Кіріспе

Шумман резонанстары (ШР) – Жердің электромагниттік өрісі спектрінің өте төмен жиілікті бөлігіндегі спектрлік шыңдар жиынтығы. Шумман резонанстары – Жер беті мен ионосфера арасындағы қуыста найзағай разрядтарынан туындайтын және күшейтілетін ғаламдық электромагниттік резонанстар.

Сипаттама

Әлемдік электромагниттік резонанс құбылысы 1952 жылы математикалық тұрғыдан болжаған физик Винфрид Отто Шуманның есімімен аталады. Шуман резонанстары электромагниттік спектрдің 3 Гц-тен 60 Гц-ке дейінгі бөлігіндегі негізгі фон болып табылады және 7,83 Гц (негізгі), 14,3, 20,8, 27,3 және 33,8 Гц шамасындағы өте төмен жиіліктерде анық шыңдар түрінде көрінеді. Шуман резонанстарының пайда болуы Жер беті мен өткізгіш ионосфера арасындағы кеңістіктің жабық, бірақ өзгермелі көлемді толқын жетекші ретінде әрекет етуіне байланысты. Жердің шектеулі өлшемдері осы толқын жетекшісінің өте төмен жиілікті электромагниттік толқындар үшін резонанстық қуысқа айналуына себеп болады. Бұл қуыс электр тогы бар молниялар арқылы табиғи түрде қозғалады. Шуман резонанстарының қалыпты режимдегі сипаттамаларында негізгі режим – Жердің айналымына тең толқын ұзындығына ие Жер-ионосфера қуысындағы тұрақты толқын. Ең төменгі жиілікті режим ең жоғары қарқындылыққа ие, ал барлық режимдердің жиілігі ионосфераға (жабық қуыстың жоғарғы қабырғасын қысатын) күннің әсерінен туындайтын бұзылыстар және басқа факторлардың әсерінен сәл өзгеруі мүмкін. Жоғары резонанстық режимдер шамамен 6,5 Гц интервалмен орналасқан (формулаға сандар енгізу арқылы көрінеді), бұл атмосфераның сфералық геометриясына тән ерекшелік. Шыңдардың спектрлік ені шамамен 20% құрайды, себебі бұл режимдердің энергиясы жоғалатын (диссипациялық) қуыста сөнуге ұшырайды. Шуман резонанстарын бақылау арқылы жаһандық молния белсенділігін қадағалауға болады. Молния белсенділігі мен Жер климаты арасындағы байланыс ескеріле отырып, оларды жаһандық температураның және жоғарғы тропосферадағы су буының өзгеруін бақылау үшін пайдалануға болатыны айтылады. Шуман резонанстары Жердегі төменгі ионосфераны зерттеу үшін қолданылды және олар аспан денелеріндегі төменгі ионосфераны зерттеудің бір жолы ретінде қарастырылады. Геофизикалық іздеу жұмыстарында Шуман резонанстары теңіз астындағы көмірсутек кен орындарын анықтау үшін қолданылады.

Тарих

1893 жылы Джордж Фрэнсис Фицджеральд атмосфераның жоғарғы қабаттарының жақсы өткізгіш болуы тиіс екенін атап өтті. Бұл қабаттардың биіктігі жер бетінен шамамен 100 км дейін жетеді деп есептегенде, ол тербелістердің (осы жағдайда Шуман резонанстарының ең төменгі режимі) периоды 0,1 секундқа тең болады деп болжады. Осы үлесі үшін осы резонанстарды «Шуман–Фицджеральд резонанстары» деп атау ұсынылды. Дегенмен, Фицджеральдтың жарияланымдары кеңінен танылмады, себебі олар тек Британдық ғылымды дамыту қауымдастығының мәжілісінде таныстырылды, содан кейін Nature журналында қысқаша айтылды. Электромагниттік толқындарды ұстап тұра алатын ионосфераның бар екендігі туралы алғашқы ұсынысты Хевисайд пен Кеннелли (1902) жасады. Ионосфераның бар екенін тәжірибе жүзінде дәлелдеу үшін Эдвард Апплтон мен Барнеттке 1925 жылға дейін тағы жиырма жыл уақыт керек болды. Сфералық толқын жетектерімен жұмыс істеуге қажетті маңызды математикалық құралдардың бір бөлігін 1918 жылы Г.Н. Уотсон жасағанмен, жер–ионосфера толқын жетектері жүйесінің ғаламдық резонанстарын, бүгінде Шуман резонанстары деп танылатынын, тұңғыш рет теориялық тұрғыдан зерттеген – Уинфрид Отто Шуман. 1952–1954 жылдары Шуман Х.Л. Кёнигпен бірлесіп резонанстық жиіліктерді өлшеуге тырысты. Алайда, резонанстық ақпаратты фондық шудан бөліп алуға қажетті талдау әдістері 1960–1963 жылдары Балсер мен Вагнер жасаған өлшемдер кезінде ғана қолжеткілі болды. Осыдан бері Шуман резонанстарына қызығушылық әртүрлі салаларда артып келеді.

