История исследований электромагнитных (ЭМ) полей крайне низких частот (КНЧ) берет свое начало в далеких 50-х годах прошлого века, когда впервые В.О. Шуман теоретически рассчитал спектр собственных частот глобального резонатора Земля – ионосфера [1]. В упрощенном виде Формула Шумана имеет следующий вид:
где fn – резонансная частота, c – скорость света в вакууме (300 тыс. км/с), a – радиус Земли (~6400 км), n – номер моды шумановских резонансов.
Теоретические значения резонансных частот первых четырех мод, рассчитанные по Формуле Шумана, представлены ниже в таблице под номером 1.
Позже в 1957 году Шуман отметил роль грозовых разрядов как естественных источников КНЧ–колебаний [2], а в 1959 году его студент Кониг [3] опубликовал первые экспериментальные данные, подтверждающие существование в естественном ЭМ–шумовом фоне резонансной структуры. В последствии существование резонансных частот было экспериментально подтверждено М. Бальсером и Ч. Вагнером в 1960 г. [4]. Они обнаружили резонансные максимумы, существующие в естественном ЭМ–шумовом фоне на частотах 8, 14.1, 20.3, 26.4 и 32.5 Гц, которые наблюдались в дальнейшем в разное время различными авторами [4 — 13] (см. таблицу).
Средние экспериментальные значения резонансных частот шумановских резонансов
| № | Резонансная частота | Авторы | |||
| n=1 | n=2 | n=3 | n=4 | ||
| 1 | 10,6 | 18,3 | 25,9 | 33,5 | Формула Шуман (1952 г., теория) [1] |
| 2 | 7,8 | 14,1 | 20,3 | 26,4 | Бальсер, Вагнер (1960 г.) [4] |
| 3 | 7,8 | 14,1 | 20,3 | 26,3 | Чепмен, Джонс (1964 г.) [5] |
| 4 | 8,0 | 14,1 | 20,3 | 26,4 | Галеж (1965 г.) [6] |
| 5 | 7,8 | 14,1 | 20,0 | 26,0 | Райкрофт (1965 г.) [7] |
| 6 | 7,8 | 14,1 | 20,3 | 26,1 | Эйгеланд, Ларсен (1967 г.) [8] |
| 7 | 7,8 | 14,0 | 20,0 | 26,1 | Блиох и др. (1977 г.) [9] |
| 8 | 7,75 | 14,17 | 20,23 | 25,88 | Колесник и др. (1997-2023 гг.) [10 — 13] |
Экспериментально полученные значения немного меньше, чем теоретические значения, рассчитанные по Формуле Шумана. Это объясняется тем, что в своих расчетах Шуман использовал идеальную модель резонатора. В постановочной части решаемой радиофизической задачи он предположил, что Земля и ионосфера являются идеальными сферами с общим центром, но разными радиусами, обладающими бесконечной проводимостью. При таком идеализированном подходе в случае одного источника возбуждения в полости «Земля — ионосфера» должны возникать стоячие волны с чередующимися максимумами (пучностями) и минимумами (узлами) амплитуд колебаний электрической и магнитной компонент электромагнитного поля КНЧ диапазона, которые представлены ниже на рисунке (источник возбуждения представлен в виде разряда, пучности — светлые, узлы — темные).
Рисунок Колебания электрической и магнитной компонент электромагнитного поля КНЧ диапазона, описанные идеализированной моделью Шумана
В реальной ситуации это далеко не так. Если Землю в первом приближении можно считать сферой с бесконечной проводимостью, то ионосферу точно нельзя. Ионосфера Земли имеет свои асимметрии, т.е. не симметрична относительно центра Земли, существуют такие особенности как «день – ночь», высокие широты (приполярные области), очень существенная неоднородность по высоте с максимумом электронной концентрации в F2 области ионосферы и многое другое. В дальнейшем мы попытаемся популярно осветить эти моменты в новых разделах на нашем сайте.
Единственное пока здесь хотелось бы отметить, что значения резонансных частот никак не могут быть больше, чем рассчитанные по Формуле Шумана. Первая резонансная частота всегда меньше, чем 10,6 Гц, в среднем в планетарном масштабе – это 7,8 Гц. Ее вариации (изменения) зависят от диэлектрических свойств ионосферы Земли, которые контролируются временем суток, широтой места, сезоном года, уровнем солнечной и магнитной активностей, а также глобальным (планетарным) распределением грозовых разрядов и, конечно же, местом регистрации шумановских резонансов.
Особый интерес к шумановским резонансам в рамках проблемы современной ЭМ–экологии зародился в 70-х годах прошлого века, когда была выдвинута гипотеза о возможности влияния ЭМ–полей на живые организмы. В частности, ЭМ–сигналы КНЧ–диапазона могут выступать в качестве внешних синхронизирующих сигналов для биоритмов организма человека [14, 15] и высших позвоночных [16]. В одной из первых монографий П.В. Блиоха и др. [17] сделано обобщение проведенных ранее экспериментальных и теоретических исследований глобальных резонансов в полости Земля – ионосфера.
