Перегляд вихідного коду сторінки Резонанс Шумана

[[Файл:Schumann resonance animation.ogv|thumb|450px|Анімація резонансу Шумана в атмосфері Землі.]]
[[Файл:Resonance frequencies.gif|альт=|міні|300x300пкс|Електромагнітні коливання наднизької частоти, які виникать в резонансній порожнині між поверхнею Землі й іоносферою (резонанс Шумана).]]
[[Файл:Schumann resonance spectrum.gif|300px|thumb|Типовий спектр електромагнітних коливань наднизької частоти з резонансами Шумана. Пік на 50 Гц зумовлений частотою змінного струму у промисловій електромережі.]]
[[Файл:Schumann resonance frequency.gif|300px|thumb|Типовий добовий хід частоти першої гармоніки резонансу Шумана.]]
'''Резона́нс Шу́мана'''&nbsp;— явище появи [[Стояча хвиля|стоячих]] [[електромагнітна хвиля|електромагнітних хвиль]] низьких і наднизьких частот в атмосфері (між поверхнею Землі та [[Іоносфера|іоносферою]]). Вперше передбачене німецьким фізиком [[Вінфрід Отто Шуман|Вінфрідом Шуманом]]. Земля та її іоносфера&nbsp;— це гігантський сферичний резонатор, порожнина якого має низьку електропровідність. Якщо електромагнітна хвиля, що виникла в цьому середовищі, після огинання земної кулі знову збігається із власною фазою (входить у [[резонанс]]), то вона може існувати довгий час.

== Математична модель ==
[[Файл:Earth-Ionosphere resonance system.gif|альт=|міні|Найпростіша модель сферичного об'ємного резонатора]]
Розглянемо об'ємний резонатор, що складається з двох концентричних електропровідних сфер<ref>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}}. Английский перевод: [http://www.hese-project.org/hese-uk/en/papers/schlegel_schumann.pdf 50 Years of Schumann Resonance] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20160304034013/http://www.hese-project.org/hese-uk/en/papers/schlegel_schumann.pdf |date=4 березня 2016 }}</ref>. Внутрішню сферу представляє поверхня Землі, а зовнішню&nbsp;— іонізований газ іоносфери, що на висоті близько 80&nbsp;км над поверхнею землі.
 
Припустимо, що електромагнітна хвиля, n раз відбиваючись від поверхні Землі та іоносфери, огинає земну кулю. Якщо на шляху довкола Землі укладається ціле число відбивань, то виникає резонанс, і така хвиля може існувати тривалий час. Вважаючи, що хвиля поширюється зі [[Швидкість світла|швидкістю світла]] ''с'' = 300 000 км/с, а довжина [[екватор]]а Землі становить ''L'' = 40 000&nbsp;км, отримаємо частоту коливань, що дорівнює
: <math>f_n = \frac{cn}{L} \approx 7{,}5 n \text{ Hz}.</math>
Для перших п'яти гармонік ця формула дає ряд частот 7,5&nbsp;— 15,0&nbsp;— 22,5&nbsp;— 30,0&nbsp;— 37,5 … Гц. Порівнюючи теоретичні частоти з частотами, отриманими експериментально (7,83&nbsp;— 14,1&nbsp;— 20,3&nbsp;— 26,4&nbsp;— 32,4 … Гц), бачимо, що при хорошому збігу частоти першої гармоніки похибка з ростом n збільшується.

У своїй оригінальній роботі<ref>Schumann, W. O., Über die strahlungslosen Eigenschwingungen einer leitenden Kugel, die von einer Luftschicht und einer Ionosphärenhülle umgeben ist, Z.
Naturforsch. 7a, 149, (1952)</ref> [[Вінфрід Отто Шуман|Шуман]] проаналізував коливання, що виникають у сферичному об'ємному резонаторі. При цьому він враховував, що поверхня землі має сталу провідність близько ''σ'' = 10<sup>−3</sup> [[Сименс|См]] / м, а провідність іоносфери на висотах 70—90&nbsp;км змінюється в межах σ = 10<sup>−5</sup>—10<sup>−3</sup> См/м. Через це середня швидкість поширення електромагнітної хвилі V (σ) приблизно на 20&nbsp;% менше, ніж при відбитті від сфери з нескінченною провідністю. Для частоти ''n''-ї гармоніки Шуман отримав

: <math>f_n = \frac{V(\sigma)}{L}\sqrt{n(n + 1)} \approx 6{,}0 \sqrt{n(n + 1)} \text{ Hz},</math>

що для перших п'яти гармонік дає 8,5&nbsp;— 14,7&nbsp;— 20,8&nbsp;— 26,8&nbsp;— 32,9 Гц.