Негізгі теория

Найзағай разрядтары Шуман резонансын қоздырудың басты табиғи көзі саналады; найзағай арналары шамамен 100 кГц-тан төмен жиіліктерде электромагниттік энергияны сәулелендіретін алып антенналар сияқты жұмыс істейді. Бұл сигналдар найзағай көзінен алыс қашықтықта өте әлсіз болады, бірақ Жер-ионосфера толқын жетектері өте төмен резонанстық жиіліктерде резонатор рөлінде әрекет етеді. Шуман резонанстарын анықтау және тіркеу үшін арнайы қабылдағыштар мен антенналар қажет. Электр компоненті көбінесе 1966 жылы Огава және авторлар ұсынған, жоғары кедергілі күшейткішке қосылған шар антеннамен өлшенеді. Магниттік индукция орамдары әдетте өте жоғары магниттік өткізгіштігі бар өзекке оралған ондаған мыңнан жүздеген мыңға дейін сымнан тұрады.

Жарық шашуының белсенділігіне тәуелділік

Шуман резонансын зерттеулер басталғаннан бері, олардың жаһандық найзағай белсенділігін қадағалауға қолданылатыны белгілі болды. Кез келген уақытта әлемде шамамен 2000 күн күркіреу оқиғасы болады. Секундына шамамен 50 найзағай туындап, осы күн күркіреулер тікелей Шуман резонансының негізгі сигналымен байланысты. Шуман резонансының тіркелген мәліметтерінен найзағайдың кеңістіктегі таралуын анықтау – күрделі мәселе. Шуман резонансының тіркелген мәліметтерінен найзағайдың қарқындылығын бағалау үшін найзағай көздеріне дейінгі қашықтықты және көз бен бақылаушы арасындағы толқын таралуын ескеру қажет. Көп қолданылатын тәсіл – найзағай климатологиясының белгілі қасиеттеріне сүйене отырып, кеңістіктегі найзағай таралуы туралы алдын ала болжам жасау. Балама тәсіл – қабылдағышты Солтүстік немесе Оңтүстік полюске орналастыру, олар күндізгі уақытта негізгі күн күркіреу орталықтарынан шамамен бірдей қашықтықта болады. Найзағай таралуы туралы алдын ала болжамдарды қажет етпейтін бір әдіс – орташа негізгі Шуман резонанс спектрлерін талдау, орташа электрлік және магниттік спектрлер арасындағы, сондай-ақ олардың сызықтық комбинациялары арасындағы қатынастарды пайдалану. Бұл техника қуыстың сфералық симметриялы екенін болжайды және жүйедегі электромагниттік толқындардың резонанс және таралу қасиеттеріне әсер ететін деп саналатын қуыстың асимметрияларын ескермейді.

