Резонанс Шумана

Электромагнитные колебания сверхнизкой частоты, возникающие в резонансной полости между поверхностью земли и ионосферой (резонанс Шумана).
Типичный спектр электромагнитных колебаний сверхнизкой частоты с резонансами Шумана. Пик на 50 Гц обусловлен частотой переменного тока в промышленной электросети

Резона́нсом Шу́мана называется явление образования стоячих электромагнитных волн сверхнизких частот (единицы и десятки герц) между поверхностью Земли и ионосферой. Явление теоретически обосновано и экспериментально обнаружено В. О. Шуманом в 1952—1954 годах.

Стоячие волны возникают в волноводе, образованном поверхностью Земли и её ионосферой. Для электромагнитных волн они представляют собой гигантский сферический резонатор, полость которого заполнена слабоэлектропроводящей средой. Если возникшая в этой среде электромагнитная волна после огибания земного шара снова совпадает с собственной фазой (входит в резонанс), то она может существовать долгое время.

Рассмотрим объёмный резонатор, состоящий из двух концентрических проводящих сфер[1]. Внутренняя сфера представляет собой поверхность Земли, а внешняя — ионизированный газ ионосферы, находящийся на высоте около 80 км над землёй.

Предположим, что электромагнитная волна, n раз отражаясь попеременно от поверхности Земли и ионосферы, огибает земной шар. Если на окружности Земли укладывается целое число отражений, то возникает резонанс, и такая волна может существовать продолжительное время. Считая, что волна распространяется со скоростью света с = 300 000 км/с, а окружность Земли составляет L = 40 000 км, получим частоту колебаний, равную

Для первых пяти гармоник эта формула даёт ряд частот 7,5 — 15,0 — 22,5 — 30,0 — 37,5 … Гц. Сравнивая теоретические частоты с частотами, полученными экспериментально (7,83 — 14,1 — 20,3 — 26,4 — 32,4 … Гц), заметим, что при хорошем совпадении частоты первой гармоники ошибка с ростом n увеличивается.

В своей оригинальной работе[2] Винфрид Отто Шуман проанализировал колебания, возникающие в сферическом объёмном резонаторе. При этом он учитывал, что поверхность земли имеет постоянную проводимость около σ = 10−3 См/м, а проводимость ионосферы на высотах 70—90 км меняется в пределах σ = 10−5—10−3 См/м. Из-за этого средняя скорость распространения электромагнитной волны V(σ) примерно на 20 % меньше, чем при отражении от сферы с бесконечной проводимостью. Для частоты n-й гармоники Шуман получил

Существует несколько гипотез возникновения электромагнитных волн в полости «поверхность Земли — ионосфера».

Разряды молнии, как полагают, являются первичным естественным источником возбуждения резонанса Шумана. Молнии ведут себя как огромные передатчики, которые излучают электромагнитную энергию на частотах ниже 100 кГц[3]. Они-то и являются причиной возбуждения электромагнитных колебаний в широком диапазоне частот. Данным явлением и объясняется, по мнению большинства специалистов, наличие устойчивых сверхнизкочастотных колебаний, которые практически не затухают и имеют фиксированные частоты.

Впервые наличие стоячих электромагнитных волн и их частоты в системе «поверхность Земли — ионосфера» было предсказано ирландским физиком Дж. Ф. Фицджеральдом в 1893 году[4][5]. В 1900 году, по всей видимости независимо, к схожему выводу пришёл Никола Тесла, запатентовавший в 1905 году своё открытие[6]; Тесла охарактеризовал Землю как резонансный контур; он был недалёк от истины — по его подсчётам, резонанс составлял 6,18—30 Гц[7] (эти значения довольно близки к полученным экспериментально 7,83—32,4 Гц). Английский физик Оливер Хэвисайд предположил наличие ионизированного слоя в атмосфере ещё в 1902 году.

В 1952 году В. О. Шуман, в то время возглавлявший Институт электрофизики Мюнхенского технического университета (англ. Electrophysical Institute at the Technical University of Munich), опубликовал первую свою статью об электромагнитных волнах в волноводе, сформированном земной поверхностью и ионосферой. После этой публикации началось активное изучение того, что впоследствии назвали «резонансом Шумана».[8]

В 1954 году Шуман и Х. Кёниг (нем. Herbert König) опубликовали работу с результатами своих измерений этих резонансных колебаний[9].

Первое бесспорное (независимое) экспериментальное подтверждение наличия резонансов Шумана было сделано в 1960 году[10].

Затруднения в исследовании волн Шумана обусловлены тем, что для их приёма требуется специальная очень чувствительная аппаратура[11] и соответствующая окружающая обстановка: даже движение деревьев, животных или людей рядом с приёмником может повлиять на его показания[12].

Интерес к резонансу Шумана возродился в 1990-х, с появлением более совершенной аппаратуры[9].

В сентябре 2011 г. волны резонанса Шумана были зарегистрированы на высоте до 850 км спутником C/NOFS[13] (ранее ограничением высоты таких волн считалось 100 км).[14]