Вариации параметров резонанса Шумана.

общие сведения • асинхронные вариации • суточные вариации • 27-суточные вариации • сезонные вариации • 11-летние вариации • однократные вариации • о механизмах вариаций

 

Общие сведения.

[наверх]

Как уже было сказано в предыдущих главах, основными параметрами резонанса Шумана являются центральные частоты, амплитуды и добротности его гармоник (мод). Частоты и добротности определяются, в основном, характеристиками волновода Земля-ионосфера, а амплитуды - преимущественно энергией, генерируемой глобальными центрами грозовой активности. Поскольку данные факторы нестабильны и анизотропны, то и определяемые ими параметры шумановского резонанса также нестабильны и анизотропны, причем как в глобальном, так и в локальном масштабе, при этом соотношение глобальных и локальных компонент вариаций и анизотропии зависит от типа параметра, географических координат, времени и других факторов.

Вопросам вариации параметров резонанса Шумана посвящено исключительно большое число работ, основанных на исследованиях, проведенных в разное время и в различных точках земного шара. Практически во всех работах рассматриваются отдельные частные вопросы, связанные с теми или иными конкретными параметрами рензонанса, конкретными типами вариаций, конкретными воздействующими факторами и т.д. Работ системного характера, обощающих накопленный экспериментальный и теоретический материал и учитывающих все стороны рассматриваемой проблематики, не обнаружено. Это, очевидно, объясняется необходимостью учета большого числа факторов, влияющих на параметры резонанса, а также сложностью адекватного математического моделирования процессов в волноводе Земля-ионосфера с учетом его анизотропии. По этим причинам большинство работ в этой области носит частный характер.

Многочисленные длительные наблюдения позволили выявить у параметров резонанса Шумана вариации различной природы и периодичности, которые можно поделить на три основные группы (см. рис.3.1):

Асинхронные вариации, период которых не связан с известным стабильным периодом какого-либо внешнего фактора, к которым можно отнести быстрые вариации c периодом в единицы и десятки минут (фоновый шум), а также околосуточные вариации с более длительным периодом.

Синхронные вариации, период которых определяется известным стабильным периодом какого-либо внешнего фактора, к которым можно отнести вариации, синхронизированные с вращением Земли вокруг своей оси (суточные), с вращением Солнца вокруг своей оси (27-суточные), с вращением Земли вокруг Солнца (сезонные или внутригодичные) и с периодами солнечной активности (11-ти и 22-х летние).

Однократные вариации - вариации, вызванные воздействием на ионосферу мощными всплесками ионизирующих излучений.

Рис. 3.1. Вариации резонанса Шумана

 

Асинхронные вариации

[наверх]

Быстрые вариации

Быстрые вариации параметров резананса Шумана имеют период, измеряемый минутами (минимальное регистрируемое значение ограничено интервалом усреднения данных и в среднем для различных станций мониторинга составляет 10 - 15 минут). Данные вариации резко выделяются своими зубцами на суточных диаграммах параметров (см. рис.3.2) и могут иметь размах от долей до единиц процентов и более, а во временной области - до 3-5 pT (магнитная компонента). Они обусловлены быстрыми флуктуациями рентгеновского излучения Солнца, солнечного ветра, нестационарными внутренними электромагнитными процессами в атмосфере, ионосфере и магнитосфере, случайными флуктуациями грозовой активности, локальными природными и техногенными помехами и целым рядом других причин.

Рис. 3.2. Быстрые вариации частот и амплитуд резонанса Шумана

Графики взяты с сайта Space Observing System Томского Государственного Университета

Параметры быстрых вариаций определяются суммой многих факторов, поэтому извлечь из них какую либо значимую информацию проблематично. По этой причине регулярные быстрые вариации считаются шумом, и основная масса исследований, связанных с ними, направлена на решение задач выделения на их фоне одиночных полезных сигналов, в частности, Q-импульсов - всплесков, вызванных сверхмощными грозовыми разрядами в верхних слоях атмосферы.

