3. ВАРИАЦИИ ПАРАМЕТРОВ РЕЗОНАНСА ШУМАНА.

: общие сведения : : асинхронные вариации : : суточные вариации : : 27-суточные вариации : : сезонные вариации : : 11-летние вариации : : однократные вариации : : о механизмах вариаций :

 

Как уже было сказано в предыдущих главах, основными параметрами резонанса Шумана являются центральные частоты, амплитуды и добротности его гармоник (мод). Частоты и добротности определяются, в основном, характеристиками волновода Земля-ионосфера, а амплитуды - преимущественно энергией, генерируемой глобальными центрами грозовой активности. Поскольку данные факторы нестабильны и анизотропны, то и определяемые ими параметры шумановского резонанса также нестабильны и анизотропны, причем как в глобальном, так и в локальном масштабе, при этом соотношение глобальных и локальных компонент вариаций и анизотропии зависит от типа параметра, географических координат, времени и других факторов.

Вопросам вариации параметров резонанса Шумана посвящено исключительно большое число работ, основанных на исследованиях, проведенных в разное время и в различных точках земного шара. Практически во всех работах рассматриваются отдельные частные вопросы, связанные с теми или иными конкретными параметрами рензонанса, конкретными типами вариаций, конкретными воздействующими факторами и т.д. Работ системного характера, обощающих накопленный экспериментальный и теоретический материал и учитывающих все стороны рассматриваемой проблематики, не обнаружено. Это, очевидно, объясняется необходимостью учета большого числа факторов, влияющих на параметры резонанса, а также сложностью адекватного математического моделирования процессов в волноводе Земля-ионосфера с учетом его анизотропии. По этим причинам большинство работ в этой области носит частный характер.

Многочисленные длительные наблюдения позволили выявить у параметров резонанса Шумана вариации различной природы и периодичности, которые можно поделить на три основные группы (см. рис.3.1):

Асинхронные вариации, период которых не связан с известным стабильным периодом какого-либо внешнего фактора, к которым можно отнести быстрые вариации c периодом в единицы и десятки минут (фоновый шум), а также околосуточные вариации с более длительным периодом.

Синхронные вариации, период которых определяется известным стабильным периодом какого-либо внешнего фактора, к которым можно отнести вариации, синхронизированные с вращением Земли вокруг своей оси (суточные), с вращением Солнца вокруг своей оси (27-суточные), с вращением Земли вокруг Солнца (сезонные или внутригодичные) и с периодами солнечной активности (11-ти и 22-х летние).

Однократные вариации - вариации, вызванные воздействием на ионосферу мощными всплесками ионизирующих излучений.

Рис. 3.1. Вариации резонанса Шумана

 

Быстрые вариации

Быстрые вариации параметров резананса Шумана имеют период, измеряемый минутами (минимальное регистрируемое значение ограничено интервалом усреднения данных и в среднем для различных станций мониторинга составляет 10 - 15 минут). Данные вариации резко выделяются своими зубцами на суточных диаграммах параметров (см. рис.3.2) и могут иметь размах от долей до единиц процентов и более, а во временной области - до 3-5 pT (магнитная компонента). Они обусловлены быстрыми флуктуациями рентгеновского излучения Солнца, солнечного ветра, нестационарными внутренними электромагнитными процессами в атмосфере, ионосфере и магнитосфере, случайными флуктуациями грозовой активности, локальными природными и техногенными помехами и целым рядом других причин.

Рис. 3.2. Быстрые вариации частот и амплитуд резонанса Шумана

Графики взяты с сайта Space Observing System Томского Государственного Университета

Параметры быстрых вариаций определяются суммой многих факторов, поэтому извлечь из них какую либо значимую информацию проблематично. По этой причине регулярные быстрые вариации считаются шумом, и основная масса исследований, связанных с ними, направлена на решение задач выделения на их фоне одиночных полезных сигналов, в частности, Q-импульсов - всплесков, вызванных сверхмощными грозовыми разрядами в верхних слоях атмосферы.

