[ X ]

 

 

ПРИЛОЖЕНИЕ A

50 ЛЕТ РЕЗОНАНСУ ШУМАНА

Kristian Schlegel, Martin Fullekrug

 

Настоящая публикация представляет собой вторичный перевод статьи Кристиана Шлегеля (Институт Макса Планка, Германия) и Мартина Фюллекруга (департамент Электроники и Электроинжиниринга Университета Бата, Великобритания) «50 Years of Schumann Resonance», опубликованной в 2002 году журнале Physik in unserer Zeit и переведенной в 2007 с немецкого на английский язык К. Джоган.

Перевод c английского © Janto.

Оригинал статьи здесь: Kristian Schlegel and Martin Fullekrug. 50 Years of Schumann Resonance

 

В 1952 году Вильфрид Отто Шуман, в то время бывший директором Электрофизического Института при Техническом Университете Мюниха, опубликовал свою первую статью об электромагнитных волнах в волноводе, образованном земной поверхностью и ионосферой. С тех пор изучение этих волн, позднее названных волнами резонанса Шумана, стало представлять значительный интерес. Современные технологии измерения и регистрации сигналов данного резонанса открывают широкие практические возможности от глобальной пеленгации гроз и регистрации параметров космической погоды до изучения глобальных климатических изменений.

 

Принцип резонанса Шумана

Каждый конечный волновод характеризуется его собственной (резонансной) частотой. Шуман (см. О Шумане) первым высказал предположение, что пространство, образованное высокопроводящей Землей и такой же высокопроводящей ионосферой, может служить таким конечным волноводом (рис.A.1).

волновод резонанса Шумана

Рис.A.1.
Эскиз, сделанный Шуманом для иллюстрации волновода, образованного высокопроводящей Землей и высокопроводящей ионосферой (плазмой).
(r - радиус Земли, R-r ≈ 80 км)

 

Резонансную частоту приблизительно можно оценить исходя из того, что волна должна укладываться на поверхности Земли целое число раз. Из этого следует:

 

[1] fn = C/λn = C x n/2πre ≈ 7,5 x n (Гц),

 

где n = 1 соответствует основной частоте, а n > 1 - высшим гармоникам.

 

Вклад Шумана также состоит в том, что он вывел математическую зависимость для собственных резонансных частот такого типа волновода в общем случае [1], которая для сферической формы имеет вид:

 

[2] fn = V(σ)/2πre√n(n+1) ≈ 6,0√n(n+1) (Гц).

 

Данная формула учитывает также затухание волн вследствие конечной проводимости σ верхней границы волновода, которая образована слоем D ионосферы. Скорость V(σ) распространения волны при этом составляет около 80% скорости света C (см. расчетные соотношения). В то время, как проводимость нижнего слоя ионосферы, расположенного на высоте 70-90 км, изменяется в диапазоне 10-5-10-3 S/m (см. ниже), средняя проводимость земной и океанической поверхности, равная 10-3 S/m, остается практически постоянной и выше проводимости ионосферы, поэтому не вносит ощутимого вклада в затухание.

Шуман, несколько лет занимаясь также изучением атмосфериков - электромагнитных импульсов, вызванных грозовыми разрядами, сделал вывод, что именно они индуцируют резонансные колебания в волноводе Земля - ионосфера. На рис. A.2 показана диаграмма и спектр этих колебаний вплоть до 7-й гармоники.

осциллограмма и спектр колебаний резонанса Шумана

Рис.A.2.

Осциллограмма и спектр сигнала шумановского резонанса, зарегистрированного в Сильберборне (в горах Золлинг, Германия). Хотя ближайшая железная дорога находится на расстоянии 30 км, на ее основной частоте 16 2/3 Гц сигнал значительно сильнее, чем на частотах резонанса Шумана. Подъем спектра на частотах < 5 Гц вызван т.н. магнитной микропульсацией, которая присутствует в магнитосфере.

 

Спектр каждой гармоники может быть охарактеризован тремя величинами - центральной частотой, амплитудой и шириной (рис. A.3)

спектр гармоники резонанса Шумана

Рис.A.3.

Спектр каждой гармоники (здесь n=1) может быть охарактеризован тремя параметрами: центральной частотой fo, амплитудой a и шириной b.

