B. Глобальный мониторинг слоя D и космической погоды.

Как уже было сказано, проводимость нижнего слоя ионосферы весьма непостоянна. Она в значительной степени определяется концентрацией электронов и частотой столкновений между нейтральными частицами и электронами. Концентрация электронов подвержена регулярным вариациям, связанным с изменением положения Солнца, т.е. зависит от времени суток и времени года, а частота столкновений частиц зависит от давления в этой области, которое также является объектом сезонных вариаций. Кроме того, имеются нерегулярные вариации.

Во время магнитных штормов электроны из магнитосферы с энергией в несколько кэВ достигают ионосферы и вызывают дополнительную ионизацию, из-за чего концентрация электронов может на порядок превысить нормальные значения. Еще большие изменения вызываются солнечными вспышками, результатом которых является эмиссия протонов с энергиями около 100 МэВ. Эти частицы могут проникать глубоко в атмосферу и вызывать дополнительную ионизацию на высотах от 50 км. В результате не только значительно увеличивается проводимость, но также и понижается высота верхней границы волновода Шумана (рис. A.8).

Рис.A.8.

Проводимость слоя D ионосферы при нормальных условиях и после солнечной вспышки. Повышенная проводимость влияет не только на электрические свойства волновода и, соответственно, резонанса Шумана, но также понижает высоту его верхней границы.

 

Космическая погода также влияет на все три параметра резонанса Шумана, причем в такой степени, что их изменения могут быть уверенно измерены (рис. A.9).

Рис.A.9.

Изменение параметров резонанса Шумана fo, b, a (ср. с рис. A.3) после двух солнечных вспышек 20.10.89 (слева) и 22.03.91 (справа). Вверху показана эмиссия высокоэнергетических протонов, вызывающих дополнительную ионизацию ниже 80 км и также изменяющих проводимость, как показано на рис. A.8.

 

Эти параметры могут быть использованы для мониторинга вариаций проводимости D-слоя, на что указывал Шуман в своей второй публикации по теме [2]. Естественно, таким образом оценивается приближенная величина, которую можно интерпретировать как среднее значение для дневной и ночной сторон Земли. Регистрация этого среднего значения, тем не менее, весьма информативна, поскольку позволяет отделить случайные вариации от регулярных простым способом. Такого рода мониторинг D-слоя возможен с помощью единственной станции в свободном от интерференции окружении, а глобальная томография ионосферы становится возможной с помощью сети станций.

C. Климатические изменения.

Резонанс Шумана, предположительно, может служить чувствительным термометром для измерения глобальных температурных изменений. Глобальная грозовая активность в значительной степени определяется метеорологическими факторами, в т.ч. температурой экваториальной тропосферы. С другой стороны, резонанс Шумана, как было сказано выше, позволяет количественно измерять глобальную грозовую активность. В сенсационной статье американского метеоролога Е.Вильямса была рассмотрена зависимость между относительной тропической температурой во время цикла Эль Ниньо и амплитудой первой гармоники резонанса Шумана, показывающая наличие положительной корреляции между ними [10]. Хотя эти данные относятся к периоду всего 5,5 лет (рис. A.10), результаты являются многообещающими для понимания долгосрочных климатических вариаций.

Особый интерес представляет изучение нелинейного усиления парникового эффекта. Хорошо известно, что глобальная грозовая активность в тропиках вызывает перемещение большого количества водяного пара в тропопаузу. Водяной пар, однако, является одним из важнейших парниковых газов. Т.о., технические проблемы измерения содержания водяного пара в тропопаузе могут быть решены на основе использования резонанса Шумана [11], что могло бы стать его «вкладом» в исследование климатических изменений.

Рис.A.10.

Амплитуда первой гармоники резонанса Шумана и относительные изменения поверхностной температуры в тропиках (толстая линия). Из [10].

D. Биологические эффекты.

Шуман сам интересовался биологическими эффектами атмосфериков, а его студенты и позже его коллега Герберт Кёниг продолжили его работу в этом направлении. Последний вкратце описал много удивительнейших результатов, связанных с этими эффектами - от влияния на дрожжевые клетки и бактерии до влияния на растения, животных и человека. Например, чувствительность человеческого организма к погоде увеличивается с ростом амплитуды естественных электромагнитных колебаний на частоте 10 Гц. При воздействии таких колебаний, созданных искусственно, циркадианные ритмы человека значительно ускоряются, а тесты показывают увеличение времени реакции либо вызывают головные боли. Во многих экспериментах такого рода эффект в сильной степени зависит от частоты.

Частота т.н. альфа-ритма мозговой активности находится в диапазоне между частотами первой и второй гармоник резонанса Шумана. Медики предполагают, что это не случайное совпадение, а следствие адаптации человека к окружающей среде в процессе эволюции. Возможно, что на этом стыке физики, биологии и медицины еще будет много интересных результатов.

Внимание! Аспект биологического влияния резонанса Шумана в настоящее время малоисследован, поэтому к данным сведениям следует относиться с осторожностью. Более подробно см. соответствующие главы настоящего обзора (прим. Janto).

