Резонанс Шумана

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 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.

Анимация резонанса Шумана в атмосфере Земли:

Математическая модель

Рассмотрим объёмный резонатор, состоящий из двух концентрических проводящих сфер. Внутренняя сфера представляет собой поверхность Земли, а внешняя — ионизированный газ ионосферы, находящийся на высоте около 80 км над землёй.

Простейшая модель сферического объёмного резонатора

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

Электромагнитные колебания сверхнизкой частоты, возникающие в резонансной полости между поверхностью земли и ионосферой (резонанс Шумана):

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.

Типичный спектр электромагнитных колебаний сверхнизкой частоты с резонансами Шумана. Пик на 50 Гц обусловлен частотой переменного тока в промышленной электросети

В своей оригинальной работе 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

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

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

Типичный суточный ход частоты первой гармоники резонанса Шумана

Причина возникновения волн

Существует несколько гипотез возникновения электромагнитных волн в полости «поверхность Земли — 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.

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[4][5]. В 1900 году, по всей видимости независимо, к схожему выводу пришёл Никола Тесла, запатентовавший в 1905 году своё открытие[6]; Тесла охарактеризовал Землю как резонансный контур; он был недалёк от истины — по его подсчётам, резонанс составлял 6,18—30 Гц[7] (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».[8]

Теоретическое обоснование явления описано им в трёх статьях:

W.O. Schumann, Über die strahlungslosen Eigenschwingungen einer leitenden Kugel, die von einer Luftschicht und einer Ionosphärenhülle umgeben ist, Zeitschrift und Naturfirschung 7a, 1952, SS. 149—154

W.O. Schumann, Über die Dämpfung der elektromagnetischen Eigenschwingnugen des Systems Erde — Luft — Ionosphäre, Zeitschrift und Naturfirschung 7a, 1952, SS. 250—252

W.O. Schumann, Über die Ausbreitung sehr Langer elektriseher Wellen um die Signale des Blitzes (недоступная ссылка), Nuovo Cimento 9, 1952, pp. 1116—1138. doi:10.1007/BF02782924</ref>.

В 1954 году Шуман и Х. Кёниг (нем. Herbert König) опубликовали работу с результатами своих измерений этих резонансных колебаний[9].

Первое бесспорное (независимое) экспериментальное подтверждение наличия резонансов Шумана было сделано в 1960 году[10].

Затруднения в исследовании волн Шумана обусловлены тем, что для их приёма требуется специальная очень чувствительная аппаратура[11] и соответствующая окружающая обстановка: даже движение деревьев, животных или людей рядом с приёмником может повлиять на его показания[12].

Интерес к резонансу Шумана возродился в 1990-х, с появлением более совершенной аппаратуры[9].

В сентябре 2011 г. волны резонанса Шумана были зарегистрированы на высоте до 850 км спутником C/NOFS[13] (ранее ограничением высоты таких волн считалось 100 км).[14]

Основные станции наблюдения за резонансными волнами Шумана.​