Околосуточные вариации

Околосуточные (diurnal) вариации также представляют собой случайные вариации, но с существенно большим, чем у быстрых вариаций, периодом - от единиц до десятков часов. Они обнаруживаются при сопоставлении графиков суточных вариаций. Природа их, в основном, та же, что и у быстрых вариаций, но наибольший вклад вносят околосуточные вариации рентегновского излучения Солнца (могут изменять высоту слоя D на величину до 6 км) и флуктуации солнечного ветра (могут изменять высоту слоя D на величину до 2,5 км). В большинстве исследований медленным околосуточным асинхронным вариациям также не уделяется какого-либо значимого внимания, и они обычно рассматриваются в контексте случайной компоненты синхронных суточных вариаций.

 

Суточные вариации частот

Как уже было сказано, центральные частоты резонансов определяются параметрами волновода Земля - ионосфера, а именно высотой нижней границы слоя D и профилем его проводимости, которые, в свою очередь, определяются энергией ионизирующих излучений Солнца и мезосферы. Величина суммарной энергии этих излучений на дневной стороне превышает энергию излучения на ночной стороне, в зависимости от положения Солнца на эклиптике, в 200 - 700 раз, что влечет за собой значительную разницу высот и профилей проводимости слоя D (cтруктура и параметры ионизирующих излучений и слоя D являются предметом отдельной публикации и здесь не рассматриваются).

В случае симметричной относительно географических полюсов ионосферы вращение Земли не должно оказывать какого-либо влияния на усредненные по дневной и ночной сторонам параметры волновода Шумана. Однако полная симметрия ионосферы в силу ряда причин (здесь мы их не рассматриваем) отсутствует, поэтому усредненные параметры глобального волновода и, соответственно, значения частот резонансов должны зависеть как от угла поворота Земли относительно своей оси, так и от взаимного расположения источника и приемника электромагнитных волн. Многочисленные наблюдения подтвердили наличие такого рода зависимостей. В частности, установлено, что частоты изменяются синхронно с вращением Земли вокруг своей оси, при этом текущие значения частот в один и тот же момент глобального (UT-Universal Time) времени в различных регионах могут отличаться, но динамика их изменения схожа и экстремальные значения наблюдаются приблизительно в одно и то же глобальное время.

Рис. 3.3. Пример суточных вариаций частоты первой моды резонанса Шумана
(компонента Ez, станция Nagycenk)

Источник иллюстрации: G.Satori. Monitoring Schumann resonances-II. Daily and seasonal frequency variations.

На рис.3.3 представлены графики суточных вариаций частоты первой моды вертикальной электрической компоненты по данным измерений станции мониторинга Nagycenk (Венгрия) для 4-х последовательных дней мая 1994 года, а на рис.3.4. - графики того же параметра по данным Модраской обсерватории (слева) и станций Holister и Томского Университета (справа), но усредненные за длительный период.

Рис. 3.4. Пример усредненных суточных вариаций частоты первой моды резонанса Шумана
(компонента Ez, слнева - станция Модра, справа - станции Holister + ТГУ)

Источники иллюстраций:
1. A.Ondraskova, P.Kostecky, S.Sevcik, L.Rosenberg. Long-term observations of Schumann resonances at Modra Observatory).
2. А.Деревянных, С.Колесник. Сезонно-суточные закономерности параметров шумановских резонансов в разных регионах Земли.

Как видно из графиков, частота первой моды циклически изменяется с периодом в 1 сутки, при этом имеет место определенный разброс между графиками в различные даты, а также наличие вариаций более высокого порядка, что, очевидно, связано в т.ч. и с влиянием описанных выше асинхронных околосуточных вариаций. Кроме того, вариации имеют различный вид и параметры для различных компонент электромагнитного поля (см., например, рис. 3.5.). Частоты мод более высоких порядков также подвержены синхронным суточным вариациям, однако данные вариации имеют больший разброс и имеют менее выраженную суточную составляющую.

Аналогичные результаты получены и в других исследованиях на целом ряде станций в различных географических регионах земного шара. Кроме того, установлено, что значения экстремумов и их расположение на временной оси подвержены сезонным циклическим изменениям (подробнее см. в следующем параграфе).

Суточные вариации добротностей

Добротность, как и частота, является параметром частотной характеристики резонатора Земля - ионосфера и также зависит главным образом от профиля проводимости слоя D. Однако эта зависимость имеет другой вид (см. рис.3.5.). В отличие от частот и амплитуд, исследованию и анализу вариаций добротности уделяется существенно меньшее внимание и публикаций, объясняющих закономерности суточных вариаций добротностей на момент написания настоящего обзора обнаружить не удалось.

