Schumann-rezonanciák

A Wikipédiából, a szabad enciklopédiából
A Föld felszíne fölött kialakuló Schumann-rezonanciák szemléltetése (az amplitúdók ábrázolása erősen torzított)

Schumann-rezonanciáknak nevezzük a bolygófelszín és az ionoszféra által határolt gömbréteg elektromágneses sajátfrekvenciáit, amit a zivatartevékenység során keletkező villámok keltenek. Nevüket leírójukról, Winfried Otto Schumann fizikusról kapták, aki 1952-ben matematikai úton levezette létezésüket.

A jelenség elsősorban a kontinensek trópusi régióira koncentrálódik, de az egész bolygó légkörére jellemző. Bármely más bolygón előfordul, ahol villámlás és ionoszféra található, de a jellemző frekvenciák a bolygó méretétől, a mágneses tér erősségétől és az ionoszférától is függenek, ennek megfelelően a földiétől eltérőek.

A Föld esetén a Schumann-rezonanciák frekvenciája az ELF tartományba[1] esik, a sajátfrekvenciák átlagértékei 7,83 Hz, 14,1 Hz és 20,3 Hz.

A jelenség robusztus becslést ad a Föld troposzférájában lejátszódó globális időjárási folyamatokról a világ zivatartevékenységének idő- és térbeli változásán keresztül, valamint a Föld−ionoszféra üregrezonátor felső határoló régióját (ionoszferikus D-tartomány) érő extraterresztrikus hatásokról.

A zivatartevékenység általában helyi időben délután maximális, ezért a Schumann-rezonanciák napi amplitúdóváltozásában a három fő trópusi zivatarrégió (Délkelet-Ázsia, Afrika, Dél-Amerika) jól elkülöníthető. A Föld esetén bármely pillanatban mintegy 2000 zivatar másodpercenként 50-100 villámot hoz létre.

Napéjegyenlőségi hónapokban a trópusi régióban az egységnyi felületre juttatott többlet napsugárzási energia kb. 1,5 °C féléves hőmérsékleti hullám­ban jelentkezik. Ezen hőmérséklet-változás a megnövekedett villámaktivitáson keresztül a Schumann-rezonanciák intenzitásváltozásában is tükröződik.

Az SR-jelenség sokoldalú alkalmazhatóságának bizonyítéka, hogy a nagycenki adatokból a passzátszélnek a Csendes-óceán egyenlítői térségére vonatkozó, 1996 januárjában érvényes átlagos sebességét és irányát le lehetett vezetni az 1995. decemberi, dél-amerikai SR-anomália nyugati irányba történő szisztematikus elfordulása alapján (Sátori − Zieger, 1998).

Az SR-frekvencia mind a vertikális elektromos, mind a horizontális mágnesestér-komponens, és mindegyik rezonancia-módus esetében azonos értelmű változást mutat a tizenegy éves napciklus során, a naptevékenységgel azonos fázisban (Sátori et al., 2005). Ez egyértelműen a Föld-ionoszféra üregrezonátor „elhangolódását” jelzi, azaz a rezonátor felső határoló rétegének, az ionoszférának a magassága és vezetőképessége változik a tizenegy éves napciklus során.

ELF-sávban keletkező elektromágneses hullámokat nem csak villámok keltenek, hanem tornádók, vulkánkitörések, porviharok és valószínűleg földrengések is. Földrengések előrejelzésével ELF-sávú elektromágneses jelek segítségével annak ígéretes volta miatt sok tudós foglalkozik, ennek során amatőrök által gyűjtött adatokat is feldolgoznak.[2]

Története[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A Nature című tekintélyes tudományos folyóirat 1893. szeptember 28-i számában beszámolt a British Association for the Advancement of Science üléséről. Ezen George Francis FitzGerald fizikaprofesszor többek között a következő megjegyzéseket tette:

1. „Az a hipotézis, hogy a Földet, mint elektromosan vezető testet egy nem-vezető réteg veszi körül, nem felel meg a tényeknek. Az atmoszféra felső rétegei valószínűleg jó vezetők.”

2. „Feltételezhetjük, hogy a villámlások alatt a levegő képes az [elektromágneses] zavarok továbbítására.”