Проблема изучения природы формирования собственных частот шумановских резонансов, с точки зрения радиофизики, геофизики и электромагнитной экологии, подразумевает рассмотрение целого комплекса задач, таких как: определение свойств источников возбуждения шумановских резонансов (пространственного расположения, спектральных характеристик, изменения интенсивности излучения источников во времени); рассмотрение процессов распространения радиоволн в полости Земля – ионосфера; выявление диэлектрических свойств ионосферы в планетарном масштабе в зависимости от времени суток, сезона года и гелиогеофизических условий.
К настоящему моменту времени накоплен большой экспериментальный материал по исследованию ЭМ–резонансов КНЧ–диапазона. Однако, разрозненные экспериментальные данные и небольшая продолжительность проводимых ранее наблюдений не позволяют построить полную картину пространственно-временного распределения резонансных частот в планетарном масштабе методом непрерывного мониторинга. В частности, эта задача довольно полно решена локально для Томского региона (Россия), где имеется 27 летний самый однородный в мире, непрерывный ряд наблюдений, позволивший выявить основные сезонные и суточные закономерности в изменениях резонансных частот первых мод шумановских резонансов в течении полных двух циклов солнечной активности.
Литература
1. Schumann W.O. Uber die Stralungslosen Eigenschwingungen einer leitenden Kugel die von Luftschicht und einer Ionospharenhulle umgeben ist. // Z. Naturforsch. – 1952. – 7a. – P. 149-154
2. Schumann W.O. Uber Electrishe Eigenscwingungen des Hohlraumes Erde – Luft – Ionosphare erregt durch Blitzenladungen // Z. Angew. Phys. – 1957. – 9. – P. 373-378.
3. Konig H. Atmospherics geringster Frequenzen // Zeit. angew. Physik – 1959. – 11. – P. 264-274
4. Balser M., Wagner C.A. On Frequency Variations of the Earth–Ionosphere Cavity Resonances. // Nature. – 1960. – № 188. – P. 638-641
5. Chapman F.W., Jones D.Ll. Observations of Earth–Ionosphere Cavity Resonances and Their Interpretation in Terms of a Two–Layer Ionosphere Model. // J. Res. NBS, Radio Sci. – 1964. – 68 D. – № 11. – P. 1177-1185
6. Galejs J. Shumann Resonances // J. Res. NBS, Radio Sci. – 1965. – 69 D. – № 8. – P. 1043-1055
7. Rycroft M.J. Resonances of the Earth–Ionosphere Cavity Observed at Cambridge, England. // Res. NBS, Radio Sci. – 1965. – 69 D. – № 8. – P. 1071-1081
8. Egeland A., Larsen T.R. Measurements of the Earth–Ionosphere Cavity Resonances Frequencies at High Latitude. // Phys. Norvegica. – 1967. – №2. – P. 85-97
9. Блиох П.В., Галюк Ю.П., Гюннинен Э.М. и др. О резонансных явлениях в полости Земля–ионосфера // Известие вузов. Радиофизика. – 1977. – Т.20. – №4. – С. 501-509
10. Бородин А.С., Колесник А.Г., Колесник С.А. и др. Флуктуации электромагнитного фона окружающей среды // Материалы Межд. симпозиум «Мониторинг окружающей среды и проблемы солнечно-земной физики», посвященный 60-летию регулярных ионосферных исследований в России. – Томск: Изд. НТЛ, 1996. – С.18-19
11. Бородин А.С., Колесник А.Г., Колесник С.А. и др. Флуктуации электромагнитного фона окружающей среды // Российская научно-техническая конференция по дифракции и распространению волн: Сб. докладов – Улан-Уде: БНЦ СО РАН, 1996. – С.180-181
12. Колесник А.Г., Колесник С.А., Колмаков А.А., Нагорский П.М., Шинкевич Б.М. Регистрация и исследование сигналов повышенного уровня в электромагнитном фоне диапазона крайне низких частот // Вестник ТГУ. Серия «Физика». – 2003. – № 278. – С. 141-146
13. Колесник А.Г., Колесник С.А., Колмаков А.А., Шинкевич Б.М. Шумановские резонансы. 1. Мониторинг электромагнитного фона КНЧ диапазона Известия вузов. Физика. – 2003. – № 2. – С.69-73
14. Колесник А.Г., Колесник С.А., Бородин А.С., Побаченко С.В. Резонансный механизм солнечно-земных связей // Известия вузов. Физика. – 2003. – № 8. – С. 23-30
15. Колесник А.Г., Колесник С.А., Побаченко С.В. Электромагнитная экология: Учебное пособие. – Томск: ТМЛ-Пресс, 2009. – 336 с.
16. Холодов Ю.А. Реакции нервной системы на электромагнитные поля. М.: Наука, 1975. – 211 с
17. Блиох П.В., Николаенко А.П., Филиппов Ю.Ф. Глобальные электромагнитные резонансы в полости Земля – ионосфера. – Киев: «Наук. думка», 1977. – 200 с