Глобальные электромагнитные резонансы Шумана, возбуждаемые молниями

Введение

Глобальные электромагнитные резонансы, генерируемые и возбуждаемые молниевыми разрядами.

Резонансы Шумана (SR) – это набор спектральных пиков в сверхнизкочастотной части спектра электромагнитного поля Земли. Резонансы Шумана являются глобальными электромагнитными резонансами, генерируемыми и возбуждаемыми молниевыми разрядами в полости, образованной поверхностью Земли и ионосферой.

Описание

Глобальный феномен электромагнитного резонанса назван в честь физика Винфрида Отто Шумана, который предсказал его математически в 1952 году. Резонансы Шумана являются основным фоновым излучением в части электромагнитного спектра от 3 Гц до 60 Гц и проявляются в виде отчетливых пиков на чрезвычайно низких частотах около 7,83 Гц (фундаментальной), 14,3, 20,8, 27,3 и 33,8 Гц. Резонансы Шумана возникают потому, что пространство между поверхностью Земли и проводящей ионосферой действует как замкнутый волновод, хотя и с переменными размерами. Ограниченные размеры Земли приводят к тому, что этот волновод функционирует как резонансная полость для электромагнитных волн в диапазоне сверхнизких частот. Электрические токи в молниях естественным образом возбуждают эту полость. В модальных описаниях резонансов Шумана фундаментальный режим представляет собой стоячую волну в полости Земля–ионосфера с длиной волны, равной окружности Земли. Режим с самой низкой частотой обладает наибольшей интенсивностью, а частота всех режимов может незначительно изменяться из-за возмущений ионосферы, вызванных солнечной активностью (которые сжимают верхнюю стенку замкнутой полости), а также других факторов. Более высокие резонансные режимы расположены на интервалах примерно в 6,5 Гц (что можно увидеть, подставляя значения в формулу), что является характеристикой, обусловленной сферической геометрией атмосферы. Пики демонстрируют спектральную ширину около 20% из-за затухания соответствующих режимов в диссипативной полости. Наблюдения за резонансами Шумана использовались для отслеживания глобальной активности молний. В связи с взаимосвязью между активностью молний и климатом Земли было предложено использовать их для мониторинга глобальных изменений температуры и изменений концентрации водяного пара в верхней тропосфере. Резонансы Шумана использовались для изучения нижней ионосферы Земли, и было предложено использовать их для исследования нижней ионосферы на небесных телах. В геофизических исследованиях резонансы Шумана применяются для поиска морских месторождений углеводородов.

The global electromagnetic resonance phenomenon is named after physicist Winfried Otto Schumann who predicted it mathematically in 1952. Schumann resonances are the principal background in the part of the electromagnetic spectrum from 3 Hz through 60 Hz, and appear as distinct peaks at extremely low frequencies around 7.83 Hz (fundamental), 14.3, 20.8, 27.3, and 33.8 Hz. Schumann resonances occur because the space between the surface of the Earth and the conductive ionosphere acts as a closed, although variable sized waveguide. The limited dimensions of the Earth cause this waveguide to act as a resonant cavity for electromagnetic waves in the extremely low frequency band. The cavity is naturally excited by electric currents in lightning. In the normal mode descriptions of Schumann resonances, the fundamental mode is a standing wave in the Earth–ionosphere cavity with a wavelength equal to the circumference of the Earth. The lowest frequency mode has the highest intensity, and the frequency of all modes can vary slightly owing to solar induced perturbations to the ionosphere (which compress the upper wall of the closed cavity) amongst other factors. The higher resonance modes are spaced at approximately 6.5 Hz intervals (as may be seen by feeding numbers into the formula), a characteristic attributed to the atmosphere's spherical geometry. The peaks exhibit a spectral width of approximately 20% due to the damping of the respective modes in the dissipative cavity. Observations of Schumann resonances have been used to track global lightning activity. Owing to the connection between lightning activity and the Earth's climate it has been suggested that they may be used to monitor global temperature variations and variations of water vapor in the upper troposphere. Schumann resonances have been used to study the lower ionosphere on Earth and it has been suggested as one way to explore the lower ionosphere on celestial bodies. In geophysical survey, Schumann resonances are used to locate offshore hydrocarbon deposits.

