Schumann resonanser

En animation av Schumann-resonans i jordens atmosfär.

Ett diagram över Schumanns resonanser i jordens atmosfär

Schumann -resonanserna ( SR ) är en uppsättning spektrumtoppar i den extremt lågfrekventa (ELF) delen av jordens elektromagnetiska fältspektrum . Schumann-resonanser är globala elektromagnetiska resonanser , genererade och exciterade av blixtarladdningar i håligheten som bildas av jordens ytbeläggning och jonosfären .

Beskrivning

Det globala elektromagnetiska resonansfenomenet är uppkallat efter fysikern Winfried Otto Schumann som förutspådde det matematiskt 1952. Schumann-resonanser är den huvudsakliga bakgrunden i den del av det elektromagnetiska spektrumet från 3 Hz till 60 Hz, och uppträder som distinkta toppar vid extremt låga frekvenser (ELF) ) runt 7,83 Hz (grundläggande), 14,3, 20,8, 27,3 och 33,8 Hz.

Schumann-resonanser uppstår på grund av att utrymmet mellan jordens yta och den ledande jonosfären fungerar som en sluten, även om vågledare i variabel storlek . Jordens begränsade dimensioner gör att denna vågledare fungerar som en resonanshålighet för elektromagnetiska vågor i ELF -bandet. Kaviteten exciteras naturligt av elektriska strömmar i blixtar.

I de normala beskrivningarna av Schumann-resonanser är grundläget en stående våg i jord-jonosfärens hålighet med en våglängd lika med jordens omkrets. Läget med lägsta frekvens har den högsta intensiteten, och frekvensen för alla lägen kan variera något på grund av solinducerade störningar i jonosfären (som komprimerar den övre väggen i den slutna håligheten) [citat behövs] ^{bland andra faktorer} . De högre resonanslägena är åtskilda med ungefär 6,5 Hz intervall (som kan ses genom att mata in siffror i formeln), en egenskap som tillskrivs atmosfärens sfäriska geometri. Topparna uppvisar en spektral bredd på cirka 20 % på grund av dämpningen av respektive moder i den dissipativa kaviteten. ^{[ citat behövs ]}

Observationer av Schumann-resonanser har använts för att spåra global blixtaktivitet. På grund av sambandet mellan blixtaktivitet och jordens klimat har det föreslagits att de kan användas för att övervaka globala temperaturvariationer och variationer av vattenånga i den övre troposfären. Schumann-resonanser har använts för att studera den nedre jonosfären på jorden och det har föreslagits som ett sätt att utforska den nedre jonosfären på himlakroppar. Vissa har föreslagit att blixtar på andra planeter kan upptäckas och studeras med hjälp av Schumann-resonanssignaturer för dessa planeter.

Effekter på Schumann-resonanser har rapporterats efter geomagnetiska och jonosfäriska störningar. På senare tid har diskret Schumann-resonansexcitation kopplats till övergående ljushändelser - sprites , ELVES , jets och andra övre-atmosfäriska blixtar . ^{[ citat behövs ]} Ett nytt intressefält med Schumann-resonanser är relaterat till kortsiktiga jordbävningsförutsägelser . ^{[ citat behövs ]}

Intresset för Schumann-resonanser förnyades 1993 när ER Williams visade en korrelation mellan resonansfrekvensen och tropiska lufttemperaturer, vilket tyder på att resonansen kan användas för att övervaka den globala uppvärmningen . I geofysiska undersökningar används Schumann-resonanser för att lokalisera kolväteavlagringar till havs. ^{[ sida behövs ]}

Historia

År 1893 noterade George Francis FitzGerald att de övre lagren av atmosfären måste vara ganska bra ledare. Om man antar att höjden på dessa lager är cirka 100 km över marken, uppskattade han att svängningar (i detta fall det lägsta läget för Schumann-resonanserna) skulle ha en period på 0,1 sekund. På grund av detta bidrag har det föreslagits att döpa om dessa resonanser till "Schumann–FitzGerald-resonanser". FitzGeralds resultat var dock inte allmänt kända eftersom de bara presenterades vid ett möte i British Association for the Advancement of Science, följt av ett kort omnämnande i en kolumn i Nature .