3. „Ha az északi fény magasságát 100 km-re becsüljük, akkor a rezgés periódusideje 0,1 s.”

A 0,1 s periódusidőből 10 Hz-es frekvencia adódik.

1902-ben első ízben Heaviside és Kennelly élt azzal a feltételezéssel, hogy létezik egy ionoszférának nevezett réteg a Föld körül, ami képes az elektromágneses hullámok visszaverésére.[3][4] Húsz év múlva sikerült a bizonyítás Edward Appleton és Barnett számára, akik 1925-ben kísérletileg kimutatták az ionoszféra létezését.[5]

Bár a matematikai eszközök legtöbbje már 1918-tól rendelkezésre állt a gömbi üregrezonátorok számítására, amikor G. N. Watson kifejlesztette azokat[6], Winfried Otto Schumann volt az, aki a Föld ionoszférájának elektromágneses rezonanciáit vizsgálni kezdte. 1952-1954 során Schumann és H. L. König megkísérelte mérni a rezonanciafrekvenciákat.[7][8][9][10] A méréseket Balser és Wagner 1960–1963 között végezte el.[11][12][13][14][15]

Az első magyarországi megfigyelések a Schumann-rezonanciák frekvenciatartományában a Nagycenk melletti Geofizikai Obszervatóriumban már az 1960-as évek elején megtörténtek. Az 1990-es évek közepéig csupán néhány olyan állomás működött a világon (Magyarország, USA, Antarktisz), ahol folyamatos volt a Schumann-rezonanciák megfigyelése.

Elmélete[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A legnagyobb elektromágneses energiájú gerjesztést a villámok jelentik az ionoszféra alatti térrészben. A villámlás során keletkező elektromosan vezető „csatornák” antennaként viselkednek, amik elektromágneses hullámokat sugároznak ki. Ezek frekvenciája 100 kHz alatt van.[16] A jelek a villámlástól való távolsággal arányosan gyengülnek, de a földfelszín és az ionoszféra között kialakuló hullámvezető rezonál az ELF-sávba eső frekvenciákon, ezért ezek a hullámok nagy távolságra eljutnak.[16]

Ideális elektromos vezető esetén a rezonancia-frekvencia n-edik felharmonikusa (f_{n}) függ a Föld sugarától (a), és a fénysebességtől. (c)[7]

f_{n} =\frac{c}{2 \pi a}\sqrt{n(n+1)}, ebből a legalacsonyabb lehetséges frekvenciára 10,55 Hz adódik.

A föld ionoszférája azonban nem ideális hullámvezető, ezért a legkisebb frekvenciájú jel frekvenciája a gyakorlatban ennél alacsonyabb, 7,45 Hz körüli.

Az ionoszféra napi változásának hatására a rezonanciafrekvencia kis mértékben változik (néhány tized Hz-cel).

Mérések[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A Schumann-rezonanciákat a Föld különböző kutatóállomásain folyamatosan mérik. Az érzékelő többnyire két vízszintesen elhelyezkedő mágneses indukciós tekercset tartalmaz, ami az észak-déli és kelet-nyugati mágneses összetevőket méri, és egy függőleges elektromos dipólantennát, ami az elektromos teret méri. A tipikus mérési frekvenciatartomány 3–100 Hz közötti. A Schumann-rezonanciák elektromos terének erőssége jóval kisebb (~300 mikrovolt per méter), mint a légkörben jó időben meglévő statikus elektromos térerősség (~150 V/m). Hasonlóképpen a Schumann-rezonanciák mágneses térerőssége (~1 pikotesla) több nagyságrenddel kisebb, mint a Föld mágneses terének erőssége (~30–50 mikrotesla).[17]

A jelek vételéhez speciális vevőkészüléket és antennát használnak. Az elektromos összetevőt többnyire gömb alakú antennával veszik, Ogawa et al. 1966-os javaslata alapján[18], amit nagy bemenő ellenállással rendelkező erősítő bemenetére vezetnek. A mágneses összetevőt érzékelő tekercsek több tíz- vagy százezer menetből állnak, amit nagy mágneses permeabilitású mag köré tekercselnek.

