Резонанс Шумана

Резона́нс Шу́мана — явище появи стоячих електромагнітних хвиль низьких і наднизьких частот в атмосфері (між поверхнею Землі та іоносферою). Вперше передбачене німецьким фізиком Вінфрідом Шуманом. Земля та її іоносфера — це гігантський сферичний резонатор, порожнина якого має низьку електропровідність. Якщо електромагнітна хвиля, що виникла в цьому середовищі, після огинання земної кулі знову збігається із власною фазою (входить у резонанс), то вона може існувати довгий час.

Анімація резонансу Шумана в атмосфері Землі.

Електромагнітні коливання наднизької частоти, які виникать в резонансній порожнині між поверхнею Землі й іоносферою (резонанс Шумана).

Типовий спектр електромагнітних коливань наднизької частоти з резонансами Шумана. Пік на 50 Гц зумовлений частотою змінного струму у промисловій електромережі.

Типовий добовий хід частоти першої гармоніки резонансу Шумана.

Математична модель

Найпростіша модель сферичного об'ємного резонатора

Розглянемо об'ємний резонатор, що складається з двох концентричних електропровідних сфер^[1]. Внутрішню сферу представляє поверхня Землі, а зовнішню — іонізований газ іоносфери, що на висоті близько 80 км над поверхнею землі.

Припустимо, що електромагнітна хвиля, n раз відбиваючись від поверхні Землі та іоносфери, огинає земну кулю. Якщо на шляху довкола Землі укладається ціле число відбивань, то виникає резонанс, і така хвиля може існувати тривалий час. Вважаючи, що хвиля поширюється зі швидкістю світла с = 300 000 км/с, а довжина екватора Землі становить L = 40 000 км, отримаємо частоту коливань, що дорівнює

${\displaystyle f_{n}={\frac {cn}{L}}\approx 7{,}5n{\text{ Hz}}.}$

Для перших п'яти гармонік ця формула дає ряд частот 7,5 — 15,0 — 22,5 — 30,0 — 37,5 … Гц. Порівнюючи теоретичні частоти з частотами, отриманими експериментально (7,83 — 14,1 — 20,3 — 26,4 — 32,4 … Гц), бачимо, що при хорошому збігу частоти першої гармоніки похибка з ростом n збільшується.

У своїй оригінальній роботі^[2] Шуман проаналізував коливання, що виникають у сферичному об'ємному резонаторі. При цьому він враховував, що поверхня землі має сталу провідність близько σ = 10⁻³ См / м, а провідність іоносфери на висотах 70—90 км змінюється в межах σ = 10⁻⁵—10⁻³ См/м. Через це середня швидкість поширення електромагнітної хвилі V (σ) приблизно на 20 % менше, ніж при відбитті від сфери з нескінченною провідністю. Для частоти n-ї гармоніки Шуман отримав

${\displaystyle f_{n}={\frac {V(\sigma )}{L}}{\sqrt {n(n+1)}}\approx 6{,}0{\sqrt {n(n+1)}}{\text{ Hz}},}$

що для перших п'яти гармонік дає 8,5 — 14,7 — 20,8 — 26,8 — 32,9 Гц.

Причини виникнення хвиль

Існує декілька гіпотез виникнення електромагнітних хвиль у порожнечі Земля—іоносфера

«Грозова» гіпотеза

Розряди блискавки, як вважають, є первинним природним джерелом збудження резонансу Шумана. Блискавки виступають як величезні передавачі, які випромінюють електромагнітну енергію на частотах до 100 кГц.^[3] Саме вони є причиною збудження електромагнітних коливань у широкому діапазоні частот. Це явище, на думку більшості фахівців, пояснює наявність стійких наднизькочастотних коливань, які майже не загасають і мають фіксовані частоти.

