Резонанс Шумана (шумановский резонанс)

 

Простейшая модель сферического объемного резонатора

Рассмотрим объемный резонатор, состоящий из двух концентрических проводящих сфер^[1]. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . Внутренняя сфера представляет собой поверхность Земли, а внешняя — ионизированный газ ионосферы, находящийся на высоте около 80 км над землей.

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

Для первых пяти гармоник эта формула дает 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^[2] Винфрид Отто Шуман проанализировал колебания, возникающие в сферическом объемном резонаторе. При этом он учитывал, что поверхность земли имеет постоянную проводимость около σ = 10⁻³См/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

что для первых пяти гармоник дает 8,5 — 14,7 — 20,8 — 26,8 — 32,9 Гц.

Причины возникновения волн 

Существует несколько гипотез возникновения электромагнитных волн в полости Земля-ионосфера.

«Грозовая» гипотеза  

Разряды молнии, как полагают, являются первичным естественным источником возбуждения резонанса Шумана. Молнии ведут себя как огромные передатчики, которые излучают электромагнитную энергию на частотах ниже 100 кГц.^[3] Они-то и являются 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.

Характеристики 

После многочисленных исследований и перепроверок была точно определена частота резонанса Шумана — 7,83 Гц. Из-за волновых процессов плазмы внутри Земли наиболее четко наблюдаются пики на частотах примерно 8, 14, 20, 26, 32 Гц. Для основной, самой низкой частоты, возможны вариации в пределах 7—11 Гц, но большей частью в течение суток разброс резонансных частот обычно лежит в пределах ±(0,1—0,2) Гц.  Спектральная плотность колебаний составляет 0,1 мВ/м.

Интенсивности резонансных колебаний и их частоты зависят:

• От времени суток. Ночью амплитуда резонансных волн меньше в 5—10 раз, из-за уменьшения скорости расхода воды в океанском конвейере (ОК), уменьшения взаимных скоростей петель ОК;
• От времени года. В летние месяцы (с мая по август в северном полушарии) частоты резонансов повышаются^[4]. В южном полушарии повышение частот резонансов происходит с ноября по февраль;
• От местонахождения на земном шаре. Волны Шумана наиболее отчетливо выражены вблизи мировых очагов гроз: Африка, Южная Америка, Индонезия, Индия (в местах однонаправленных петель расхода воды в ОК). В приполярных регионах амплитудные пики на этих частотах уже не столь выражены (минимальная токовая составляющая вектора напряженности электрического поля Е). На полюсах максимален вектор напряженности магнитного поля Н, вектор Е минимален, на экваторе наоборот;
• От солнечной активности. Во время магнитных бурь их интенсивность возрастает на 15 %. Есть случаи возбуждения частот в 12 500 Гц, что соответствует движению в ядре Земли на глубине 3,6 км от центра ядра Земли;
• От скорости расхода воды в ОК;
• Фаз луны;
• Периодов солнечной активности.

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^[5][6]. В 1900 году, по всей видимости независимо, к схожему выводу пришел Никола Тесла, запатентовавший в 1905 году свое открытие ^[7]. Н. Тесла, однако, по всей видимости, не знал о существовании ионосферного слоя и вообще проводимости атмосферы, поэтому рассчитанные им частоты резонансов оказались неверными^[8].

Однако систематическое изучение эффекта, позднее ставшего известного как «резонанс Шумана», началось только спустя почти 50 лет. Предположение о существовании резонанса электромагнитных волн в пространстве Земля — ионосфера высказал профессор Мюнхенского университета В. О. Шуман в 1952 году^[9]. Основные результаты его исследований были опубликованы им в трех статьях^[10][11][12].

Первое бесспорное экспериментальное подтверждение наличия резонансов Шумана было сделано в 1960 году^[13].

Продолжил изучение Вольфганг Людвиг, проводивший эксперименты в открытом море и в подземных шахтах. В. Людвиг выпустил книгу о резонансе Шумана «Информативная медицина».

Затруднения в исследовании волн Шумана обусловлены тем, что для их приема требуется специальная очень чувствительная аппаратура^[14] и соответствующая окружающая обстановка: даже движение деревьев, животных или людей рядом с приемником может повлиять на его показания^[15].

В сентябре 2011 г.^[16] волны резонанса Шумана были зарегистрированы на высоте до 850 км спутником C/NOFS. Ранее ограничением высоты таких волн считалось 100 км.^[17]

Станции для постоянного наблюдения за резонансом Шумана располагаются:

• Россия, г. Томск, Томский государственный университет. Данные на сайте обновляются каждые два часа;
• Словакия, г. Модра, геофизическая обсерватория.