Рис. 3.5. Усредненные суточные вариации добротностей первой моды резонанса Шумана в сравнении с вариациями частот для различных компонент электромагнитного поля и различных положений Солнца на эклиптике (станция Mitzpe Ramon).

Источник иллюстрации: C.Price, A.Melnikov. Diurnal, seasonal and inter-annual variations in the Schumann resonance parameters.

Суточные вариации амплитуд

Амплитуда резонанса определяется, в первую очередь, энергией накачки со стороны мировых грозовых центров, активность которых зависит от их локального времени суток. С другой стороны, энергия в точке приема определяется ее расположением относительно данных центров, а именно:

• азимутами, влияющими на соотношение амплитуд горизонтальных компонент поля;
• удаленностью, определяющей затухание вследствие потерь и вследствие изменения сечения волновода (см. трехмерное представление резонанса);
• фазой в точке приема, определяющей изменение амплитуды в соответствии с фазой стоячей волны (см. физический принцип),

а также параметрами локальной грозовой активности.

По этим причинам амплитуда резонансов циклически изменяется с суточным периодом, но ее значение и характер изменения могут отличаться для различных точек наблюдения при сохранении отдельных общих закономерностей (см. рис.3.6)

Рис. 3.6. Усредненные суточные вариации ампдитуды первой моды резонанса Шумана для различных компонент электромагнитного поля и различных положений Солнца на эклиптике (вверху - станция Mitzpe Ramon, внизу - станция Maitri).

Источники иллюстраций:
1. C.Price, A.Melnikov. Diurnal, seasonal and inter-annual variations in the Schumann resonance parameters. 2. S.Manu, R.Rawat, A.K.Sinha, S.Gurubaran, K.Jeeva. Schumann resonances observed at Maitri, Antarctica: diurnal variation and its interpretation in terms of global thunderstorm activity.

Влияние солнечного терминатора

Кроме глобальных синхронных суточных вариаций параметров резонанса Шумана в ряде исследований также было обнаружено наличие локальных кратковременных вариаций, вызванных локальными переходными процессами в ионосфере во время восхода и захода Солнца. Эти вариации различны для различных компонент поля и различных регионов и носят характер кратковременных переходных процессов (см. рис. 3.7.).

Рис. 3.7. Влияние прохождения солнечного терминатора на параметры резонанса Шумана
(станция Hollister).

Источник иллюстрации: A.Melnikov, C.Price, G.Satori, M.Fullekrug. Infuence of solar terminator passages on Schumann resonance parameters.

 

 

 

27-суточные вариации обусловлены изменением интенсивности падающего на Землю суммарного ионизирующего излучения Солнца вследствие его вращения вокруг своей оси. Наибольший вклад при этом вносит изменение интесивности рентегновского излучения, которое может достигать нескольких десятков процентов, что может вызывать изменение высоты слоя D на величину до 200 м. Однако такое изменени высоты весьма незначительно сказывается на параметрах резонанса, в силу чего данные вариации трудноразличимы на фоне вариаций, вызванных другими факторами. По указанной причине им практически не уделяется внимания в исследованиях и они представляют лишь теоретический интерес.

 

Сезонные вариации частот

Сезонные вариации частот обусловлены как изменением интенсивности падающего на Землю ионизирующего излучения вследствие изменения расстояния от Земли до Солнца в течение года, так и изменением характера и степени асимметрии ионосферы вследствие изменения сооотношения длительности дня и ночи в северном и южном полушариях.

Изменение падающего на Землю ионизирующего потока в течение года составляет около 7%, что вызывает незначительные (сотни метров) изменения высоты и проводимости слоя D и, соответственно, незначительные изменения частот. Основной же вклад вносит второй фактор, поэтому в сезонных вариациях отчетливо выделяется полугодичный период.

На рис.3.8. приведены примеры графиков сезонно-суточных вариаций частоты первой моды. Из них видно, что амплитуда суточных вариаций максимальна в зоне солнцестояний и минимальна в зоне равноденствий, при этом время суточного максимума частоты в течение года циклически сдвигается вправо. Т.о., налицо две составляющие сезонного цикла - годичная и полугодичная.