Det första förslaget att en jonosfär existerade, som kan fånga elektromagnetiska vågor , tillskrivs Heaviside och Kennelly (1902). Det tog ytterligare tjugo år innan Edward Appleton och Barnett 1925 experimentellt kunde bevisa jonosfärens existens.

Även om några av de viktigaste matematiska verktygen för att hantera sfäriska vågledare utvecklades av GN Watson 1918, var det Winfried Otto Schumann som först studerade de teoretiska aspekterna av de globala resonanserna i jord-jonosfärvågledarsystemet, idag känt som Schumann-resonanserna . 1952–1954 försökte Schumann, tillsammans med HL König, mäta resonansfrekvenserna. Det var dock inte förrän vid mätningar gjorda av Balser och Wagner 1960–1963 som adekvata analystekniker fanns tillgängliga för att extrahera resonansinformationen från bakgrundsbruset. Sedan dess har det funnits ett ökande intresse för Schumann-resonanser inom en mängd olika områden.

Grundläggande teori

Blixturladdningar anses vara den primära naturliga källan till Schumann-resonansexcitation; blixtkanaler beter sig som enorma antenner som utstrålar elektromagnetisk energi vid frekvenser under cirka 100 kHz. Dessa signaler är mycket svaga på stora avstånd från blixtkällan, men jord-jonosfärens vågledare beter sig som en resonator vid ELF-frekvenser och förstärker spektralsignalerna från blixten vid resonansfrekvenserna.

I en ideal kavitet bestäms resonansfrekvensen för $n$ -th mode ${\displaystyle f_{n}} av$ jordens radie $a$ och ljusets hastighet $c$ .

f_{n}={\frac {c}{2\pi a}}{\sqrt {n(n+1)}}

Den verkliga jord-jonosfärvågledaren är inte en perfekt elektromagnetisk resonanshålighet. Förluster på grund av finit jonosfärs elektrisk ledningsförmåga sänker utbredningshastigheten för elektromagnetiska signaler i kaviteten, vilket resulterar i en resonansfrekvens som är lägre än vad som skulle förväntas i ett idealiskt fall, och de observerade topparna är breda. Dessutom finns det ett antal horisontella asymmetrier - dag-nattskillnad i jonosfärens höjd, latitudinella förändringar i jordens magnetfält , plötsliga jonosfäriska störningar, absorption av polarlock, variation i jordens radie på ± 11 km från ekvatorn till geografiska poler etc. som producerar andra effekter i Schumanns resonanseffektspektra. ^{[ citat behövs ]}

Mått

Idag spelas Schumann-resonanser in på många separata forskningsstationer runt om i världen. Sensorerna som används för att mäta Schumann-resonanser består vanligtvis av två horisontella magnetiska induktiva spolar för mätning av de nord-sydliga och öst-västliga komponenterna av magnetfältet , och en vertikal elektrisk dipolantenn för att mäta den vertikala komponenten av det elektriska fältet . Ett typiskt passband för instrumenten är 3–100 Hz. Det elektriska fältets amplitud för Schumann-resonansen (~300 mikrovolt per meter) är mycket mindre än det statiska elektriska fältet för fint väder ( ~150 V/m) i atmosfären .

På liknande sätt är amplituden för Schumanns resonansmagnetfält (~1 pikotesla) många storleksordningar mindre än jordens magnetfält (~30–50 mikrotesla). Specialiserade mottagare och antenner behövs för att detektera och registrera Schumann-resonanser. Den elektriska komponenten mäts vanligtvis med en kulantenn, föreslog av Ogawa et al., 1966, ansluten till en högimpedansförstärkare . De magnetiska induktionsspolarna består vanligtvis av tiotals till hundratusentals varv av tråd lindad runt en kärna med mycket hög magnetisk permeabilitet .

Beroende av global blixtaktivitet

Redan från början av Schumanns resonansstudier var det känt att de kunde användas för att övervaka global blixtaktivitet. Vid varje given tidpunkt finns det cirka 2000 åskväder runt om i världen . Dessa åskväder producerar cirka femtio blixtar per sekund och är direkt kopplade till Schumann-resonanssignalen i bakgrunden.