 

Результаты первых измерений были опубликованы Шуманом и Кёнигом в 1954 г. [3]. С 1960 по 1970 г.г. ими были опубликованы результаты дальнейших экспериментальных и теоретических работ. Начало 90-х охарактеризовалось «ренессансом» Резонанса Шумана в связи с усовершенствованием методов его измерения и появлением новых областей его использования [4].

 

Методы измерения

Поскольку резонанс Шумана есть электромагнитные колебания, то принципиально могут быть измерены его электрическая и магнитная составляющие. В случае электрической составляющей может быть измерено изменение во времени потенциала диска или сферы, расположенных в нескольких метрах от земли. Но, поскольку атмосфера имеет очень высокий импеданс (порядка 1014 Ом), измерительный усилитель также должен иметь очень высокое входное сопротивление, но в то же время и достаточную полосу пропускания - минимум порядка 10 Гц (для измерения хотя бы только первой гармоники - прим. Janto.).

Для измерения магнитной составляющей сигнала используются катушки индуктивности, расположенные горизонтально во взаимно-перпендикулярных направлениях (С-Ю и В-З) для того, чтобы измерить еще и поляризацию (см. рис. A.2). Поскольку магнитный сигнал имеет величину порядка 0,001 - 1 пТ (10-12 Тесла - пикоТесла), необходимы катушки с сердечниками из материала с высокой магнитной проницаемостью и тысячами витков.

Метод измерения электрической составляющей оказался малопригодным из-за высокого уровня погрешности, обусловленной влиянием фотоэффекта и поверхностных загрязнений, поэтому предпочтительным оказалось измерение магнитной составляющей.

Измерение в индустриальных зонах затруднительно из-за наличия сетевой помехи 50 Гц и помехи от железнодорожного транспорта 16 2/3 Гц даже на значительных расстояниях (рис. A.2). Узкополосные фильтры при этом не могут быть использованы из-за неизбежного искажения полезного сигнала, поэтому измерительная аппаратура должна иметь большой динамический диапазон, чтобы можно было обеспечить фильтрацию с помощью цифровых средств. Чистое измерение может быть достигнуто на антарктических станциях.

На рис. A.4 показаны катушка и электронное устройство для полевых измерений.

аппаратура для регистрации резонанса Шумана в полевых условиях

Рис.A.4.

Вертикальная катушка для измерения вертикальной компоненты резонанса Шумана и электронный блок для измерения и регистрации сигнала. Поскольку сигнал резонанса Шумана должен измеряться вдали от источников помех, электроный блок питается от батареи.

 

Эффекты и использование резонанса Шумана

a. Регистрация грозовых разрядов.

Одной из первых областей применения резонанса Шумана стала глобальная пеленгация грозовых разрядов. Поскольку каждый разряд возбуждает электромагнитные колебания в волноводе Земля - ионосфера, в принципе достаточно трех станций регистрации, которые должны быть максимально удалены друг от друга. С их помощью сигналы этих колебаний регистрируются с необходимым временным разрешением - около 1/100 секунды (рис. A.5).

Рис.A.5.

Совместная регистрация резонанса Шумана станциями, расположенными в Холистере (Калифорния), Сильберборне (Германия) и Веллингтоне (Новая Зеландия). Локализация источника путем триангуляции показывает, что грозовой разряд, вызвавший этот сигнал, произошел в Южной Америке.

 

ВременнАя синхронизация между станциями обеспечивается с помощью GPS-спутников. Путем вычисления корреляции между тремя зарегистрированными сигналами и аппарата геометрии на сфере молнии могут быть локализованы с точностью до 100 км. На рис. A.6 показаны результаты таких измерений в течение месяца, которые могут быть использованы для изучения глобальной грозовой активности [5]. На аналогичном принципе была создана глобальная сеть мониторинга очагов грозовой активности для системы предупреждения воздушного движения.

карта глобального распределения грозовой активности

Рис.A.6.

Глобальное распределение грозовой активности в апреле 1998 г., зарегистрированное с помощью триангуляции резонанса Шумана. Видны 3 очага повышенной активности в Америке, Африке и в Южной Азии, и только несколько гроз над территорией океанов.