Күндізгі ауытқулар

Шуман резонансы құбылысының ең жақсы құжатталған және ең көп талқыланған ерекшеліктері – фондық Шуман резонансы қуат спектрінің тәуліктік өзгерулері болып табылады. Шуман резонансының тәуліктік тіркемесі жаһандық найзағай белсенділігінің және көзді шығару аймағы мен бақылаушы арасындағы Жер-ионосфера қуысының жағдайын көрсетеді. Вертикаль электр өрісі көздің бақылаушыға қатысты бағытына тәуелсіз болғандықтан, ол жаһандық найзағайдың өлшемі болып табылады. Вертикаль электр өрісінің тәуліктік динамикасы планеталық найзағай белсенділігінің үш "ыстық нүктесімен" байланысты үш анық максимумды көрсетеді: 9 UT (Universal Time) Оңтүстік-Шығыс Азиядағы найзағай белсенділігінің күндізгі шыңымен байланысты біреуі; 14 UT Африка найзағай белсенділігінің шыңымен байланысты біреуі; және 20 UT Оңтүстік Америка найзағай белсенділігінің шыңымен байланысты біреуі. Максимумдардың уақыты мен амплитудасы жыл бойы өзгереді, бұл найзағай белсенділігінің маусымдық өзгерістерімен байланысты.

"Шымкент" рейтингісі

Жалпы алғанда, Африка шыңы ең күшті болып табылады, бұл Африканың "мұржасының" жаһандық найзағай белсенділігіне қосатын үлкен үлесін көрсетеді. Басқа екі шың – Азия мен Американың – орналасуы Шуман резонансы ғалымдары арасындағы қызу пікірталас нысаны болып табылады. Еуропадан жасалған Шуман резонансы байқаулары Азияның Оңтүстік Америкадан гөрі үлкен үлес қосатынын көрсетсе, Солтүстік Америкадан жасалған байқаулар басым үлестің Оңтүстік Америкадан келетінін көрсетеді. Уильямс пен Сатори Азия-Америка мұржаларының дұрыс ретін анықтау үшін, ионосфераның өткізгіштігіндегі күндізгі/түнгі өзгерістердің (күндізгі/түнгі асимметрияның) әсерін Шуман резонансы жазбаларынан жою қажет деп санайды. Сатори және авторлар тобы ұсынған "түзетілген" жазбалар, Шуман резонансы жазбаларынан күндізгі/түнгі асимметрияның әсерін жойғаннан кейін де Азияның үлесі американдықтан жоғары екенін көрсетеді. Pechony және авторлар тобы да осыған ұқсас нәтижелерге қол жеткізді, олар спутниктік найзағай деректерінен Шуман резонанстық өрісін есептеп шығарды. Спутниктік карталардағы найзағайдың таралуы Шуман қоздырғыштарының жақсы көрсеткіші деп есептелді, әйтсе де спутниктік бақылаулар негізінен резонанстардың негізгі қоздырғыштары болып табылатын бұлттан жерге түсетін найзағайларға қарағанда бұлттағы найзағайларды өлшейді. Күндізгі/түнгі асимметрияны ескермейтін және ескеретін екі модельдеу де Азия-Америка мұржаларының бірдей ретін көрсетті. Алайда, кейбір оптикалық спутниктік және климаттық найзағай деректері Оңтүстік Америкадағы найзағай орталығының Азия орталығынан күштірек екенін көрсетеді. Кейінгі теориялық зерттеулер ионосфераның күндізгі/түнгі асимметриясының (күндізгі және түнгі ионосфера өткізгіштігінің айырмашылығының) Шуман резонанстық өрісінің байқалатын қарқындылығына тигізетін әсерінің шағын екенін көрсететін алғашқы бағалауларды растады. Ионосфера өткізгіштігіндегі күндізгі/түнгі асимметрияның Шуман резонанстарына тигізетін әсеріне қызығушылық 1990 жылдары Сентман мен Фрейзердің жұмысын жариялағаннан кейін қайта жанданды. Олар екі қашық станцияда бір мезгілде алынған жазбаларды пайдаланып, байқалатын өріс қуатының өзгеруіне жаһандық және жергілікті үлестерді бөліп алуға арналған әдіс әзірледі. Олар әр станцияда байқалатын тәуліктік өзгерістерді жергілікті ионосфера биіктігімен модуляцияланған күн сайын өзгеретін жаһандық қоздырудың комбинациясы ретінде түсіндірді. Шуман резонанстық амплитудалық жазбалары күндізгі және маусымдық өзгерістерді көрсетеді, олар көбінесе күндізгі/түнгі ауысу уақытымен (терминатормен) сәйкес келеді. Бұл уақыт сәйкестігі күндізгі/түнгі ионосфералық асимметрияның Шуман резонанстық амплитудасына елеулі әсер ететінін қолдайды. Күндізгі амплитудалық өзгерістердің сағаттай дәлдігін көрсететін жазбалар бар. Көзіне түскен күндізгі өзгерістердің басым көзі – бақылаушы әсері екені жалпыға мәлім, бірақ деректерде күндізгі/түнгі белгілердің қаншалықты болуы туралы маңызды пікірталас бар. Бұл пікірталастың бір бөлігі Шуман резонанс параметрлері бақылаудан алынған, олар жарық көзі-ионосфералық жүйе геометриясы туралы шектеулі ақпарат береді. Байқауларды бір мезгілде найзағай көзі функциясы мен ионосфералық құрылымын анықтауға инверттеу мәселесі өте нашар анықталған, бұл бірегей емес түсіндірулерге әкелуі мүмкін.