Napi ingadozások[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A Schumann-rezonanciák jellemzője, hogy tükrözik a villámlások globális gyakoriságát és a Föld-ionoszféra közötti vezetőréteg állapotát a forrás és a megfigyelő között. A függőleges elektromos tér független a megfigyelő és a keletkezés helye közötti iránytól, és emiatt jól jellemzi a villámlások gyakoriságát. A Földön ez időben három maximumot mutat, ami a keletkezés földrajzi helyére utal: a 9 UTC-kor lévő csúcsot a délkelet-ázsiai zivatarok okozzák; a 14 órait (UTC) az afrikai zivatarok; a 20 órást (UTC) pedig a dél-amerikai zivatarok. Az időpontok és az amplitúdók az év során változást mutatnak, amik a zivatarok évszakos változásaihoz köthetők.

A frekvenciák napi szinten kis mértékű (tized Hz-es) változást mutatnak.

Magaslégköri fényjelenségek[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Ismert, hogy a Schumann-rezonanciákban mutatkozó kitörések kapcsolatban állnak a magaslégköri fényjelenségekkel (angol rövidítéssel: TLE). 1995-ben Boccippio és mások[19] megmutatták, hogy a leggyakoribb magaslégköri fényjelenség, a vörös lidérc pozitív töltésű, felhő-föld típusú villámlás során keletkezik. Ugyanakkor a Schumann-rezonanciák sávjában Q-kitörés jelentkezik.

Más megfigyelések[19][20] rámutatnak, hogy a vörös lidércek előfordulása és a Q-kitörések összefüggenek, így a Schumann-rezonanciákból nyerhető adatok felhasználhatók a lidércek globális előfordulásának becslésére.[21]

Schumann-rezonanciák más bolygókon[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

A Schumann-rezonanciák létrejöttének két fő feltétele van:

(1) bolygóméretű, ionoszférával rendelkező égitest, aminek felszíne elektromosan vezetőnek tekinthető, és a két réteg között szigetelőnek vehető réteg van.

(2) elektromágneses hullámok ELF-sávban való gerjesztésére alkalmas forrás.

A Naprendszerben a Schumann-rezonanciák lehetséges létezésére a következő öt jelölt van a Földön kívül: Vénusz, Mars, Jupiter, Szaturnusz és a Titán (a Szaturnusz egyik holdja).

A Schumann-rezonanciák modellezése más égitestekre problémás, mivel nem ismertek az adott hely hullámvezetési jellemzői. Ha lenne modell, annak sem lehetne ellenőrizni a valósághoz való illeszkedését, mivel nincsenek erre vonatkozó helyszíni adatok. Ennek ellenére a Mars esetében a rádiófrekvenciás sávban történő földi megfigyelések utalnak ilyen rezonanciák létére. Az észlelt elektromágneses hullámok nem elsődleges Schumann-rezonanciák, hanem másodlagosan, mikrohullámú sugárzástól keletkeznek. A jelenséget még nem sikerült hitelt érdemlően összefüggésbe hozni a marsi villámlásokkal.[22][23][24][25]

A Vénuszon létező Schumann-rezonanciák elméleti létezésére először Nickolaenko és Rabinowicz mutatott rá 1982-ben,[26] majd 2004-ben Pechony és Price[27]. A Vénuszon létező villámlásokra első ízben azok az elektromágneses jelek utaltak, amiket a Venyera–11 és Venyera–12 szovjet űrszondák észleltek.

Régóta feltételezik, hogy a Titánon villámok keletkeznek[28], de a Cassini–Huygens űrszonda adatai cáfolták ezek létét. A tudományos érdeklődés miatt, amit a Cassini–Huygens űrszonda is elősegített, a hold ionoszférájára részletes modell áll rendelkezésre. A Schumann-rezonanciák lehetséges létezésére is nagy figyelmet fordítottak, főleg Besser és mások munkái nyomán [2002],[27][29][30][31][32]

A Jupiter az egyetlen olyan bolygó a naprendszerben, amin a Földről optikai úton is észlelhető villámlások vannak. A villámlások elméleti létezésére Bar-Nun mutatott rá 1975-ben.[33]

A Szaturnuszon nem sikerült optikai úton megfigyelni villámlásokat sem a Pioneer–11 (1979), sem a Voyager–1 (1980), sem pedig a Voyager–2 (1981) űrszondának. A Cassini űrszonda fedélzetén lévő elektromágneses detektorok a villámlásokra jellemző zörejeket észleltek.

