Kristian Schlegel, Martin Fullekrug

 

Настоящая публикация представляет собой вторичный перевод статьи Кристиана Шлегеля (Институт Макса Планка, Германия) и Мартина Фюллекруга (департамент Электроники и Электроинжиниринга Университета Бата, Великобритания) «50 Years of Schumann Resonance», опубликованной в 2002 году журнале Physik in unserer Zeit и переведенной в 2007 с немецкого на английский язык К. Джоган.

Перевод c английского © Janto.

Оригинал статьи здесь: Kristian Schlegel and Martin Fullekrug. 50 Years of Schumann Resonance

 

принцип резонанса Шумана • методы измерения • эффекты и использование резонанса Шумана
литература • о Шумане • расчетные соотношения

В 1952 году Вильфрид Отто Шуман, в то время бывший директором Электрофизического Института при Техническом Университете Мюниха, опубликовал свою первую статью об электромагнитных волнах в волноводе, образованном земной поверхностью и ионосферой. С тех пор изучение этих волн, позднее названных волнами резонанса Шумана, стало представлять значительный интерес. Современные технологии измерения и регистрации сигналов данного резонанса открывают широкие практические возможности от глобальной пеленгации гроз и регистрации параметров космической погоды до изучения глобальных климатических изменений.

 

Принцип резонанса Шумана

[наверх]

Каждый конечный волновод характеризуется его собственной (резонансной) частотой. Шуман (см. О Шумане) первым высказал предположение, что пространство, образованное высокопроводящей Землей и такой же высокопроводящей ионосферой, может служить таким конечным волноводом (рис.A.1).

Рис.A.1.
Эскиз, сделанный Шуманом для иллюстрации волновода, образованного высокопроводящей Землей и высокопроводящей ионосферой (плазмой).
(r - радиус Земли, R-r ≈ 80 км)

 

Резонансную частоту приблизительно можно оценить исходя из того, что волна должна укладываться на поверхности Земли целое число раз. Из этого следует:

 

[1] f_n = C/λ_n = C x n/2πr_e ≈ 7,5 x n (Гц),

 

где n = 1 соответствует основной частоте, а n > 1 - высшим гармоникам.

 

Вклад Шумана также состоит в том, что он вывел математическую зависимость для собственных резонансных частот такого типа волновода в общем случае [1], которая для сферической формы имеет вид:

 

[2] f_n = V(σ)/2πr_e√n(n+1) ≈ 6,0√n(n+1) (Гц).

 

Данная формула учитывает также затухание волн вследствие конечной проводимости σ верхней границы волновода, которая образована слоем D ионосферы. Скорость V(σ) распространения волны при этом составляет около 80% скорости света C (см. расчетные соотношения). В то время, как проводимость нижнего слоя ионосферы, расположенного на высоте 70-90 км, изменяется в диапазоне 10^-5-10^-3 S/m (см. ниже), средняя проводимость земной и океанической поверхности, равная 10^-3 S/m, остается практически постоянной и выше проводимости ионосферы, поэтому не вносит ощутимого вклада в затухание.

Шуман, несколько лет занимаясь также изучением атмосфериков - электромагнитных импульсов, вызванных грозовыми разрядами, сделал вывод, что именно они индуцируют резонансные колебания в волноводе Земля - ионосфера. На рис. A.2 показана диаграмма и спектр этих колебаний вплоть до 7-й гармоники.

Рис.A.2.

Осциллограмма и спектр сигнала шумановского резонанса, зарегистрированного в Сильберборне (в горах Золлинг, Германия). Хотя ближайшая железная дорога находится на расстоянии 30 км, на ее основной частоте 16 2/3 Гц сигнал значительно сильнее, чем на частотах резонанса Шумана. Подъем спектра на частотах < 5 Гц вызван т.н. магнитной микропульсацией, которая присутствует в магнитосфере.

 

Спектр каждой гармоники может быть охарактеризован тремя величинами - центральной частотой, амплитудой и шириной (рис. A.3)

Рис.A.3.

Спектр каждой гармоники (здесь n=1) может быть охарактеризован тремя параметрами: центральной частотой fo, амплитудой a и шириной b.

 

Результаты первых измерений были опубликованы Шуманом и Кёнигом в 1954 г. [3]. С 1960 по 1970 г.г. ими были опубликованы результаты дальнейших экспериментальных и теоретических работ. Начало 90-х охарактеризовалось «ренессансом» Резонанса Шумана в связи с усовершенствованием методов его измерения и появлением новых областей его использования [4].

 

Методы измерения

[наверх]

Поскольку резонанс Шумана есть электромагнитные колебания, то принципиально могут быть измерены его электрическая и магнитная составляющие. В случае электрической составляющей может быть измерено изменение во времени потенциала диска или сферы, расположенных в нескольких метрах от земли. Но, поскольку атмосфера имеет очень высокий импеданс (порядка 10¹⁴ Ом), измерительный усилитель также должен иметь очень высокое входное сопротивление, но в то же время и достаточную полосу пропускания - минимум порядка 10 Гц (для измерения хотя бы только первой гармоники - прим. Janto.).

Для измерения магнитной составляющей сигнала используются катушки индуктивности, расположенные горизонтально во взаимно-перпендикулярных направлениях (С-Ю и В-З) для того, чтобы измерить еще и поляризацию (см. рис. A.2). Поскольку магнитный сигнал имеет величину порядка 0,001 - 1 пТ (10^-12 Тесла - пикоТесла), необходимы катушки с сердечниками из материала с высокой магнитной проницаемостью и тысячами витков.

Метод измерения электрической составляющей оказался малопригодным из-за высокого уровня погрешности, обусловленной влиянием фотоэффекта и поверхностных загрязнений, поэтому предпочтительным оказалось измерение магнитной составляющей.

Измерение в индустриальных зонах затруднительно из-за наличия сетевой помехи 50 Гц и помехи от железнодорожного транспорта 16 2/3 Гц даже на значительных расстояниях (рис. A.2). Узкополосные фильтры при этом не могут быть использованы из-за неизбежного искажения полезного сигнала, поэтому измерительная аппаратура должна иметь большой динамический диапазон, чтобы можно было обеспечить фильтрацию с помощью цифровых средств. Чистое измерение может быть достигнуто на антарктических станциях.

На рис. A.4 показаны катушка и электронное устройство для полевых измерений.

Рис.A.4.

Вертикальная катушка для измерения вертикальной компоненты резонанса Шумана и электронный блок для измерения и регистрации сигнала. Поскольку сигнал резонанса Шумана должен измеряться вдали от источников помех, электроный блок питается от батареи.