"Алмасу проблемасы"

Шуман резонанстарын зерттеудегі қызықты мәселелердің бірі – найзағай көзінің сипаттамаларын анықтау («кері проблема»). Әрбір жарқылды уақыт бойынша анықтау мүмкін емес, себебі найзағайдың орташа қоздыру жиілігі, яғни әлем бойынша секундтына шамамен 50 найзағай оқиғасы, жеке үлестерді араластырып жібереді. Дегенмен, кейде өте күшті найзағайлар пайда болады, олар фондық сигналдардан ерекше көзге түсетін ерекше белгілерді тудырады. «Q жарқылдары» деп аталатын бұл құбылыстар, қарқынды найзағай соққыларынан пайда болады, олар бұлттардан жерге үлкен мөлшерде зарядты жеткізеді және көбінесе жоғары ток шамасын көрсетеді. Зерттеулер көрсеткендей, ең көп кездесетін TLE – шприттер, найзағайлы дауыл жүйесінің қабатты аймағында пайда болатын оң полярлы бұлттан жерге түсетін найзағайлардың нәтижесінде туындайды және Шуман резонанстары диапазонында Q жарқылдарымен сүйемелденеді. Жақындағы бақылаулар шприттер мен Q жарқылдарының пайда болу жиілігінің өте жоғары корреляцияланғанын және Шуман резонанстарының деректерін шприттердің жаһандық таралу деңгейін бағалау үшін пайдалануға болатындығын көрсетіп тұр.

Жер бетіндегі температура

Уильямс [1992] әлемдік температураны Шуман резонанстары арқылы қадағалауға болатынын ұсынды. Шуман резонансы мен температура арасындағы байланыс – молния жылдамдығы, ол температурамен сызықты емес түрде артады. Молниялар атмосфера температурасына әсер ететін сәулелену кері байланыс әсерлерінде маңызды рөл атқарады. Сондықтан Шуман резонанстары осы кері байланыс әсерлерін түсінуге көмектесе алады. 2006 жылы Шуман резонансын жаһандық жер беті температурасымен байланыстыратын мақала жарияланды, және одан кейін 2009 жылы осы тақырыпта зерттеу жүргізілді.

Жоғарғы тропосфералық су буы

Тропосфералық су буы – Жердің климатының маңызды құрауышы болып табылады, ол парниктік газ ретінде тікелей әсер етеді, сондай-ақ бұлттармен, аэрозольдермен және тропосфералық химиямен өзара әрекеттесу арқылы жанама әсер етеді. Жоғарғы тропосфералық су буы (UTWV) төменгі атмосферадағы су буына қарағанда парниктік эффектіге күштірек әсер етеді, бірақ бұл әсердің оң немесе теріс кері байланыс екені әлі анық емес. Бұл мәселені шешудегі негізгі қиындық – ҰТВВ-ны ұзақ мерзімдік кезеңдерде жаһандық деңгейде бақылаудың қиындығы. Құрлықтағы терең конвективті дауылдар Жердегі шағыннайзағайлардың көп бөлігін тудырады. Одан әрі, олар үлкен мөлшерде су буын жоғарғы тропосфераға жеткізеді, бұл жаһандық UTWV-нің өзгеруіне басымдық береді. Прайс [2000] UTWV өзгерістерін Шуман резонанстарының тіркелмелерінен алуға болатынын айтқан.