Околосуточные вариации

Околосуточные (diurnal) вариации также представляют собой случайные вариации, но с существенно большим, чем у быстрых вариаций, периодом - от единиц до десятков часов. Они обнаруживаются при сопоставлении графиков суточных вариаций. Природа их, в основном, та же, что и у быстрых вариаций, но наибольший вклад вносят околосуточные вариации рентегновского излучения Солнца (могут изменять высоту слоя D на величину до 6 км) и флуктуации солнечного ветра (могут изменять высоту слоя D на величину до 2,5 км). В большинстве исследований медленным околосуточным асинхронным вариациям также не уделяется какого-либо значимого внимания, и они обычно рассматриваются в контексте случайной компоненты синхронных суточных вариаций.

 

Суточные вариации

[наверх]

Суточные вариации частот

Как уже было сказано, центральные частоты резонансов определяются параметрами волновода Земля - ионосфера, а именно высотой нижней границы слоя D и профилем его проводимости, которые, в свою очередь, определяются энергией ионизирующих излучений Солнца и мезосферы. Величина суммарной энергии этих излучений на дневной стороне превышает энергию излучения на ночной стороне, в зависимости от положения Солнца на эклиптике, в 200 - 700 раз, что влечет за собой значительную разницу высот и профилей проводимости слоя D (cтруктура и параметры ионизирующих излучений и слоя D являются предметом отдельной публикации и здесь не рассматриваются).

В случае симметричной относительно географических полюсов ионосферы вращение Земли не должно оказывать какого-либо влияния на усредненные по дневной и ночной сторонам параметры волновода Шумана. Однако полная симметрия ионосферы в силу ряда причин (здесь мы их не рассматриваем) отсутствует, поэтому усредненные параметры глобального волновода и, соответственно, значения частот резонансов должны зависеть как от угла поворота Земли относительно своей оси, так и от взаимного расположения источника и приемника электромагнитных волн. Многочисленные наблюдения подтвердили наличие такого рода зависимостей. В частности, установлено, что частоты изменяются синхронно с вращением Земли вокруг своей оси, при этом текущие значения частот в один и тот же момент глобального (UT-Universal Time) времени в различных регионах могут отличаться, но динамика их изменения схожа и экстремальные значения наблюдаются приблизительно в одно и то же глобальное время.

Рис. 3.3. Пример суточных вариаций частоты первой моды резонанса Шумана
(компонента Ez, станция Nagycenk)

Источник иллюстрации: G.Satori. Monitoring Schumann resonances-II. Daily and seasonal frequency variations.

На рис.3.3 представлены графики суточных вариаций частоты первой моды вертикальной электрической компоненты по данным измерений станции мониторинга Nagycenk (Венгрия) для 4-х последовательных дней мая 1994 года, а на рис.3.4. - графики того же параметра по данным Модраской обсерватории (слева) и станций Holister и Томского Университета(справа), но усредненные за длительный период.

Рис. 3.4. Пример усредненных суточных вариаций частоты первой моды резонанса Шумана
(компонента Ez, слнева - станция Модра, справа - станции Holister + ТГУ)

Источники иллюстраций:
1. A.Ondraskova, P.Kostecky, S.Sevcik, L.Rosenberg. Long-term observations of Schumann resonances at Modra Observatory).
2. А.Деревянных, С.Колесник. Сезонно-суточные закономерности параметров шумановских резонансов в разных регионах Земли.

Как видно из графиков, частота первой моды циклически изменяется с периодом в 1 сутки, при этом имеет место определенный разброс между графиками в различные даты, а также наличие вариаций более высокого порядка, что, очевидно, связано в т.ч. и с влиянием описанных выше асинхронных околосуточных вариаций. Кроме того, вариации имеют различный вид и параметры для различных компонент электромагнитного поля (см., например, рис. 3.5.). Частоты мод более высоких порядков также подвержены синхронным суточным вариациям, однако данные вариации имеют больший разброс и имеют менее выраженную суточную составляющую.

Аналогичные результаты получены и в других исследованиях на целом ряде станций в различных географических регионах земного шара. Кроме того, установлено, что значения экстремумов и их расположение на временной оси подвержены сезонным циклическим изменениям (подробнее см. в следующем параграфе).