История

В 1893 году Джордж Фрэнсис Фицджеральд заметил, что верхние слои атмосферы должны быть достаточно хорошими проводниками. Предполагая, что высота этих слоев составляет около 100 км над землей, он оценил, что колебания (в данном случае, самый низкий режим резонансов Шумана) будут иметь период 0,1 секунды. В связи с этим вкладом было предложено переименовать эти резонансы в "резонансы Шумана — Фицджеральда". Однако открытия Фицджеральда не получили широкой известности, поскольку были представлены лишь на заседании Британской ассоциации содействия развитию науки, а затем кратко упомянуты в колонке журнала Nature. Первое предположение о существовании ионосферы, способной удерживать электромагнитные волны, принадлежит Хеввисайду и Кеннелли (1902). Прошло еще двадцать лет, прежде чем Эдвард Апплтон и Барнетт в 1925 году смогли экспериментально доказать существование ионосферы. Хотя некоторые из важнейших математических инструментов для работы со сферическими волноводами были разработаны Г. Н. Уотсоном в 1918 году, именно Винфрид Отто Шуманн впервые изучил теоретические аспекты глобальных резонансов системы волноводов Земля — ионосфера, известных сегодня как резонансы Шумана. В 1952–1954 годах Шуман совместно с Х. Л. Кёнигом предпринял попытку измерить резонансные частоты. Однако адекватные методы анализа для выделения резонансной информации из фонового шума стали доступны лишь после измерений, проведенных Балзером и Вагнером в 1960–1963 годах. С тех пор интерес к резонансам Шумана постоянно растет в самых разных областях науки.

Основная теория

Излучения молний считаются основным естественным источником возбуждения резонанса Шумана; каналы молний ведут себя как огромные антенны, излучающие электромагнитную энергию на частотах ниже примерно 100 кГц. Эти сигналы очень слабы на больших расстояниях от источника молнии, но волновод Земля – ионосфера ведет себя как резонатор на крайне низких резонансных частотах. Для обнаружения и регистрации резонансов Шумана требуются специализированные приемники и антенны. Электрическая составляющая обычно измеряется с помощью шаровой антенны, предложенной Огавой и др. в 1966 году, подключенной к усилителю с высоким входным сопротивлением. Магнитные индукционные катушки обычно состоят из десятков – сотен тысяч витков провода, намотанного на сердечник с очень высокой магнитной проницаемостью.

Зависимость от глобальной активности молний

С самого начала исследований резонанса Шумана было известно, что их можно использовать для мониторинга глобальной грозовой активности. В любой момент времени по всему миру происходит около 2000 гроз. Производя приблизительно 50 вспышек молнии в секунду, эти грозы напрямую связаны с фоновым сигналом резонанса Шумана. Определение пространственного распределения молний по записям резонанса Шумана – сложная задача. Для оценки интенсивности молний по записям резонанса Шумана необходимо учитывать как расстояние до источников молний, так и распространение волн между источником и наблюдателем. Распространенный подход заключается в предварительном предположении о пространственном распределении молний, основанном на известных свойствах климатологии гроз. Альтернативный подход – размещение приемника на Северном или Южном полюсе, которые в течение дня остаются примерно на одинаковом расстоянии от основных центров грозовой активности. Один из методов, не требующий предварительных допущений о распределении молний, основан на декомпозиции среднего фонового спектра резонанса Шумана с использованием соотношений между средними электрическим и магнитным спектрами, а также между их линейными комбинациями. Этот метод предполагает сферическую симметрию резонатора и поэтому не учитывает известные асимметрии резонатора, которые, как считается, влияют на резонансные и волновые свойства электромагнитных волн в системе.