== Причини виникнення хвиль ==
Існує декілька гіпотез виникнення електромагнітних хвиль у порожнечі [[Земля|Земля—]][[іоносфера]]

=== «Грозова» гіпотеза ===
Розряди блискавки, як вважають, є первинним природним джерелом збудження резонансу Шумана. Блискавки виступають як величезні передавачі, які випромінюють електромагнітну енергію на частотах до 100 кГц.<ref name=" Volland ">{{cite book | author= Volland, H. | title= Atmospheric Electrodynamics | url= https://archive.org/details/trent_0116300004144 | publisher = Springer-Verlag, Berlin | year=1984}}</ref> Саме вони є причиною збудження електромагнітних коливань у широкому діапазоні частот. Це явище, на думку більшості фахівців, пояснює наявність стійких наднизькочастотних коливань, які майже не [[Згасні коливання|загасають]] і мають фіксовані частоти.

== Характеристики ==
Після численних досліджень і повторних оглядів було точно визначено частоту резонансу Шумана&nbsp;— 7,83 Гц. Через хвильові процеси в плазмі всередині Землі найчіткіше спостерігаються піки на частотах приблизно 8, 14, 20, 26, 32 Гц. Для основної, найнижчої частоти, можливі варіації у межах&nbsp;— 1 Гц, але здебільшого протягом доби розкид резонансних частот лежить у межах ± (0,&nbsp;— ,2) Гц{{Уточнити}}. [[Спектральна густина|Спектральна густина коливань]] становить 0,1 мВ/м.

Інтенсивність резонансних коливань та їх частот залежать від таких чинників.
* Час доби. Уночі амплітуда резонансних хвиль менша у 5—10 разів через зменшення швидкості витрати води в [[Термогалінна циркуляція|океанському конвеєрі (ОК)]], зменшення взаємних швидкостей петель ОК.
* Пора року. У літні місяці (з травня по серпень у [[Північна півкуля|північній півкулі]]) частоти резонансів підвищуються<ref>''Grazyna Fosar'' and ''Franz Bludorf'' [http://www.fosar-bludorf.com/archiv/schum_eng.htm Transition to the age of frequencies] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20140629021446/http://www.fosar-bludorf.com/archiv/schum_eng.htm |date=29 червня 2014 }}{{ref-en}}.</ref>. У [[Південна півкуля|південній півкулі]] підвищення частот резонансів відбувається з листопада по лютий;
* Місце на земній кулі. Хвилі Шумана найчіткіше виражені поблизу світових осередків гроз: Африка, Південна Америка, Індонезія, Індія (в місцях односпрямованих петель витрати води в ОК). У приполярних регіонах амплітудні піки на цих частотах вже не настільки виражені (мінімальна струмова складова вектора напруженості електричного поля ''Е''). На полюсах максимальний вектор напруженості магнітного поля ''Н'', вектор ''Е'' мінімальний, на екваторі навпаки.
* [[Сонячна активність]]. Під час [[Геомагнітна буря|магнітних бур]] їх інтенсивність зростає на 15&nbsp;%. Є випадки збудження частот в 12 500 Гц, що відповідає руху в ядрі Землі на відстані 3,6&nbsp;км від центру ядра Землі.
* Швидкість витрати води в ОК.
* Фаза Місяця.
* Період сонячної активності.

== Історія досліджень ==
Уперше наявність стоячих електромагнітних хвиль та їхні частоти в системі «поверхня Землі&nbsp;— іоносфера» передбачив ірландський фізик [[Джордж Френсіс Фіцджеральд]] в 1893 році<ref>G. F. FitzGerald, «On the period of vibration of electrical disturbances upon the Earth» ''Rep. Br. Assoc. Adv. Sc.'' '''63''', 682 (1893) [Abstract]</ref><ref>«The period of vibration of disturbances of electrification of the earth» ''[[Nature]]'' '''48''', No. 1248, 526 (September 28, 1893)</ref>. У 1900 році, найпевніш незалежно, до подібного висновку прийшов [[Нікола Тесла]], який запатентував у 1905 році своє відкриття<ref>[http://freeinternetpress.com/mirrors/tesla_haarp/ N. Tesla, U.S. Patent No. 787, 412] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20160309105507/http://freeinternetpress.com/mirrors/tesla_haarp/ |date=9 березня 2016 }} (April 18, 1905)</ref>. Н. Тесла, проте, як видно, не знав про існування іоносферного шару і взагалі про провідність атмосфери, тому розраховані ним частоти резонансів виявилися хибними<ref name=jackson>J. D. Jackson, Examples of the Zeroth Theorem of the History of Physics, Am. J. Phys, [http://arxiv.org/abs/0708.4249 arXiv:0708.4249]</ref>.