 

Литература

[наверх]

[1] Schumann, W.O., Uber die strahlungslosen Eigenschwingungen einer leitenden Kugel, die von einer Luftschicht und einer Ionospharenhulle umgeben ist, Z. Naturforsch. 7a, 149, (1952)

[2] Schumann, W.O., Uber die Dampfung der elektromagnetischen Eigenschwingungen des Systems Erde-Luft-Ionosphare, Z. Naturforsch. 7a, 250, (1952)

[3] Schumann, W.O. und H. Konig, Uber die Beobachtung von Atmospherics bei geringsten Frequenzen, Naturwissensch., 41, 283, (1954)

[4] Sentman, D.D., Schumann Resonances, in: Handbook of Atmospheric Electrodynamics, Vol. 1, H. Volland, Editor, CRC Press, Boca Raton, USA, 1995, p. 267.

[5] Fullekrug, M. und S. Constable, Global triangulation of intense lightning discharges, Geophys. Res. Lett. 27, 333 (2000)

[6] Franz, R.C., R.J. Nemzek und J.R. Winckler, Television image of a large upward electrical discharge above a thunderstorm system, Science, 249, 48, (1990)

[7] Pasko, V.P., M.A. Stanley, J.D. Mathews, U.S. Inan und T.G. Wood, Electrical discharge from a thundercloud top to the lower ionosphere, Nature, 416, 152, (2002)

[8] Fullekrug, M., Fraser-Smith, A.C. und K. Schlegel, Global ionospheric D-layer height monitoring, European Physics Letters, 59(4),626, (2002)

[9] Schlegel, K. und M. Fullekrug, Schumann resonance parameter changes during high-energy particle precipitation, J. Geophys. Res. 104, 10111, (1999)

[10] Williams, E.R., The Schumann resonance: A global tropical thermometer, Science 256, 1184, (1992)

[11] Price, C., Evidence for a link between global lightning activity and upper tropospheric water vapour, Nature, 406, 290, (2000)

[12] Konig, H.L., Unsichtbare Umwelt, Eigenverlag Herbert L. Konig, Munchen, 1977

 

О Шумане

[наверх]

Родившийся 20 мая 1888 года в Тюбингене, Вильфрид Отто Шуман провел свое дество и юность в Касселе, Берисдорфе (недалеко от Вены) и в Каролинентале (недалеко от Праги). После изучения электротехники в Техническом колледже Карлсруэ и защиты докторской диссертации по технологии больших токов вплоть до окончания Первой Мировой Войны работал заведующим в лаборатории высоких напряжений компании Brown, Boveri and Cie.

В 1920 г. Шуман получил квалификацию соискателя степени профессора в Техническом Университете Штутгарта, где он работал ассистентом - исследователем. Сразу после получения степени ему была предложена должность профессора физики в Йенском Университете. В 1924 г. он принял предложение о назначении профессором и директором вновь организуемой лаборатории электрофизики Технического Университета Мюниха. Лаборатория в дальнейшем была преобразована в Электрофизический Институт и он оставался на своем посту вплоть до выхода на пенсию в 1961 г. Однако после этого он продолжал там преподавательскую деятельность вплоть до своего 75-летия. Умер Шуман 22 сентября 1974 г. в возрасте 86 лет.

Во время своей производственной деятельности Шуман имел дело, в первую очередь, с полями сверхвысокой напряженности в газах, жидкостях и твердых телах. Во время работы в Мюнихе его интересы расширились в область высокочастотных технологий и физики плазмы. Его многочисленные работы этого периода связаны с исследованиями ионосферы и экспериментальным моделированием ее плазмы в лабораторных условиях.

В третьем периоде после 1950 г. Шуман работал в области распространения радиоволн и в области электромагнитных колебаний, индуцированных атмосферными разрядами. В это время его публикации сфокусированы на резонансе, названном его именем.

Шуман был глубоко уважаем коллегами и студентами как превосходный преподаватель академического толка. Его слушатели вдохновлялись его лекциями, которые отличались наглядностью и понятностью, и в то же время были наполнены жизнью и остроумием.

 

Расчетные соотношения

[наверх]

Скорость V распространения колебаний в пространстве между Землей и ионосферой, используемая в выражении [2], определяется соотношением V = C/n, где n - комплексный показатель преломления ионосферы, определяемый по формуле:

 

[A1] n = √[1 + i(CΔ_i/ωh₁)]

 

Здесь:
Δ_i - обратный (инверсный) показатель преломления ионосферы, вычисляемый с целью упрощения для фиксированной высоты нижней границы h₁ (приблизительно 70-80 км),
C - скорость света.

 

Соотношение между обратным коэффициентом преломления и проводимостью ионосферы σ₀ имеет вид:

 

[A2] Δ_i = [1 + i(σ₀/ε₀ω]^-1/2

 

Поверхность Земли в данном случае считается идеальным проводником.

 

Для более точного описания вместо постоянной проводимости σ₀ используют профиль проводимости, задаваемый одной или двумя опорными высотами. В двухвысотной модели вместо выражения [A1] для комплексного показателя преломления ионосферы используется выражение [A3]:

 

[A3] n = √[(h₂(ω) - CS₂π/2)/((h₁(ω) - CS₁π/2)]

 

где принимается, что профиль проводимости на высоте h₁ определяется опорной высотой S₁, а на высоте h₂ - опорной высотой S₂. Т.н. граница проводимости h₁ расположена на высоте 50 км, а граница отражения h₂ - на высоте 75-85 км и зависит от текущей плотности электронов в ионосфере (см. рис. A.8). Поскольку показатель преломления ([A1], [A3]) зависит от частоты колебаний ω, центральная частота и ширина спектра резонанса зависят от проводимости. Это объясняет результаты, показанные на рис. A.9.

Детальный вывод вышеприведенных соотношений описан в [4].

 

* * *

ПРИЛОЖЕНИЕ B