Дневные изменения

Наиболее хорошо документированными и наиболее обсуждаемыми особенностями феномена резонанса Шумана являются суточные вариации фонового спектра мощности резонанса Шумана. Характерная суточная запись резонанса Шумана отражает свойства как глобальной активности молний, так и состояния полости Земля–ионосфера между областью источника и наблюдателем. Вертикальное электрическое поле не зависит от направления источника относительно наблюдателя и, следовательно, является мерой глобальной активности молний. Суточное поведение вертикального электрического поля демонстрирует три отчетливых максимума, связанных с тремя "горячими точками" планетарной активности молний: один в 9 UT (Всемирное время), связанный с дневным пиком грозовой активности в Юго-Восточной Азии; один в 14 UT, связанный с пиком активности молний в Африке; и один в 20 UT, связанный с пиком активности молний в Южной Америке. Время и амплитуда пиков меняются в течение года, что связано с сезонными изменениями в активности молний.

Рейтинг "Огни"

В целом, африканский пик является самым сильным, что отражает основной вклад африканской "каминной трубы" в глобальную активность молний. Ранжирование двух других пиков – азиатского и американского – является предметом оживленных споров среди исследователей резонанса Шумана. Наблюдения резонанса Шумана, выполненные из Европы, показывают больший вклад Азии, чем Южной Америки, в то время как наблюдения из Северной Америки указывают на преобладающий вклад Южной Америки. Уильямс и Сатори предполагают, что для получения "корректного" ранжирования азиатской и американской "каминных труб" необходимо исключить влияние суточных изменений ионосферной проводимости (влияние асимметрии дня и ночи) из записей резонанса Шумана. "Скорректированные" записи, представленные в работе Сатори и др., показывают, что даже после устранения влияния асимметрии дня и ночи из записей резонанса Шумана, вклад Азии остается больше, чем вклад Америки. Аналогичные результаты были получены Печони и др., которые рассчитали поля резонанса Шумана на основе данных о молниях, полученных со спутников. Предполагалось, что распределение молний на спутниковых картах является хорошим показателем источников возбуждения резонанса Шумана, хотя спутниковые наблюдения преимущественно измеряют внутриоблачные молнии, а не молнии "облако-земля", которые являются основными возбудителями резонансов. Оба моделирования – как те, что не учитывают асимметрию дня и ночи, так и те, что принимают ее во внимание – показали одинаковое ранжирование азиатской и американской "каминных труб". С другой стороны, некоторые оптические спутниковые и климатологические данные о молниях указывают на то, что южноамериканский грозовой центр сильнее азиатского. Последующие теоретические исследования подтвердили первоначальные оценки незначительного влияния асимметрии ионосферы дня и ночи (разницы между проводимостью ионосферы на дневной и ночной сторонах) на наблюдаемые изменения интенсивности поля резонанса Шумана. Интерес к влиянию асимметрии дня и ночи на проводимость ионосферы в резонансах Шумана возродился в 1990-х годах после публикации работы Сентмана и Фрейзера, которые разработали метод разделения глобального и локального вкладов в наблюдаемые изменения мощности поля, используя записи, полученные одновременно на двух широко разнесенных по долготе станциях. Они интерпретировали суточные изменения, наблюдаемые на каждой станции, как комбинацию суточно изменяющегося глобального возбуждения, модулированного местной высотой ионосферы. Записи амплитуды резонанса Шумана демонстрируют значительные суточные и сезонные колебания, которые обычно совпадают по времени с переходом дня в ночь (терминатором). Такое совпадение во времени, по-видимому, подтверждает предположение о значительном влиянии асимметрии ионосферы дня и ночи на амплитуды резонанса Шумана. Существуют записи, показывающие почти часовую точность суточных изменений амплитуды. Обычно признается, что эффекты "источник-наблюдатель" являются доминирующим источником наблюдаемых суточных колебаний, но сохраняется значительная полемика относительно степени присутствия в данных сигнатур дня и ночи. Частично это связано с тем, что параметры резонанса Шумана, извлекаемые из наблюдений, предоставляют лишь ограниченную информацию о геометрии связанной системы источников молний и ионосферы. Проблема инвертирования наблюдений для одновременного определения как функции источника молний, так и структуры ионосферы, поэтому крайне не определена, что приводит к возможности неоднозначных интерпретаций.