 

В последние несколько лет этот метод был использован вместе с оптическими методами для наблюдением за спрайтами. Спрайты (см. рис. A.7) - кратковременные красно-голубые световые эффекты в пространстве между верхней границей облаков и ионосферой. Эти оптические феномены, впервые обнаруженные в 1989 г. [6], вызываются сверхмощными атмосферными разрядами. Следствием электромагнитных импульсов, генерируемых такими разрядами, является также появление в ионосфере кругообразных световых объектов, именуемых эльфами. Кроме данных световых эффектов наблюдаются также голубые струи - узкие голубые лучи света, распространяющиеся от очага грозы на расстояние до 40 - 50 км.

Несмотря на интенсивные исследования, окончательно не установлено, являются ли данные феномены следствием природных разрядов в атмосфере. В то же время, в журнале Nature было опубликовано сообщение о наблюдении яркой вспышки в ионосфере над очагом океанической грозы в районе Пуэрто Рико. Яркость этого оптического эффекта наводит на мысль об имевшем место электрическом коротком замыкании тропосферы с ионосферой.

В рамках миссии Спэйс Шаттл STS-107 в 2002 году израильским астронавтом впервые будет использована видеокамера для определения глобальной интенсивности этих недавно открытых молний в мезосфере (рис. A.7).

исследование газовых разрядов в мезосфере

Рис.A.7.

Со Спэйс Шаттла израильский астронавт с помощью видеокамеры планирует исследовать спрайты и естественные газовые разряды в мезосфере. Справа в нижнем углу вставлено фото спрайта (картинка создана с помощью STK Software, автор M. Moalem, IAF).

 

b. Глобальный мониторинг слоя D и космической погоды.

Как уже было сказано, проводимость нижнего слоя ионосферы весьма непостоянна. Она в значительной степени определяется концентрацией электронов и частотой столкновений между нейтральными частицами и электронами. Концентрация электронов подвержена регулярным вариациям, связанным с изменением положения Солнца, т.е. зависит от времени суток и времени года, а частота столкновений частиц зависит от давления в этой области, которое также является объектом сезонных вариаций. Кроме того, имеются нерегулярные вариации.

Во время магнитных штормов электроны из магнитосферы с энергией в несколько кэВ достигают ионосферы и вызывают дополнительную ионизацию, из-за чего концентрация электронов может на порядок превысить нормальные значения. Еще большие изменения вызываются солнечными вспышками, результатом которых является эмиссия протонов с энергиями около 100 МэВ. Эти частицы могут проникать глубоко в атмосферу и вызывать дополнительную ионизацию на высотах от 50 км. В результате не только значительно увеличивается проводимость, но также и понижается высота верхней границы волновода Шумана (рис. A.8).

изменение проводимости слоя D ионосферы

Рис.A.8.

Проводимость слоя D ионосферы при нормальных условиях и после солнечной вспышки. Повышенная проводимость влияет не только на электрические свойства волновода и, соответственно, резонанса Шумана, но также понижает высоту его верхней границы.

 

Космическая погода также влияет на все три параметра резонанса Шумана, причем в такой степени, что их изменения могут быть уверенно измерены (рис. A.9).

изменение параметров резонанса Шумана после солнечных вспышек

Рис.A.9.

Изменение параметров резонанса Шумана fo, b, a (ср. с рис. A.3) после двух солнечных вспышек 20.10.89 (слева) и 22.03.91 (справа). Вверху показана эмиссия высокоэнергетических протонов, вызывающих дополнительную ионизацию ниже 80 км и также изменяющих проводимость, как показано на рис. A.8.

 

Эти параметры могут быть использованы для мониторинга вариаций проводимости D-слоя, на что указывал Шуман в своей второй публикации по теме [2]. Естественно, таким образом оценивается приближенная величина, которую можно интерпретировать как среднее значение для дневной и ночной сторон Земли. Регистрация этого среднего значения, тем не менее, весьма информативна, поскольку позволяет отделить случайные вариации от регулярных простым способом. Такого рода мониторинг D-слоя возможен с помощью единственной станции в свободном от интерференции окружении, а глобальная томография ионосферы становится возможной с помощью сети станций.

c. Климатические изменения.

