Schumannova rezonance

Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými přispěvateli a může se výrazně lišit od verze recenzované 19. srpna 2022; kontroly vyžadují 13 úprav .

Schumannova rezonance je jev vzniku stojatých elektromagnetických vln ultranízkých frekvencí (jednotky a desítky hertzů) mezi zemským povrchem a ionosférou . Jev byl teoreticky doložen a experimentálně objeven V. O. Shumanem v letech 1952-1954.

Stojaté vlny vznikají ve vlnovodu tvořeném povrchem Země a její ionosférou. Pro elektromagnetické vlny jsou to obří kulový rezonátor , jehož dutina je vyplněna slabě elektricky vodivým prostředím. Pokud se elektromagnetická vlna, která vznikla v tomto prostředí, po obletu zeměkoule opět shoduje se svou vlastní fází (vstoupí do rezonance ), pak může existovat dlouhou dobu.

Matematický model

Uvažujme dutinový rezonátor sestávající ze dvou soustředných vodivých koulí [1] . Vnitřní koule představuje povrch Země a vnější koule je ionizovaný plyn ionosféry, který se nachází ve výšce asi 80 km nad zemí.

Předpokládejme, že elektromagnetická vlna, nkrát střídavě odražená od povrchu Země a ionosféry, obíhá kolem zeměkoule. Pokud se na obvod Země vejde celočíselný počet odrazů, pak dojde k rezonanci a taková vlna může existovat dlouho. Za předpokladu, že se vlna šíří rychlostí světla c = 300 000 km/s a obvod Země je L = 40 000 km, dostaneme kmitočet rovný

Pro prvních pět harmonických dává tento vzorec rozsah frekvencí 7,5 - 15,0 - 22,5 - 30,0 - 37,5 ... Hz. Porovnáním teoretických frekvencí s frekvencemi získanými experimentálně (7,83 - 14,1 - 20,3 - 26,4 - 32,4 ... Hz) zjistíme, že při dobré shodě frekvence první harmonické se chyba zvyšuje s rostoucím n .

Winfried Otto Schumann ve své původní práci [2] analyzoval oscilace, které se vyskytují v rezonátoru s kulovou dutinou. Přitom vzal v úvahu, že zemský povrch má stálou vodivost asi σ = 10 −3 S /m a vodivost ionosféry ve výškách 70–90 km kolísá v rozmezí σ = 10 −5–10 -3 S /m. Z tohoto důvodu je průměrná rychlost šíření elektromagnetické vlny V (σ) přibližně o 20 % menší než při odrazu od koule s nekonečnou vodivostí. Pro frekvenci n-té harmonické získal Schumann

což pro prvních pět harmonických dává 8,5 - 14,7 - 20,8 - 26,8 - 32,9 Hz.

Příčiny vln

Existuje několik hypotéz pro výskyt elektromagnetických vln v dutině "Povrch Země - ionosféra ".

Hypotéza "bouřky".

Výboje blesku jsou považovány za primární přirozený zdroj excitace Schumannovy rezonance. Blesk se chová jako obrovské vysílače, které vyzařují elektromagnetickou energii na frekvencích pod 100 kHz [3] . Jsou příčinou buzení elektromagnetických kmitů v širokém frekvenčním rozsahu. Podle většiny odborníků tento jev vysvětluje přítomnost stabilních ultranízkofrekvenčních oscilací, které se prakticky nerozpadají a mají pevné frekvence.

V každém okamžiku se přes Zemi přežene asi 2000 bouřek, které každou sekundu vyprodukují asi 50 blesků. Každý blesk vytvoří elektromagnetické vlny, které začnou obíhat kolem Země a jsou uvězněny mezi zemským povrchem a hranicí ve výšce asi 60 mil. Některé z vln – pokud mají správnou vlnovou délku – se spojí, zesílí a vytvoří opakující se atmosférický srdeční tep známý jako Schumannova rezonance. Tato rezonance poskytuje užitečný nástroj pro analýzu počasí Země, jejího elektrického prostředí a dokonce pomáhá určit, jaké typy atomů a molekul existují v zemské atmosféře. [čtyři]

Vlny vytvořené bleskem nejsou jako vlny v oceánu, ale přesto oscilují v oblastech větší a menší energie. Tyto vlny zůstávají zachyceny v atmosférickém stropu vytvořeném spodním okrajem "ionosféry" - části atmosféry naplněné nabitými částicemi, která začíná asi 60 mil na obloze. V tomto případě nejlepší bod pro rezonanci vyžaduje, aby vlnová délka byla stejná (nebo dvakrát nebo třikrát delší atd.) jako obvod Země. Jedná se o extrémně nízkofrekvenční vlnu, která může dosahovat až 8 hertzů (Hz) – asi stotisíckrát nižší než rádiové vlny s nejnižší frekvencí používané k odesílání signálů do vašeho AM/FM rádia. Když tato vlna obtéká Zemi, znovu narazí na ideální místo, takže hřebeny a prohlubně jsou zarovnány. [čtyři]

Historie výzkumu

Přítomnost stojatých elektromagnetických vln a jejich frekvenci v systému „povrch Země – ionosféra “ poprvé předpověděl irský fyzik J. F. Fitzgerald v roce 1893 [5] [6] . V 1900 , zřejmě nezávisle, Nikola Tesla , kdo patentoval jeho objev v 1905, dospěl k podobnému závěru [7] ; Tesla charakterizoval Zemi jako rezonanční obvod ; nebyl daleko od pravdy - podle jeho výpočtů byla rezonance 6,18-30 Hz [8] (tyto hodnoty se poměrně blíží experimentálně získaným 7,83-32,4 Hz). Anglický fyzik  Oliver Heaviside navrhl přítomnost ionizované vrstvy v atmosféře již v roce 1902.