In general, the African peak is the strongest, reflecting the major contribution of the African "chimney" to global lightning activity. The ranking of the two other peaks—Asian and American—is the subject of a vigorous dispute among Schumann resonance scientists. Schumann resonance observations made from Europe show a greater contribution from Asia than from South America, while observations made from North America indicate the dominant contribution comes from South America. Williams and Sátori suggest that in order to obtain "correct" Asia America chimney ranking, it is necessary to remove the influence of the day/night variations in the ionospheric conductivity (day night asymmetry influence) from the Schumann resonance records. The "corrected" records presented in the work by Sátori, et al. show that even after the removal of the day night asymmetry influence from Schumann resonance records, the Asian contribution remains greater than American. Similar results were obtained by Pechony et al. who calculated Schumann resonance fields from satellite lightning data. It was assumed that the distribution of lightning in the satellite maps was a good proxy for Schumann excitations sources, even though satellite observations predominantly measure in cloud lightning rather than the cloud to ground lightning that are the primary exciters of the resonances. Both simulations—those neglecting the day night asymmetry, and those taking this asymmetry into account—showed the same Asia America chimney ranking. On the other hand, some optical satellite and climatological lightning data suggest the South American thunderstorm center is stronger than the Asian center. Subsequent theoretical studies supported the early estimations of the small influence of the ionosphere day night asymmetry (difference between day side and night side ionosphere conductivity) on the observed variations in Schumann resonance field intensities. The interest in the influence of the day night asymmetry in the ionosphere conductivity on Schumann resonances gained new strength in the 1990s, after publication of a work by Sentman and Fraser. developed a technique to separate the global and the local contributions to the observed field power variations using records obtained simultaneously at two stations that were widely separated in longitude. They interpreted the diurnal variations observed at each station in terms of a combination of a diurnally varying global excitation modulated by the local ionosphere height. Schumann resonance amplitude records show significant diurnal and seasonal variations which generally coincide in time with the times of the day night transition (the terminator). This time matching seems to support the suggestion of a significant influence of the day night ionosphere asymmetry on Schumann resonance amplitudes. There are records showing almost clock like accuracy of the diurnal amplitude changes. It is generally acknowledged that source observer effects are the dominant source of the observed diurnal variations, but there remains considerable controversy about the degree to which day night signatures are present in the data. Part of this controversy stems from the fact that the Schumann resonance parameters extractable from observations provide only a limited amount of information about the coupled lightning source ionospheric system geometry. The problem of inverting observations to simultaneously infer both the lightning source function and ionospheric structure is therefore extremely underdetermined, leading to the possibility of non unique interpretations.

"Проблема обратная"

Одной из интересных проблем в исследованиях резонансов Шумана является определение характеристик источника молнии («обратная задача»). Временное разрешение каждой отдельной вспышки невозможно, поскольку средняя частота возбуждения молниями, около 50 молниевых событий в секунду по всему миру, смешивает индивидуальные вклады. Однако время от времени происходят чрезвычайно мощные вспышки молнии, которые создают отчетливые сигнатуры, выделяющиеся на фоне обычных сигналов. Эти вспышки называются «Q-всплесками» и возникают в результате интенсивных ударов молнии, переносящих большой заряд от облаков к земле и часто характеризующихся высоким пиковым током. Показано, что спрайты, наиболее распространенный тип TLE, образуются при положительных разрядах молнии от облака к земле в стратиформной области грозовой системы и сопровождаются Q-всплесками в диапазоне резонансов Шумана. Недавние наблюдения свидетельствуют о высокой корреляции между появлением спрайтов и Q-всплесков, и данные о резонансах Шумана потенциально могут быть использованы для оценки глобальной частоты возникновения спрайтов.

Глобальная температура

Уильямс [1992] предположил, что глобальную температуру можно отслеживать с помощью резонансов Шумана. Связь между резонансами Шумана и температурой заключается в скорости возникновения молний, которая нелинейно возрастает с повышением температуры. Молнии играют важную роль в эффектах радиационной обратной связи, влияющих на температуру атмосферы. Таким образом, резонансы Шумана могут помочь нам понять эти эффекты обратной связи. В 2006 году была опубликована статья, устанавливающая связь между резонансами Шумана и глобальной температурой поверхности, за которой последовало исследование 2009 года.