Att bestämma den rumsliga blixtfördelningen från Schumann-resonansposter är ett komplext problem: för att uppskatta blixtintensiteten från Schumann-resonansposter är det nödvändigt att ta hänsyn till både avståndet till blixtkällor och vågutbredningen mellan källan och observatören. Ett vanligt tillvägagångssätt är att göra ett preliminärt antagande om den rumsliga blixtfördelningen, baserat på de kända egenskaperna hos blixtklimatologin . Ett alternativt tillvägagångssätt är att placera mottagaren på nord- eller sydpolen , som förblir ungefär lika långt från de huvudsakliga åskväderscentrumen under dagen.

En metod som inte kräver preliminära antaganden om blixtfördelningen är baserad på sönderdelningen av de genomsnittliga Schumann-bakgrundsresonansspektra, med användning av förhållanden mellan de genomsnittliga elektriska och magnetiska spektra och mellan deras linjära kombination. Denna teknik förutsätter att kaviteten är sfäriskt symmetrisk och inkluderar därför inte kända kavitetsasymmetrier som tros påverka resonans- och utbredningsegenskaperna hos elektromagnetiska vågor i systemet.

Dagliga variationer

De bäst dokumenterade och mest omdiskuterade dragen hos Schumann-resonansfenomenet är de dagliga variationerna av Schumanns bakgrundsresonanseffektspektrum.

Ett karakteristiskt dygnsregister för Schumann-resonans återspeglar egenskaperna hos både global blixtaktivitet och tillståndet i jord-jonosfärskaviteten mellan källregionen och observatören. Det vertikala elektriska fältet är oberoende av källans riktning i förhållande till observatören och är därför ett mått på global blixt.

Det dagliga beteendet hos det vertikala elektriska fältet visar tre distinkta maxima, associerade med de tre "heta fläckarna" av planetarisk blixtaktivitet: en vid 9 UT (Universal Time) kopplad till den dagliga toppen av åskväderaktivitet från Sydostasien ; en vid 14 UT kopplad till toppen av afrikansk blixtaktivitet; och en vid 20 UT kopplad till toppen av sydamerikansk blixtaktivitet. Tiden och amplituden för topparna varierar under året, kopplat till säsongsmässiga förändringar i blixtaktiviteten.

"Skorsten" ranking

I allmänhet är den afrikanska toppen den starkaste, vilket återspeglar det stora bidraget från den afrikanska "skorstenen" till global blixtaktivitet. Rangordningen av de två andra topparna – asiatisk och amerikansk – är föremål för en kraftig tvist bland Schumann-resonansforskare. Schumanns resonansobservationer från Europa visar ett större bidrag från Asien än från Sydamerika, medan observationer från Nordamerika visar att det dominerande bidraget kommer från Sydamerika.

Williams och Sátori föreslår att för att erhålla "korrekt" Asien-Amerika skorstensrankning, är det nödvändigt att ta bort inflytandet från dag/natt-variationerna i jonosfärisk konduktivitet (dag-natt asymmetripåverkan) från Schumanns resonansposter. De "korrigerade" uppgifterna som presenteras i arbetet av Sátori, et al. visa att även efter avlägsnandet av dag-natt-asymmetriinflytandet från Schumanns resonansrekord förblir det asiatiska bidraget större än det amerikanska.

Liknande resultat erhölls av Pechony et al. som beräknade Schumann resonansfält från satellitblixtdata. Det antogs att distributionen av blixtar i satellitkartorna var en bra proxy för Schumann-excitationskällor, även om satellitobservationer övervägande mäter blixtar i moln snarare än moln-till-jord-blixtar som är de primära excitatorerna för resonanserna. Båda simuleringarna – de som försummade dag-natt-asymmetrin och de som tog hänsyn till denna asymmetri – visade samma Asien-Amerikas skorstensrankning. Å andra sidan tyder vissa optiska satelliter och klimatologiska blixtardata på att det sydamerikanska åskväderscentrumet är starkare än det asiatiska centrumet.

Orsaken till skillnaden mellan rankningar av asiatiska och amerikanska skorstenar i Schumanns resonansregister är fortfarande oklar och är föremål för ytterligare forskning.

