Резонанс Шумана

14.01.2022

Резонансом Шумана 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.

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.

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

f n = c n L ≈ 7 , 5 n  Гц . {displaystyle f_{n}={frac {cn}{L}}approx 7{,}5n{ ext{ Гц}}.}

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 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

f n = V ( σ ) L n ( n + 1 ) ≈ 6 , 0 n ( n + 1 )  Гц , {displaystyle f_{n}={frac {V(sigma )}{L}}{sqrt {n(n+1)}}approx 6{,}0{sqrt {n(n+1)}}{ ext{ Гц}},}

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

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

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.

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

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

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

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

    Основные станции наблюдения за резонансными волнами Шумана:

    • станция Томского государственного университета (Россия, Томск);
    • станция Модраской обсерватории, (Словакия, Модра);
    • станция Лехта (Россия);
    • станция West Greenwich (США);
    • станция Hollister и Parkfield (США);
    • станция Moshiri (Япония);
    • станция Мартовая (Украина);
    • станция Университета Иоаннина (Греция);
    • станция Nagucenk (Венгрия);
    • станция Mitzpe Ramon (Израиль);
    • полярные станции.