Характеристики

Після численних досліджень і повторних оглядів було точно визначено частоту резонансу Шумана — 7,83 Гц. Через хвильові процеси в плазмі всередині Землі найчіткіше спостерігаються піки на частотах приблизно 8, 14, 20, 26, 32 Гц. Для основної, найнижчої частоти, можливі варіації у межах — 1 Гц, але здебільшого протягом доби розкид резонансних частот лежить у межах ± (0, — ,2) Гц^{[уточнити]}. Спектральна густина коливань становить 0,1 мВ/м.

Інтенсивність резонансних коливань та їх частот залежать від таких чинників.

• Час доби. Уночі амплітуда резонансних хвиль менша у 5—10 разів через зменшення швидкості витрати води в океанському конвеєрі (ОК), зменшення взаємних швидкостей петель ОК.
• Пора року. У літні місяці (з травня по серпень у північній півкулі) частоти резонансів підвищуються^[4]. У південній півкулі підвищення частот резонансів відбувається з листопада по лютий;
• Місце на земній кулі. Хвилі Шумана найчіткіше виражені поблизу світових осередків гроз: Африка, Південна Америка, Індонезія, Індія (в місцях односпрямованих петель витрати води в ОК). У приполярних регіонах амплітудні піки на цих частотах вже не настільки виражені (мінімальна струмова складова вектора напруженості електричного поля Е). На полюсах максимальний вектор напруженості магнітного поля Н, вектор Е мінімальний, на екваторі навпаки.
• Сонячна активність. Під час магнітних бур їх інтенсивність зростає на 15 %. Є випадки збудження частот в 12 500 Гц, що відповідає руху в ядрі Землі на відстані 3,6 км від центру ядра Землі.
• Швидкість витрати води в ОК.
• Фаза Місяця.
• Період сонячної активності.

Історія досліджень

Уперше наявність стоячих електромагнітних хвиль та їхні частоти в системі «поверхня Землі — іоносфера» передбачив ірландський фізик Джордж Френсіс Фіцджеральд в 1893 році^[5][6]. У 1900 році, найпевніш незалежно, до подібного висновку прийшов Нікола Тесла, який запатентував у 1905 році своє відкриття^[7]. Н. Тесла, проте, як видно, не знав про існування іоносферного шару і взагалі про провідність атмосфери, тому розраховані ним частоти резонансів виявилися хибними^[8].

Однак систематичне вивчення ефекту, що пізніше став відомий як «резонанс Шумана», почалося тільки через майже 50 років. Припущення про існування резонансу електромагнітних хвиль у просторі Земля — ​​іоносфера висловив професор Мюнхенського університету Вінфрід Отто Шуман у 1952 році^[9]. Основні результати досліджень він опублікував у трьох статтях^[10][11][12].

Перше беззаперечне експериментальне підтвердження наявності резонансів Шумана зроблено в 1960 році^[13]. Продовжив вивчення Вольфганг Людвіг, який проводив експерименти у відкритому морі і в підземних шахтах. Він випустив книгу про резонанс Шумана «Інформативна медицина».

Труднощі в дослідженні хвиль Шумана обумовлені тим, що для їх приймання потрібна спеціальна надчутлива апаратура^[14] і відповідне навколишнє оточення: навіть рух дерев, тварин або людей поруч із приймачем може вплинути на його покази^[15].

У вересні 2011 року^[16] хвилі резонансу Шумана зареєстровано на висоті до 850 км супутником C/NOFS^[en]. Раніше межею висоти таких хвиль вважались 100 км^[17].

Розміщення станцій постійного спостереження за резонансом Шумана:

• Росія, м. Томськ, Томський державний університет. Дані на сайті оновлюються кожні дві години;
• Словаччина, м. Модра, геофізична обсерваторія.

Згадки в популярній культурі

• Резонанс Шумана грає важливу роль у поясненні технології в науково-фантастичному серіалі Експерименти Лейн.
• В одному зі сезонів X-Files у серії 3x03 (D.P.O.) агент Малдер згадує резонанс Шумана.