Рис. 3.8. Пример усредненных сезонно-суточных вариаций частоты первой моды резонанса Шумана (станция Nagycenk)

Источник иллюстрации: G.Satori. Monitoring Schumann resonances-II. Daily and seasonal frequency variations.

Данная зависимость для одной и той же местности стабильно воспроизводится из года в год. На рис.3.9. она показана в долговременном формате, из которого видно, что для станции Nagycenk минимум амплитуды суточных вариаций приходится на апрель-май, а максимум приходится на ноябрь - февраль. Для других регионов соотношение максимумов и минимумов и их расположение может быть несколько иным. Т.о., полугодичная и годичная составляющие имеют значительную степень асимметрии и зависят от координат точки наблюдения, что подтверждает, по мнению автора настоящего обзора, влияние асимметрии ионосферы.

Рис. 3.9. Пример усредненных помесячно сезонно-суточных вариаций частоты первой моды резонанса Шумана (компонента Ez, станция Nagucenk)

Источник иллюстрации: А.П.Николаенко. Мониторинг пиковых частот шумановского резонанса и аналемма.

Кроме того, авторы указанных выше работ (источников иллюстраций к рис.3.8 и рис.3.9) высказывают предположение, что первопричиной сезонных изменений амплитуды суточных вариаций частоты являются сезонные изменения широты глобальных центров грозовой активности, коррелирующие, в свою очередь, с солнечной аналеммой. Однако и в этом случае для изменения частоты требуется наличие анизотропии ионосферы.

Сезонные вариации пиковых значений частот можно проследить по тем же графикам рис.3.9. Хорошо видно, что минимум частот приходится на декабрь-январь, а максимум - на июнь-июль.

Сезонные вариации амплитуд

Главным источником сезонных вариаций амплитуд резонанса Шумана являются сезонные колебания грозовой активности глобальных грозовых центров. На рис.3.10 представлены графики сезонных вариаций среднесуточных амплитуд первой моды резонанса, полученные путем одновременного наблюдения на станциях West Greenwich и Nagucenk.

Рис. 3.10. Пример сезонных вариаций среднесуточных амплитуд первой моды резонанса Шумана (слева - спектральная плотность мощности компоненты Hxy, станция West Greenwich, справа - относительная мощность компоненты Ez, станция Nagucenk).

Источник иллюстрации: G.Satori, E.R.Williams, B.Zicger, R.Boldi, S.Heckman, K.Rothkin. Сomparisons of long-term Scumann resonance records in Europe and North America.

Как видно, характер зависимостей в двух точках наблюдения, значительно удаленных друг от друга, во многом совпадает: обнаруживается как компонента годичного цикла, так и полугодичного, главные максимумы приходятся на июнь-июль, активный рост начинается с периода весеннего равноденствия, а дополнительные максимумы существенно слабее и приходятся на октябрь-ноябрь. В то же время для индийской антарктической станции Maitri максимумы приходятся на январь-февраль и июнь-июль и сравнимы по величине (см. рис.3.6), т.е. характер сезонных вариаций несколько иной, что подтверждает влияние расположения точки наблюдения относительно грозовых центров.

 

В течение 11-летнего цикла солнечной активности изменяется средняя интенсивность ультрафиолетового (до 2-х раз) и рентгеновского (до 100 раз) излучений. Это приводит к изменению высоты нижней границы слоя D ионосферы на 4-6 км, а также косвенным образом влияет на параметры грозовой активности. Результатом является 11-летний цикл вариаций параметров резонанса Шумана, в течение которого усредненные частоты и амплитуды изменяются таким же образом, что и показатели солнечной активности (см. рис.3.11)

Рис. 3.11. 11-летние вариации параметров резонанса Шумана

Источник иллюстрации: A.P.Nickolaenko, A.V.Koloskov, M.Hayakawa, Yu.M.Yampolski, O.V.Budanov, V.E.Korepanov. 11-year solar cycle in Schumann resonance data as observed in Antarctica.

Вариации, вызванные 22-х летним циклом солнечной активности, не исследовались.