Венера

Венерада найзағайдың болуын дәлелдейтін ең сенімді дерек – "Венера-11" және "Венера-12" қондырғыштары алғаш рет тіркеген электромагниттік толқындар. Венерадағы Шуман резонанстарының теориялық есептеулері туралы Nickolaenko және Rabinowicz [1982] және Pechony мен Price [2004] хабарлаған. Екі зерттеу де бір-біріне өте жақын нәтижелер көрсетті, бұл планетада жарық көзінен туындайтын және тиісті орналасқан сенсормен Шуман резонанстарын оңай анықтауға болатынын көрсетеді.

Марс

Марс жағдайында радиоэмиссия спектрлерінің жер бетінен жасалған бақылаулары Шуман резонанстарымен байланыстырылған. Дәлелдер тікелей емес және шамамен күтілетін Шуман резонансы жиіліктеріндегі термиялық емес микротолқын спектрінің модуляциясы түрінде көрінеді. Бұл Марстағы электр разрядтарымен байланысты екені тәуелсіз расталмаған. Егер бұл факт тікелей, in situ бақылаулар арқылы расталса, онда Эден мен Воннегут [1973] және Ренно және авторлар [2003] Марстағы шаң дауылдарында зарядтың бөлінуі және молния соққыларының болу мүмкіндігін көрсетеді. Марстың жаһандық резонанстарын Сухоруков [1991] және Пехони мен Прайс [2004] модельдеген. Үш зерттеудің нәтижелері шамалы өзгеше, бірақ кем дегенде алғашқы екі Шуман резонансы режимі анықталуға тиіс. Шуманның алғашқы үш резонанс режимінің дәлелі Марстың шаң дауылдарында тіркелген молниядан шыққан радиоэмиссия спектрлерінде бар. Алайда, Кассини-Хюйгенс аппаратының соңғы деректері Сатурнның ең ірі серігінде молния белсенділігінің жоқтығын көрсетеді. Титанға қатысты соңғы қызығушылық, Кассини-Хюйгенс миссиясымен байланысты, оның ионосферасы бүгінгі күні ең толыққанды модельделген. Титанның Шуман резонанстары басқа аспан денелеріне қарағанда көбірек зейін алды, Бэссер және авторлар [2002], Моренте және авторлар [2003], Молина Куберос және авторлар [2004], Николоенко және авторлар [2003] және Пехони мен Прайс [2004] еңбектерінде осы мәселе жан-жақты қарастырылған.

Юпитер мен Сатурн

Юпитерде найзағай белсенділігі оптикалық түрде анықталды. Бұл планетада найзағайдың болуын Бар Нун [1975] болжаған, ал қазір оны Галилео, Вояджер 1 және 2, Пионер 10 және 11, және Кассини аппараттарының мәліметтері растайды. Сатурнда да найзағай белсенділігі бар екені анықталды. Үш ғарыш кемесі (Пионер 11 1979 жылы, Вояджер 1 1980 жылы және Вояджер 2 1981 жылы) оптикалық байқаулар арқылы нақты дәлелдер келтіре алмады, бірақ 2012 жылдың шілдесінде Кассини аппараты көзге көрінетін найзағайдың жарқырауын тіркеді, ал аппараттағы электромагниттік сенсорлар найзағайға тән белгілерді анықтады. Осы жерде Юпитердің газды атмосферасындағы электр өткізгіштігінің профилі жұлдыздың ішкі құрылымын модельдеу үшін қолданылатын әдістерге ұқсас әдістермен есептелді, сондай-ақ осы әдістерді басқа газды алып планеталар – Сатурн, Уран және Нептунға да оңай қолдануға болатыны көрсетілді. Юпитердегі күшті найзағай белсенділігін ескере отырып, планеталық ионосфералық кеңістікте орналасқан сенсормен Шуман резонанстарын анықтау оңай болуы керек.