Резонанс Шумана, предположительно, может служить чувствительным термометром для измерения глобальных температурных изменений. Глобальная грозовая активность в значительной степени определяется метеорологическими факторами, в т.ч. температурой экваториальной тропосферы. С другой стороны, резонанс Шумана, как было сказано выше, позволяет количественно измерять глобальную грозовую активность. В сенсационной статье американского метеоролога Е.Вильямса была рассмотрена зависимость между относительной тропической температурой во время цикла Эль Ниньо и амплитудой первой гармоники резонанса Шумана, показывающая наличие положительной корреляции между ними [10]. Хотя эти данные относятся к периоду всего 5,5 лет (рис. A.10), результаты являются многообещающими для понимания долгосрочных климатических вариаций.

Особый интерес представляет изучение нелинейного усиления парникового эффекта. Хорошо известно, что глобальная грозовая активность в тропиках вызывает перемещение большого количества водяного пара в тропопаузу. Водяной пар, однако, является одним из важнейших парниковых газов. Т.о., технические проблемы измерения содержания водяного пара в тропопаузе могут быть решены на основе использования резонанса Шумана [11], что могло бы стать его «вкладом» в исследование климатических изменений.

Рис.A.10.

Амплитуда первой гармоники резонанса Шумана и относительные изменения поверхностной температуры в тропиках (толстая линия). Из [10].

d. Биологические эффекты.

Шуман сам интересовался биологическими эффектами атмосфериков, а его студенты и позже его коллега Герберт Кёниг продолжили его работу в этом направлении. Последний вкратце описал много удивительнейших результатов, связанных с этими эффектами - от влияния на дрожжевые клетки и бактерии до влияния на растения, животных и человека. Например, чувствительность человеческого организма к погоде увеличивается с ростом амплитуды естественных электромагнитных колебаний на частоте 10 Гц. При воздействии таких колебаний, созданных искусственно, циркадианные ритмы человека значительно ускоряются, а тесты показывают увеличение времени реакции либо вызывают головные боли. Во многих экспериментах такого рода эффект в сильной степени зависит от частоты.

Частота т.н. альфа-ритма мозговой активности находится в диапазоне между частотами первой и второй гармоник резонанса Шумана. Медики предполагают, что это не случайное совпадение, а следствие адаптации человека к окружающей среде в процессе эволюции. Возможно, что на этом стыке физики, биологии и медицины еще будет много интересных результатов.

Внимание! Аспект биологического влияния резонанса Шумана в настоящее время малоисследован, поэтому к данным сведениям следует относиться с осторожностью. Более подробно см. соответствующие главы настоящего обзора (прим. Janto).

 

Литература

[1] Schumann, W.O., Uber die strahlungslosen Eigenschwingungen einer leitenden Kugel, die von einer Luftschicht und einer Ionospharenhulle umgeben ist, Z. Naturforsch. 7a, 149, (1952)
[2] Schumann, W.O., Uber die Dampfung der elektromagnetischen Eigenschwingungen des Systems Erde-Luft-Ionosphare, Z. Naturforsch. 7a, 250, (1952)
[3] Schumann, W.O. und H. Konig, Uber die Beobachtung von Atmospherics bei geringsten Frequenzen, Naturwissensch., 41, 283, (1954)
[4] Sentman, D.D., Schumann Resonances, in: Handbook of Atmospheric Electrodynamics, Vol. 1, H. Volland, Editor, CRC Press, Boca Raton, USA, 1995, p. 267.
[5] Fullekrug, M. und S. Constable, Global triangulation of intense lightning discharges, Geophys. Res. Lett. 27, 333 (2000)
[6] Franz, R.C., R.J. Nemzek und J.R. Winckler, Television image of a large upward electrical discharge above a thunderstorm system, Science, 249, 48, (1990)
[7] Pasko, V.P., M.A. Stanley, J.D. Mathews, U.S. Inan und T.G. Wood, Electrical discharge from a thundercloud top to the lower ionosphere, Nature, 416, 152, (2002)
[8] Fullekrug, M., Fraser-Smith, A.C. und K. Schlegel, Global ionospheric D-layer height monitoring, European Physics Letters, 59(4),626, (2002)
[9] Schlegel, K. und M. Fullekrug, Schumann resonance parameter changes during high-energy particle precipitation, J. Geophys. Res. 104, 10111, (1999)
[10] Williams, E.R., The Schumann resonance: A global tropical thermometer, Science 256, 1184, (1992)
[11] Price, C., Evidence for a link between global lightning activity and upper tropospheric water vapour, Nature, 406, 290, (2000)
[12] Konig, H.L., Unsichtbare Umwelt, Eigenverlag Herbert L. Konig, Munchen, 1977