Верхние тропосферные водяные пары

Тропосферный водяной пар является ключевым элементом климата Земли, оказывающим прямое воздействие как парниковый газ, а также косвенное воздействие через взаимодействие с облаками, аэрозолями и тропосферной химией. Верхний тропосферный водяной пар (UTWV) оказывает гораздо большее влияние на парниковый эффект, чем водяной пар в нижней атмосфере, однако вопрос о том, является ли это влияние положительной или отрицательной обратной связью, остаётся нерешённым. Главная сложность в решении этого вопроса заключается в трудности глобального мониторинга UTWV на протяжении длительных периодов времени. Континентальные глубокие конвективные грозы производят большую часть молний на Земле. Помимо этого, они переносят значительное количество водяного пара в верхнюю тропосферу, определяя вариации глобального UTWV. Прайс [2000] предположил, что изменения в UTWV можно определить по записям резонансов Шумана.

Венера

Самые веские доказательства существования молний на Венере исходят от электромагнитных волн, впервые зарегистрированных посадочными аппаратами "Венера-11" и "Венера-12". Теоретические расчёты резонансов Шумана на Венере были опубликованы Nickolaenko и Rabinowicz [1982] и Pechony и Price [2004]. Оба исследования показали очень близкие результаты, указывающие на то, что резонансы Шумана должны быть легко обнаруживаемы на этой планете при наличии источника возбуждения в виде молний и соответствующего датчика.

Марс

В случае с Марсом были получены наземные наблюдения радиоэмиссионных спектров, которые связывают с резонансами Шумана. Доказательства носят косвенный характер и представлены в виде модуляций нетеплового микроволнового спектра на частотах, близких к ожидаемым частотам резонанса Шумана. Независимо не подтверждено, что эти модуляции связаны с электрическими разрядами на Марсе. В случае подтверждения прямыми измерениями in situ, это подтвердит предположение, высказанное Эденом и Воннегутом [1973] и Ренно с соавторами [2003], о возможности разделения зарядов и молний в марсианских пылевых бурях. Глобальные резонансы Марса были смоделированы Сухоруковым [1991] и Пехони с Прайсом [2004]. Результаты этих трех исследований несколько различаются, однако, по-видимому, по крайней мере, первые два мода резонанса Шумана должны быть обнаруживаемыми. Признаки первых трех мод резонанса Шумана присутствуют в спектрах радиоизлучения от молний, зарегистрированных в марсианских пылевых бурях. Однако, недавние данные, полученные аппаратами "Кассини-Гюйгенс", указывают на отсутствие грозовой активности на Титане, крупнейшем спутнике Сатурна. В связи с возросшим интересом к Титану, обусловленным миссией "Кассини-Гюйгенс", его ионосфера, вероятно, является наиболее тщательно изученной на сегодняшний день. Резонансам Шумана на Титане уделено больше внимания, чем на любом другом небесном теле, что отражено в работах Бессера и др. [2002], Моренте и др. [2003], Молина Кубероса и др. [2004], Николаенко и др. [2003] и Пехони с Прайсом [2004].

Юпитер и Сатурн

На Юпитере оптически зарегистрирована молниевая активность. Существование молниевой активности на этой планете было предсказано Бар-Нун [1975] и теперь подтверждается данными, полученными с аппаратов "Галилео", "Вояджер-1" и "Вояджер-2", "Пионер-10" и "Пионер-11", а также "Кассини". Также подтверждено наличие молниевой активности на Сатурне. Несмотря на то, что три космических аппарата ("Пионер-11" в 1979 году, "Вояджер-1" в 1980 году и "Вояджер-2" в 1981 году) не смогли предоставить убедительных доказательств, основанных на оптических наблюдениях, в июле 2012 года космический аппарат "Кассини" зафиксировал видимые вспышки молний, а электромагнитные датчики на борту аппарата зарегистрировали сигнатуры, характерные для молний. В данной работе профиль электрической проводимости в газовой атмосфере Юпитера был рассчитан с использованием методов, аналогичных применяемым для моделирования недр звезд, и было отмечено, что те же методы можно легко распространить на другие газовые гиганты – Сатурн, Уран и Нептун. Учитывая интенсивную молниевую активность на Юпитере, резонансы Шумана должны быть легко обнаруживаемы с помощью датчика, расположенного в ионосферной полости планеты.