Påverkan av dag-natt-asymmetri

I den tidiga litteraturen förklarades de observerade dygnsvariationerna av Schumanns resonansstyrka av variationerna i källmottagargeometrin (blixtobservatören). Man drog slutsatsen att inga speciella systematiska variationer av jonosfären (som fungerar som den övre vågledargränsen ) behövs för att förklara dessa variationer. Efterföljande teoretiska studier stödde de tidiga uppskattningarna av den lilla inverkan av jonosfärens dag-natt-asymmetri (skillnaden mellan jonosfärens konduktivitet på dagsidan och nattsidan) på de observerade variationerna i Schumanns resonansfältintensiteter.

Intresset för påverkan av dag-natt-asymmetri i jonosfärens konduktivitet på Schumann-resonanser fick ny styrka på 1990-talet, efter publiceringen av ett verk av Sentman och Fraser. Sentman och Fraser utvecklade en teknik för att separera de globala och lokala bidragen till de observerade fälteffektvariationerna med hjälp av registreringar som erhölls samtidigt vid två stationer som var vitt åtskilda i longitud. De tolkade de dygnsvariationer som observerades vid varje station i termer av en kombination av en dygnsvarierande global excitation modulerad av den lokala jonosfärens höjd.

Deras arbete, som kombinerade både observationer och energisparargument, övertygade många forskare om vikten av den jonosfäriska dag-natt-asymmetrin och inspirerade till många experimentella studier. Men nyligen visades det att resultat som erhållits av Sentman och Fraser ungefär kan simuleras med en enhetlig modell (utan att ta hänsyn till jonosfärens dag-natt variation) och därför inte kan tolkas unikt enbart i termer av jonosfärens höjdvariation.

Schumanns resonansamplitudposter visar betydande dygns- och säsongsvariationer som i allmänhet sammanfaller i tid med tidpunkterna för dag-natt-övergången (terminatorn ) . Denna tidsmatchning verkar stödja förslaget om ett betydande inflytande av dag-natt jonosfärens asymmetri på Schumanns resonansamplituder. Det finns register som visar nästan klockliknande noggrannhet för dygnsamplitudförändringarna.

Å andra sidan finns det många dagar då Schumanns resonansamplituder inte ökar vid soluppgången eller inte minskar vid solnedgången . Det finns studier som visar att det allmänna beteendet hos Schumanns resonansamplitudrekord kan återskapas från dygns- och säsongsbetonad åskvädersmigrering, utan att åberopa jonosfäriska variationer. Två nya oberoende teoretiska studier har visat att variationerna i Schumanns resonansstyrka relaterade till dag-natt-övergången är mycket mindre än de som är associerade med topparna av den globala blixtaktiviteten, och därför spelar den globala blixtaktiviteten en viktigare roll i variationen av Schumanns resonanskraft.

Det är allmänt erkänt att källobservatörseffekter är den dominerande källan till de observerade dygnsvariationerna, men det finns fortfarande betydande kontroverser om i vilken grad dag-natt-signaturer finns i data. En del av denna kontrovers härrör från det faktum att Schumann-resonansparametrarna som kan extraheras från observationer endast tillhandahåller en begränsad mängd information om den kopplade blixtkällans jonosfäriska systemgeometri. Problemet med att invertera observationer för att samtidigt härleda både blixtkällans funktion och jonosfäriska struktur är därför extremt underbestämt, vilket leder till möjligheten för icke-unika tolkningar.

"Omvänt problem"

Ett av de intressanta problemen i Schumanns resonansstudier är att bestämma blixtkällans egenskaper ("det omvända problemet"). Att temporärt lösa varje enskild blixt är omöjligt eftersom den genomsnittliga exciteringshastigheten av blixten, ~50 blixtar per sekund globalt, blandar ihop de individuella bidragen. Emellertid uppstår ibland extremt stora blixtar som ger distinkta signaturer som sticker ut från bakgrundssignalerna. De kallas "Q-bursts" och produceras av intensiva blixtnedslag som överför stora mängder laddning från molnen till marken och ofta bär hög toppström.

Q-skurar kan överskrida amplituden för bakgrundssignalnivån med en faktor på 10 eller mer och visas med intervaller på ~10 s, vilket gör att de kan betraktas som isolerade händelser och bestämma källan till blixtens plats. Källplatsen bestäms med antingen flerstations- eller enstationstekniker och kräver att man antar en modell för jord-jonosfärens hålighet. Flerstationsteknikerna är mer exakta, men kräver mer komplicerade och dyra anläggningar.