Однак систематичне вивчення ефекту, що пізніше став відомий як «резонанс Шумана», почалося тільки через майже 50 років. Припущення про існування резонансу електромагнітних хвиль у просторі Земля&nbsp;— іоносфера висловив професор Мюнхенського університету [[Вінфрід Отто Шуман]] у 1952 році<ref> У деяких джерелах&nbsp;— в 1949 році.</ref>. Основні результати досліджень він опублікував у трьох статтях<ref>W.O. Schumann, ''Über die strahlungslosen Eigenschwingungen einer leitenden Kugel, die von einer Luftschicht und einer Ionosphärenhülle umgeben ist'', [[Zeitschrift und Naturfirschung]] '''7a''', 1952, SS. 149—154</ref><ref>W.O. Schumann, ''Über die Dämpfung der elektromagnetischen Eigenschwingnugen des Systems Erde&nbsp;— Luft&nbsp;— Ionosphäre'', [[Zeitschrift und Naturfirschung]] '''7a''', 1952, SS. 250—252</ref><ref>W.O. Schumann, [http://www.springerlink.com/content/2060666144374342/ Über die Ausbreitung sehr Langer elektriseher Wellen um die Signale des Blitzes]{{Недоступне посилання|date=листопада 2019 |bot=InternetArchiveBot }}, [[Nuovo Cimento]] '''9''', 1952, pp. 1116—1138. doi:10.1007/BF02782924</ref>.

Перше беззаперечне експериментальне підтвердження наявності резонансів Шумана зроблено в 1960 році<ref>B. P. Besser, «Synopsis of the historical development of Schumann resonances» Radio Science, 42, RS2S02 pp. 20 (2007).</ref>. Продовжив вивчення Вольфганг Людвіг, який проводив експерименти у відкритому морі і в підземних шахтах. Він випустив книгу про резонанс Шумана «Інформативна медицина».

Труднощі в дослідженні хвиль Шумана обумовлені тим, що для їх приймання потрібна спеціальна надчутлива апаратура<ref>[http://www.oulu.fi/~spaceweb/textbook/schumann.html Schumann resonance] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20091206135351/http://www.oulu.fi/~spaceweb/textbook/schumann.html |date=6 грудня 2009 }}{{ref-en}}</ref> і відповідне навколишнє оточення: навіть рух дерев, тварин або людей поруч із приймачем може вплинути на його покази<ref>[http://www.iihr.uiowa.edu/projects/schumann/Index.html Well illustrated study from the University of Iowa] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20091011023825/http://www.iihr.uiowa.edu/projects/schumann/Index.html |date=11 жовтня 2009 }}{{ref-en}}</ref>.

У вересні 2011 року<ref>{{cite web|url=http://www.agu.org/pubs/crossref/2011/2011GL049668.shtml|title=Satellite observations of Schumann resonances in the Earth's ionosphere|date=16 листопада 2011|lang=en|accessdate=2011-11-30|archive-date=2011-12-03|archive-url=https://web.archive.org/web/20111203152643/http://www.agu.org/pubs/crossref/2011/2011GL049668.shtml}}</ref> хвилі резонансу Шумана зареєстровано на висоті до 850&nbsp;км супутником {{iw|C/NOFS|C/NOFS|en|C/NOFS}}. Раніше межею висоти таких хвиль вважались 100 [[Кілометр|км]]<ref>{{cite web|url=http://www.membrana.ru/particle/17197|title=Учёные открыли утечку волн от молний в космос|date=30 ноября 2011|lang=ru|accessdate=2011-11-30|archiveurl=https://www.webcitation.org/65K1rwfp0?url=http://www.membrana.ru/particle/17197|archivedate=2012-02-09|deadurl=no}}</ref>.

Розміщення станцій постійного спостереження за резонансом Шумана:
* [[Росія]], м.&nbsp;[[Томськ]], [http://sosrff.tsu.ru/ Томський державний університет]. Дані на сайті оновлюються кожні дві години;
* [[Словаччина]], м.&nbsp;[[Модра]], [https://web.archive.org/web/20031229180822/http://147.175.143.11/ геофізична обсерваторія].

== Згадки в популярній культурі ==
* Резонанс Шумана грає важливу роль у поясненні технології в науково-фантастичному серіалі [[Експерименти Лейн|''Експерименти Лейн'']].
* В одному зі сезонів [[Цілком таємно (телесеріал)|X-Files]] у серії 3x03 (D.P.O.) агент Малдер згадує резонанс Шумана.

== Примітки ==
{{примітки|2}}
{{Бібліоінформація}}
[[Категорія:Геомагнетизм]]
[[Категорія:Атмосферна електрика]]
[[Категорія:Електромагнітне випромінювання]]
[[Категорія:Іоносфера]]