Шуман — резонанс Земли¶

Шуман — совокупность сверхнизкочастотных (СВЧ) электромагнитных резонансов, возникающих в волноводе, образованном поверхностью Земли и ионосферой. Резонансы обусловлены существованием стоячих электромагнитных волн в области между проводящей поверхностью планеты и нижним слоем ионосферы, которая отражает радиоволны с частотами ниже примерно 40 кГц. Наиболее интенсивный резонанс наблюдается на частоте около 7,83 Гц, что соответствует основной моде колебаний. Явление названо в честь немецкого физика Винфрида Отто Шумана, предсказавшего его в 1952 году.

¶История открытия

Идея электромагнитных резонансов планетарного масштаба была впервые высказана Николой Теслой в 1899 году после его экспериментов в Колорадо-Спрингс, где он наблюдал странные низкочастотные наводки в своих приборах. Однако количественно явление описал Винфрид Отто Шуман, профессор Технического университета Мюнхена, в 1952 году. Он предсказал существование ряда резонансных частот, обусловленных размерами Земли как сферического резонатора. Экспериментальное подтверждение было получено в 1954 году группой учёных, обнаруживших сигнал на частоте около 8 Гц. В дальнейшем резонансы были детально измерены и получили название «шумановские резонансы».

¶Природа явления

Земля и ионосфера образуют сферический волновод. Электромагнитные волны, возникающие при разрядах молний, распространяются в этом волноводе, многократно отражаясь от поверхности планеты и ионосферного слоя. При определённых частотах волны интерферируют, образуя стоячие волны — резонансы. Молнии выступают основным источником возбуждения резонансов: по оценкам, на Земле происходит около 40—50 вспышек молний в секунду, каждая из которых генерирует широкий спектр электромагнитного излучения.

Основная резонансная частота составляет приблизительно 7,83 Гц. Следующие гармоники расположены примерно на 14,3, 20,8, 27,3 и 33,8 Гц. Все они попадают в диапазон эльф-волн (3—3000 Гц). Частоты не являются строго фиксированными: они слегка варьируются в зависимости от высоты ионизации ионосферы, времени суток, сезона и солнечной активности.

¶Характеристики

Амплитуда шумановских сигналов невелика — порядка единиц пикотесла в магнитной составляющей. Регистрация требует специальных магнитометров и антенн, работающих в очень низкочастотном (ВНЧ) диапазоне, а также подавления мощных помех от техногенных источников.

¶Методы регистрации

Наблюдения проводятся с помощью ВНЧ-станций, оснащённых индукционными магнитными антеннами и электрическими диполями. Крупнейшие обсерватории расположены в разных точках мира, включая обсерваторию Массей в Швейцарии, ряд станций в США, Японии и России. Российские исследования шумановских резонансов ведутся, в частности, в Институте земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн (ИЗМИРАН) РАН. Спутниковые наблюдения, выполненные в 1990-е—2000-е годы, показали, что резонансы возбуждаются не только молниями, но и, в редких случаях, высокоэнергетическими частицами в зонах Ван-Аллена.

¶Применение

Шумановские резонансы используются как инструмент мониторинга состояния ионосферы и глобальной грозовой активности. Изменения интенсивности и частоты резонансов позволяют отслеживать солнечные бури и их влияние на нижние слои атмосферы. Исследования имеют значение для понимания процессов переноса энергии между тропосферой и ионосферой.

¶Шумановские резонансы и биология

Частота основного резонанса (7,83 Гц) совпадает с диапазоном альфа-ритмов головного мозга человека, что породило множество гипотез о возможном влиянии шумановских колебаний на живые организмы. В псевдонаучной литературе частота 7,83 Гц иногда называется «ритмом Земли» и приписываются ей оздоравливающие свойства. Научных подтверждений влияния шумановских резонансов на физиологические процессы человека не получено: амплитуда природных полей на уровне поверхности Земли настолько мала, что их вклад в электромагнитную обстановку уступает фону от техногенных источников и даже от атмосферного шума.

¶Интересные факты

• Шумановские резонансы существуют не только на Земле: аналогичные явления обнаружены у Юпитера, Сатурна и, предположительно, у других планет с ионосферами.
• В 2012 году космический аппарат «Вояджер-1», находившийся на границе гелиосферы, зафиксировал шумановские резонансы в плазменной среде межзвёздного пространства — их порождали молнии в атмосфере Юпитера.
• Точные значения частот зависят от радиуса Земли и скорости света: основной резонанс соответствует длине волны, кратной периметру планеты.

¶Источники

• Шуман В. О. Über die stratosphärischen Eigenfrequenzen und ihre Anregung durch electrische Vorgänge in der Atmosphäre. — 1952.
• Никола Тесла. Мой изобретательский метод. — 1919.
• Sentman D. Schumann Resonances // Handbook of Atmospheric Electrodynamics. — CRC Press.
• ИЗМИРАН. Исследования электромагнитных полей Земли и ионосферы.