Loading AI tools
образования стоячих электромагнитных волн сверхнизких частот между поверхностью Земли и ионосферой Из Википедии, свободной энциклопедии
Резона́нсом Шу́мана называется явление образования стоячих электромагнитных волн сверхнизких частот (единицы и десятки герц) между поверхностью Земли и ионосферой. Явление теоретически обосновано и экспериментально обнаружено немецким физиком В. О. Шуманом в 1952—1954 годах.
Стоячие волны возникают в волноводе, образованном поверхностью Земли и её ионосферой. Для электромагнитных волн они представляют собой гигантский сферический резонатор, полость которого заполнена слабоэлектропроводящей средой. Если возникшая в этой среде электромагнитная волна после огибания земного шара снова совпадает с собственной фазой (входит в резонанс), то она может существовать долгое время.
Рассмотрим объёмный резонатор, состоящий из двух концентрических проводящих сфер[1]. Внутренняя сфера представляет собой поверхность Земли, а внешняя — ионизированный газ ионосферы, находящийся на высоте около 80 км над Землёй.
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 даёт 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 объёмном резонаторе. При этом он учитывал, что поверхность земли имеет постоянную проводимость около σ = 10−3 См/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 даёт 8,5 — 14,7 — 20,8 — 26,8 — 32,9 Гц.
Существует несколько гипотез возникновения электромагнитных волн в полости «поверхность Земли — ионосфера».
Согласно «грозовой» гипотезе, первичным естественным источником возбуждения резонанса Шумана являются разряды молнии. Молнии ведут себя как огромные передатчики, которые излучают электромагнитную энергию на частотах ниже 100 кГц[3]. Именно они становятся 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.
На Земле ежесекундно происходит примерно 2000 грозовых бурь, сопровождающихся приблизительно 50 вспышками молний. Каждая молния генерирует электромагнитные волны, которые начинают вращаться вокруг планеты, оказываются в «ловушке» между поверхностью Земли и ионосферой на высоте около 96 километров. Некоторые из этих волн, если их длина соответствует определенным условиям, сливаются, усиливаясь и создавая регулярные атмосферные пульсации, известные как резонанс Шумана. Этот резонанс является ценным инструментом для анализа погоды, электрической обстановки и химического состава атмосферы Земли[4].
Для достижения резонанса требуется, чтобы длина этих волн была кратна длине окружности Земли. Таким образом, получается крайне низкочастотная волна, достигающая частоты около 8 Гц — примерно в сто тысяч раз ниже частот используемого для радиовещания диапазона средних волн. Когда эти волны охватывают Землю, гребни и впадины совпадают в оптимальной точке, создавая особый эффект[4].
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 пришёл Никола Тесла, запатентовавший в 1905 году своё открытие[7]. Тесла охарактеризовал Землю как резонансный контур, и был недалёк от истины — по его подсчётам, резонанс составлял 6,18—30 Гц[8] (эти значения довольно близки к полученным экспериментально 7,83—32,4 Гц). Английский физик Оливер Хэвисайд предположил наличие ионизированного слоя в атмосфере ещё в 1902 году.
В 1952 году В. О. Шуман, в то время возглавлявший Институт электрофизики Мюнхенского технического университета (англ. Electrophysical Institute at the Technical University of Munich), опубликовал первую свою статью об электромагнитных волнах в волноводе, сформированном земной поверхностью и ионосферой. После этой публикации началось активное изучение того, что впоследствии назвали «резонансом Шумана»[9].
Теоретическое обоснование явления описано им в трёх статьях:
В 1954 году Шуман и Х. Кёниг (нем. Herbert König) опубликовали работу с результатами своих измерений этих резонансных колебаний[10].
Первое бесспорное (независимое) экспериментальное подтверждение наличия резонансов Шумана было получено в 1960 году[11].
Затруднения в исследовании волн Шумана обусловлены тем, что для их приёма требуется специальная очень чувствительная аппаратура[12] и соответствующая окружающая обстановка: даже движение деревьев, животных или людей рядом с приёмником может повлиять на его показания[13].
Интерес к резонансу Шумана возродился в 1990-х годах, с появлением более совершенной аппаратуры[10].
В сентябре 2011 года волны резонанса Шумана были зарегистрированы на высоте до 850 км спутником C/NOFS[14] (ранее ограничением высоты таких волн считалось 100 км)[15].
Основные станции наблюдения за резонансными волнами Шумана[16]:
Seamless Wikipedia browsing. On steroids.
Every time you click a link to Wikipedia, Wiktionary or Wikiquote in your browser's search results, it will show the modern Wikiwand interface.
Wikiwand extension is a five stars, simple, with minimum permission required to keep your browsing private, safe and transparent.