V roce 1952 publikoval V. O. Schumann, který v té době vedl Elektrofyzikální institut na Technické univerzitě v Mnichově ,  svůj první článek o elektromagnetickém vlnění ve vlnovodu tvořeném zemským povrchem a ionosférou. Po této publikaci začalo aktivní studium toho, co bylo později nazýváno „Schumannova rezonance“. [9]

Teoretické zdůvodnění jevu popisuje ve třech článcích:

  1. WO Schumann, Über die strahlungslosen Eigenschwingungen einer leitenden Kugel, die von einer Luftschicht und einer Ionosphärenhülle umgeben ist , Zeitschrift und Naturfirschung 7a , SS, 1952. 149-154
  2. WO Schumann, Über die Dämpfung der elektromagnetischen Eigenschwingnugen des Systems Erde-Luft-Ionosphäre , Zeitschrift und Naturfirschung 7a , 1952, SS. 250-252
  3. W. O. Schumann, Über die Ausbreitung sehr Langer elektriseher Wellen um die Signale des Blitzes  (nedostupný odkaz) , Nuovo Cimento 9 , 1952, str. 1116-1138. doi:10.1007/BF02782924

V roce 1954 publikovali Schumann a H. König ( německy  Herbert König ) článek s výsledky svých měření těchto rezonančních kmitů [10] .

První nesporné (nezávislé) experimentální potvrzení přítomnosti Schumannových rezonancí bylo provedeno v roce 1960 [11] .

Obtíže při studiu Schumannových vln jsou způsobeny tím, že jejich příjem vyžaduje speciální velmi citlivé zařízení [12] a odpovídající prostředí: dokonce i pohyb stromů, zvířat nebo lidí v blízkosti přijímače může ovlivnit jeho čtení [13] .

Zájem o Schumannovu rezonanci byl oživen v 90. letech 20. století s příchodem pokročilejších zařízení [10] .

V září 2011 byly Schumannovy rezonanční vlny zaznamenány ve výšce až 850 km družicí C/NOFS [ 14] (dříve bylo 100 km považováno za omezení pro výšku takových vln). [patnáct]

Hlavní stanice pro pozorování Schumannových rezonančních vln [16] :

Poznámky

  1. ↑ Kristian Schlegel, Martin Füllekrug: Weltweite Ortung von Blitzen: 50 Jahre Schumann-Resonanzen . Physik in unserer Zeit 33(6), S. 256-261 (2002), ISSN 0031-9252 . Anglický překlad: 50 Years of Schumann Resonance Archived 4. března 2016 na Wayback Machine
  2. ↑ Schumann, W.O., Über die strahlungslosen Eigenschwingungen einer leitenden Kugel, die von einer Luftschicht und einer Ionosphärenhülle umgeben ist, Z. Naturforsch. 7a, 149, (1952)
  3. ↑ Volland, H. Atmosférická elektrodynamika  (neurčitá) . — Springer-Verlag, Berlín, 1984.
  4. ↑ 1 2 NASA - Schumannova rezonance  . www.nasa.gov . Staženo: 30. září 2022.
  5. ↑ GF FitzGerald, „O období vibrací elektrických poruch na Zemi“ Rep. Br. Doc. Adv. Sc. 63 , 682 (1893) [Abstrakt]
  6. ↑ "Období vibrací poruch elektrifikace Země" Nature 48 , no. 1248, 526 (28. září 1893)
  7. ↑ N. Tesla, americký patent č. 787, 412 Archivováno 9. března 2016 na Wayback Machine (18. dubna 1905)
  8. ↑ Tesla, Nikola. Kolorado-Springs: dnevniki, 1899-1900 . - Agni, 2008. - ISBN 9785898501006 .
  9. ↑ Schlegel & Füllekrug, 2007 , s. jeden.
  10. ↑ 1 2 Schlegel & Füllekrug, 2007 , s. 3.
  11. ↑ BP Besser , "Synopse historického vývoje Schumannových rezonancí" Radio Science, 42, RS2S02 s. 20 (2007).
  12. ↑ Schumannova rezonance Archivováno 6. prosince 2009 na Wayback Machine 
  13. ↑ Dobře ilustrovaná studie z University of Iowa Archivováno 11. října 2009 na Wayback Machine 
  14. ↑ Satelitní pozorování Schumannových rezonancí v zemské ionosféře  ( 16. listopadu 2011). Získáno 30. listopadu 2011. Archivováno z originálu 3. prosince 2011.
  15. ↑ Vědci objevili únik vln z blesku do vesmíru (nedostupný odkaz) (30. listopadu 2011). Získáno 30. listopadu 2011. Archivováno z originálu 8. února 2012. 
  16. ↑ Janto. Recenze Schumannových rezonančních monitorovacích stanic, 2017 .
  17. ↑ TSU, Schumannovy rezonance .

Literatura

Odkazy