 

Однократные вариации возникают вследствие однократного воздействия на ионосферу мощных внешних факторов, изменяющих параметры ее ионизации. К таковым относятся всплески солнечного космического излучения, являющиеся результатом солнечных вспышек, и всплески галактического космического излучения.

Вариации под воздействием всплесков солнечного излучения.

Солнечная вспышка сопровождается мощным всплеском рентеновского излучения, за которым следует выброс массы солнечного вещества. Всплеск рентгеновсого излучения, достигая ионосферы, на короткое время повышает степень ионизации слоя D, тем самым повышая его проводимость и понижая его нижнюю границу на освещенной стороне. Вследствие этого наблюдается кратковременное повышение пиковой частоты резонанса.

Если солнечное вещество выброса содержит большое количество высокоэнергетических протонов, то такая вспышка называется «солнечным протонным событием» - SPE (Solar Proton Event). Достигая ионосферы, высокоэнергетические протоны смещают зону высокой проводимости слоя D вверх (физика процесса здесь не рассматривается), что понижает частоту резонанса, после чего происходит затухание переходного процесса с переходом к значениям, определяемым текущим состоянием ионосферы (см. рис.3.12).

Рис. 3.12. Вариация частоты резонанса Шумана при солнечном протонном событии

Источники иллюстрации:
1. V.C.Roldugin, Ye.P.Maltsev, A.N.Vasiljev, E.V.Vashenyuk. Changes of the 1st Schumann resonance frequency during relativistic solar proton precipitation in the 6 November 1997 event.
2. Minu Sanfui and Debasish Biswas. On the Variation of the First Mode Schumann Resonance Frequency During a Solar Proton Event.

Вариации под воздействием гамма-всплесков галактического излучения.

Данный вид вариаций резонанса Шумана носит более теоретический, чем практический характер, т.к. мощность достигающего Земли излучения большинства регистрируемых гамма-всплесков не в состоянии вызвать ощутимых изменений в ионосфере. Единственный за всю историю наблюдений поток энергии гамма-всплеска, имеющий достаточную для ощутимого воздействия мощность, был зарегистрирован 27 декабря 2004 года. Его «след» в параметрах резонанса Шумана был обнаружен в архивных данных японской станции мониторинга Moshiri (см. рис.3.13).

Рис. 3.12. Вариация частоты резонанса Шумана при солнечном протонном событии
(слева - диаграммы параметров во временной области, справа - спектрограмма магнитной компоненты «север-юг»)

Источник иллюстрации: A.P.Nickolaenko, I.G.Kudintseva, O.Pechony, M.Hayakawa, Y.Hobara, Y.T.Tanaka. The effect of a gamma ray flare on Schumann resonances.

Как видно, эффект воздействия заметен и во временной, и в частотной области. Однако он носит весьма кратковременный характер в силу кратковременного характера всплеска. Предполагается, что такой гамма всплеск не столько изменяет параметры резонанса за счет воздействия на ионосферу, сколько сам является источником электромагнитного импульса (см. А.П.Николаенко. Параметрический источник всплесков СНЧ-излучения).

 

Несмотря на большое число исследований по вопросам вариаций параметров резонанса Шумана, на сегодняшний день отсутствует детальное и полное понимание их физической природы. Упомянутое в начале настоящей главы представление о том, что на частоты преимущественно влияет высота границ слоя D ионосферы, а на амплитуды - активность глобальных грозовых центров, является упрощенным. В данных мониторинга выявляются и другие достаточно значимые корреляции. Например, изменение высоты нижней границы слоя D в 11-летнем цикле солнечной активности коррелирует с вариациями амплитуд (см. рис.3.11), а сезонное смещение центров грозовой активности по широте коррелирует с сезонными вариациями частот. Такая ситуация приводит к появлению различных моделей и гипотез, зачастую альтернативных.

Углубление в проблематику физической природы и математических моделей вариаций резонанса Шумана выходит за рамки настоящего обзора. Необходимую дополнительную информацию интересующиеся читатели могут получить из публикаций, ссылки на которые приведены как в данной главе, так и в других главах настоящего обзора.

* * * * *

 

 

Опубликовано 22.12.2016. Последнее изменение - нет.

© Janto 2016 Все права защищены