Forskning om övergående ljushändelser

Man tror nu att många av Schumann-resonanstransienterna (Q-skurar) är relaterade till de transienta ljushändelserna (TLEs) . År 1995, Boccippio et al. visade att sprites , den vanligaste TLE, produceras av positiva moln-till-jord-blixtar som inträffar i den stratiforma regionen av ett åskvädersystem , och åtföljs av Q-burst i Schumann-resonansbandet. Nyligen genomförda observationer visar att förekomsten av sprites och Q-skurar är starkt korrelerade och Schumann-resonansdata kan möjligen användas för att uppskatta den globala förekomsthastigheten av sprites.

Global temperatur

Williams [1992] föreslog att den globala temperaturen kan övervakas med Schumann-resonanserna. Länken mellan Schumann-resonans och temperatur är blixthastigheten, som ökar olinjärt med temperaturen. Olinjäriteten i förhållandet mellan blixt och temperatur ger en naturlig förstärkare av temperaturförändringarna och gör Schumann-resonans till en känslig "termometer" . Dessutom har de ispartiklar som tros delta i elektrifieringsprocesserna som resulterar i en blixturladdning en viktig roll i de strålningsåterkopplingseffekter som påverkar atmosfärstemperaturen. Schumann-resonanser kan därför hjälpa oss att förstå dessa återkopplingseffekter . En artikel publicerades 2006 som kopplade Schumann-resonans till global yttemperatur, vilket följdes upp med en studie från 2009.

Övre troposfärisk vattenånga

Troposfärisk vattenånga är en nyckelfaktor i jordens klimat, som har direkta effekter som växthusgas , såväl som indirekta effekter genom interaktion med moln , aerosoler och troposfärskemi. Övre troposfärisk vattenånga (UTWV) har en mycket större inverkan på växthuseffekten än vattenånga i den nedre atmosfären , men om denna påverkan är en positiv eller en negativ återkoppling är fortfarande osäkert.

Den största utmaningen med att ta itu med denna fråga är svårigheten att övervaka UTWV globalt över långa tidsskalor. Kontinentala djupkonvektiva åskväder producerar de flesta blixtarladdningar på jorden. Dessutom transporterar de stora mängder vattenånga in i den övre troposfären , vilket dominerar variationerna av global UTWV. Price [2000] föreslog att förändringar i UTWV kan härledas från registreringar av Schumann-resonanser.

På andra planeter och månar

Förekomsten av Schumann-liknande resonanser betingas främst av två faktorer:

En sluten, planetarisk och ellipsoidformad kavitet, bestående av ledande nedre och övre gränser åtskilda av ett isolerande medium. För jorden är den ledande nedre gränsen dess yta, och den övre gränsen är jonosfären. Andra planeter kan ha liknande elektrisk konduktivitetsgeometri, så det spekuleras att de borde ha liknande resonansbeteende.
En källa för elektrisk excitation av elektromagnetiska vågor i ELF-området.

Inom solsystemet finns det fem kandidater för Schumann-resonansdetektering förutom jorden: Venus , Mars , Jupiter , Saturnus och Saturnus största måne Titan . Modellering av Schumann-resonanser på solsystemets planeter och månar kompliceras av bristen på kunskap om vågledarparametrarna . Ingen in situ- kapacitet finns idag för att validera resultaten.

Venus

Det starkaste beviset för blixtnedslag på Venus kommer från de elektromagnetiska vågorna som först upptäcktes av Venera 11 och 12 landare. Teoretiska beräkningar av Schumann-resonanserna vid Venus rapporterades av Nickolaenko och Rabinowicz [1982] och Pechony och Price [2004]. Båda studierna gav mycket nära resultat, vilket tyder på att Schumann-resonanser borde vara lätta att upptäcka på den planeten givet en blixtkälla för excitation och en lämpligt placerad sensor.

Mars

När det gäller Mars har det gjorts markbundna observationer av radioemissionsspektra som har associerats med Schumann-resonanser. De rapporterade radioemissionerna är inte av de primära elektromagnetiska Schumann-lägena, utan snarare av sekundära moduleringar av de icke-termiska mikrovågsemissionerna från planeten vid ungefär de förväntade Schumann-frekvenserna, och har inte oberoende bekräftats vara associerade med blixtaktivitet på Mars. Det finns möjlighet att framtida landningsuppdrag kan bära instrumentering på plats för att utföra nödvändiga mätningar. Teoretiska studier är främst inriktade på att parametrisera problemet för framtida planetariska upptäcktsresande.