 

О Шумане

Родившийся 20 мая 1888 года в Тюбингене, Вильфрид Отто Шуман провел свое дество и юность в Касселе, Берисдорфе (недалеко от Вены) и в Каролинентале (недалеко от Праги). После изучения электротехники в Техническом колледже Карлсруэ и защиты докторской диссертации по технологии больших токов вплоть до окончания Первой Мировой Войны работал заведующим в лаборатории высоких напряжений компании Brown, Boveri and Cie.

В 1920 г. Шуман получил квалификацию соискателя степени профессора в Техническом Университете Штутгарта, где он работал ассистентом - исследователем. Сразу после получения степени ему была предложена должность профессора физики в Йенском Университете. В 1924 г. он принял предложение о назначении профессором и директором вновь организуемой лаборатории электрофизики Технического Университета Мюниха. Лаборатория в дальнейшем была преобразована в Электрофизический Институт и он оставался на своем посту вплоть до выхода на пенсию в 1961 г. Однако после этого он продолжал там преподавательскую деятельность вплоть до своего 75-летия. Умер Шуман 22 сентября 1974 г. в возрасте 86 лет.

Во время своей производственной деятельности Шуман имел дело, в первую очередь, с полями сверхвысокой напряженности в газах, жидкостях и твердых телах. Во время работы в Мюнихе его интересы расширились в область высокочастотных технологий и физики плазмы. Его многочисленные работы этого периода связаны с исследованиями ионосферы и экспериментальным моделированием ее плазмы в лабораторных условиях.

В третьем периоде после 1950 г. Шуман работал в области распространения радиоволн и в области электромагнитных колебаний, индуцированных атмосферными разрядами. В это время его публикации сфокусированы на резонансе, названном его именем.

Шуман был глубоко уважаем коллегами и студентами как превосходный преподаватель академического толка. Его слушатели вдохновлялись его лекциями, которые отличались наглядностью и понятностью, и в то же время были наполнены жизнью и остроумием.

 

Расчетные соотношения

Скорость V распространения колебаний в пространстве между Землей и ионосферой, используемая в выражении [2], определяется соотношением V = C/n, где n - комплексный показатель преломления ионосферы, определяемый по формуле:

 

[A1] n = √[1 + i(CΔi/ωh1)]

 

Здесь:
Δi - обратный (инверсный) показатель преломления ионосферы, вычисляемый с целью упрощения для фиксированной высоты нижней границы h1 (приблизительно 70-80 км),
C - скорость света.

 

Соотношение между обратным коэффициентом преломления и проводимостью ионосферы σ0 имеет вид:

 

[A2] Δi = [1 + i(σ00ω]-1/2

 

Поверхность Земли в данном случае считается идеальным проводником.

 

Для более точного описания вместо постоянной проводимости σ0 используют профиль проводимости, задаваемый одной или двумя опорными высотами. В двухвысотной модели вместо выражения [A1] для комплексного показателя преломления ионосферы используется выражение [A3]:

 

[A3] n = √[(h2(ω) - CS2π/2)/((h1(ω) - CS1π/2)]

 

где принимается, что профиль проводимости на высоте h1 определяется опорной высотой S1, а на высоте h2 - опорной высотой S2. Т.н. граница проводимости h1 расположена на высоте 50 км, а граница отражения h2 - на высоте 75-85 км и зависит от текущей плотности электронов в ионосфере (см. рис. A.8). Поскольку показатель преломления ([A1], [A3]) зависит от частоты колебаний ω, центральная частота и ширина спектра резонанса зависят от проводимости. Это объясняет результаты, показанные на рис. A.9.

Детальный вывод вышеприведенных соотношений описан в [4].

 

* * *

 

 

поделиться ссылкой

 

Перепечатка без согласования с автором запрещена.
При цитировании обязательно указание автора, названия и активной ссылки на данную страницу
или ссылки на титульную страницу публикации.

 

наверх

 

 

50 лет резонансу Шумана

Опубликовано 30.07.16. Последнее изменение - нет.

© Janto 2016