степень корреляций описанных аномалий с землетрясениями этот феномен на практике в качестве предвестника землетрясений пока не используется. Это связано как с недостатком статистических данных для выработки четких критериев, так и с нерешенностью задачи локализации ионосферной аномалии.

Следует также отметить, что в научных кругах единого мнения в части перспективности использования СНЧ электромагнитных волн диапазона резонанса Шумана и ниже для прогнозирования землетрясений, нет. Ряд исследовательских центров прекратил работы в этой области. Например, СНЧ-мониторинг на станциях Hollister/Parkfield, входящих в цифровой сейсмической сети Berkeley Digital Seismic Network (BDSN) штата Калифорния не осуществляется с 2002 года.

 

Из всех прикладных областей исследование масштабных световых явлений в ионосфере - спрайтов, эльфов, джетов и др., вызываемых сверхмощными грозовыми разрядами, является наиболее четко формализуемой и продуктивной задачей, решаемой с помощью резонанса Шумана. Она сводится к регистрации в реальном времени грозовых разрядов, которые, предположительно, могут вызывать упомянутые световые явления, вычислению их электрических параметров - тока и величины переноса заряда и последующей «привязки» полученных данных к данным видеорегистрации этих явлений. Конечной целью такого рода исследований является установление соотношений между параметрами сверхмощных грозовых разрядов и условиями появления и параметрами индуцируемых ими световых феноменов.

Рис.5.10. Примеры оптических феноменов в ионосфере

 

В простейшем варианте для регистрации разрядов используется только одна станция наблюдения с вычислением расстояния до источника и его азимута на тех же принципах, что и при наблюдении за глобальной грозовой активностью. Для получения более точных и достоверных данных используют наблюдение с нескольких станций резонанса Шумана, а также дополнительно используют данные локальных и региональных сетей мониторинга грозовой активности, работающих в килогерцовых диапазонах, например, сети WWLLN

Рис.5.11. Сигналы грозовых разрядов, породивших спрайты в Австралии, зарегистрированные на станции West Greenwich.

Источник иллюстрации: E.R.Williams, V.C.Mushtak, R.Boldi, R.L.Dowden, Z.I.Kawasaki. Sprite lightning heard round the world by Schumann resonance methods.

В последние годы интерес к этому направлению растет и появляются соответствующие специализированные глобальные сети станций. Примером может служить глобальная сеть, созданная в рамках проекта Sprie Project Университетат Бата (University of Bath, Великобритания). Она включает 4 станции мониторинга, расположенные в Шотландии, Калифорнии, Австралии и Южной Африке. Для повышения точности локализации в данной сети используется модифицированный метод триангуляции, аналогичный описанному в п.5.2.

Рис.5.12. Сигнал грозового разряда, породившего спрайт в Европе, зарегистрированный станциями сети Университета Бата.

Источник иллюстрации: Toby Whitley et al. Worldwide extremely low frequency magnetic field sensor network for sprite studies.

* * * * *

 

 

Опубликовано 14.01.2017. Последнее изменение - нет.

© Janto 2017 Все права защищены