Detektion av blixtaktivitet på Mars har rapporterats av Ruf et al. [2009]. Bevisen är indirekt och i form av moduleringar av det icke-termiska mikrovågsspektrumet vid ungefär de förväntade Schumann-resonansfrekvenserna. Det har inte bekräftats oberoende av att dessa är förknippade med elektriska urladdningar på Mars. I händelse av att bekräftelse görs genom direkta observationer på plats, skulle det verifiera förslaget om möjligheten av laddningsseparation och blixtnedslag i dammstormarna från Mars från Eden och Vonnegut [1973] och Renno et al. [2003].

Mars globala resonanser modellerades av Sukhorukov [1991], Pechony och Price [2004] och Molina-Cuberos et al. [2006]. Resultaten av de tre studierna är något olika, men det verkar som att åtminstone de två första Schumann-resonanslägena borde vara detekterbara. Bevis för de tre första Schumann-resonanslägena finns i spektra av radioutstrålning från blixten som upptäckts i dammstormar från mars.

Titan

Det föreslogs för länge sedan att blixtarladdningar kan förekomma på Titan , men färska data från Cassini-Huygens verkar tyda på att det inte finns någon blixtaktivitet på denna största Saturnus satellit . På grund av det senaste intresset för Titan, förknippat med Cassini-Huygens-uppdraget, är dess jonosfär kanske den mest grundligt modellerade idag. Schumann-resonanser på Titan har fått mer uppmärksamhet än på någon annan himlakropp, i verk av Besser et al. [2002], Morente et al. [2003], Molina-Cuberos et al. [2004], Nickolaenko et al. [2003], och Pechony och Price [2004]. Det verkar som att endast det första Schumann-resonansläget kan detekteras på Titan.

Sedan Huygens-sonden landade på Titans yta i januari 2005 har det förekommit många rapporter om observationer och teorier om en atypisk Schumann-resonans på Titan. Efter flera tiotals förbiflygningar av Cassini upptäcktes varken blixtar eller åskväder i Titans atmosfär. Forskare föreslog därför en annan källa till elektrisk excitation: induktion av jonosfäriska strömmar av Saturnus samroterande magnetosfär. Alla data och teoretiska modeller överensstämmer med en Schumann-resonans, vars andra egenmod observerades av Huygens-sonden. Det viktigaste resultatet av detta är beviset på att det finns ett nedgrävt flytande vatten-ammoniakhav under några tiotals km av den isiga jordskorpan.

Jupiter och Saturnus

Blixtaktivitet har detekterats optiskt på Jupiter. Existensen av blixtaktivitet på den planeten förutspåddes av Bar-Nun [1975] och det stöds nu av data från Galileo , Voyagers 1 och 2, Pioneers 10 och 11 och Cassini . Det är också bekräftat att Saturnus har blixtaktivitet. Även om tre besökande rymdfarkoster ( Pioneer 11 1979, Voyager 1 1980 och Voyager 2 1981) inte lyckades tillhandahålla några övertygande bevis från optiska observationer, upptäckte rymdfarkosten Cassini i juli 2012 synliga blixtar och elektromagnetiska sensorer ombord på rymdfarkosten upptäckte signaturen på rymdfarkosten som är karakteristiska för blixtar.

Lite är känt om de elektriska parametrarna i Jupiters eller Saturnus inre. Till och med frågan om vad som ska fungera som den nedre vågledargränsen är icke-trivial när det gäller de gasformiga planeterna. Det verkar inte finnas några verk tillägnade Schumann-resonanser på Saturnus. Hittills har det bara gjorts ett försök att modellera Schumann-resonanser på Jupiter.

Här beräknades den elektriska konduktivitetsprofilen inom Jupiters gasatmosfär med metoder liknande de som används för att modellera stjärninteriörer, och det påpekades att samma metoder lätt kunde utvidgas till de andra gasjättarna Saturnus, Uranus och Neptunus. Med tanke på den intensiva blixtens aktivitet vid Jupiter bör Schumann-resonanserna vara lätta att upptäcka med en sensor som är lämpligt placerad i den planetariska-jonosfäriska kaviteten.