Sem a Jupiter, sem a Szaturnusz belső anyagának elektromos jellemzőiről nem tudunk sokat. Még az is kérdés tárgya, hogy egy gázbolygó esetén mi tekinthető hullámvezető felületnek.[34]

Kapcsolódó szócikkek[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Jegyzetek[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

  1. ELF: az „extrém alacsony frekvenciák” angol rövidítése, 3 Hz-30 Hz frekvenciák közötti elektromágneses sugárzás.
  2. What and Where is the Natural Noise Floor? John Meloy, AJ6LS
  3. O. Heaviside (1902.). „Telegraphy, Sect. 1, Theory”. Encyc. Brit.10th ed.. . London 9, 213–218. o.  
  4. A.E. Kennelly (1902.). „On the elevation of the electrically-conducting strata of the earth's atmosphere”. Electrical world and engineer 32, 473–473. o.  
  5. Appleton, E. V. , M. A. F. Barnett (1925.). „On Some Direct Evidence for Downward Atmospheric Reflection of Electric Rays”. Proceedings of the Royal Society of London. Series A, Containing Papers of a Mathematical and Physical Character 109 (752), 621–641. o. DOI:10.1098/rspa.1925.0149.  
  6. Watson, G.N. (1918.). „The diffraction of electric waves by the Earth”. Proc. Roy. Soc. (London) Ser.A 95, 83–99. o.  
  7. ^ a b Schumann W. O. (1952.). „Über die strahlungslosen Eigenschwingungen einer leitenden Kugel, die von einer Luftschicht und einer Ionosphärenhülle umgeben ist”. Zeitschrift und Naturfirschung 7a, 149–154. o.  
  8. Schumann W. O. (1952.). „Über die Dämpfung der elektromagnetischen Eigenschwingnugen des Systems Erde – Luft – Ionosphäre”. Zeitschrift und Naturfirschung 7a, 250–252. o.  
  9. Schumann W. O. (1952.). „Über die Ausbreitung sehr Langer elektriseher Wellen um die Signale des Blitzes”. Nuovo Cimento 9 (12), 1116–1138. o. DOI:10.1007/BF02782924.  
  10. Schumann W. O. and H. König (1954.). „Über die Beobactung von Atmospherics bei geringsten Frequenzen”. Naturwiss 41 (8), 183–184. o. DOI:10.1007/BF00638174.  
  11. Balser M. and C. Wagner (1960.). „Measurement of the spectrum of radio noise from 50 to 100 c/s”. J.Res. NBS 64D, 415–418. o.  
  12. Balser M. and C. Wagner (1960.). „Observations of Earth–ionosphere cavity resonances”. Nature 188 (4751), 638–641. o. DOI:10.1038/188638a0.  
  13. Balser M. and C. Wagner (1962.). „Diurnal power variations of the Earth–ionosphere cavity modes and their relationship to worldwide thunderstorm activity”. J.G.R 67 (2), 619–625. o. DOI:10.1029/JZ067i002p00619.  
  14. Balser M. and C. Wagner (1962.). „On frequency variations of the Earth–ionosphere cavity modes”. J.G.R 67 (10), 4081–4083. o. DOI:10.1029/JZ067i010p04081.  
  15. Balser M. and C. Wagner (1963.). „Effect of a high-altitude nuclear detonation on the Earth–ionosphere cavity”. J.G.R 68, 4115–4118. o.  
  16. ^ a b Volland, H.. Atmospheric Electrodynamics. Springer-Verlag, Berlin (1984) 
  17. Price, C., O. Pechony, E. Greenberg (2006.). „Schumann resonances in lightning research”. Journal of Lightning Research 1, 1– 15. o.  
  18. Ogawa, T., Y. Tanka, T. Miura, and M. Yasuhara (1966.). „Observations of natural ELF electromagnetic noises by using the ball antennas”. J. Geomagn. Geoelectr 18, 443– 454. o.  
  19. ^ a b Boccippio, D. J., E. R. Williams, S. J. Heckman, W. A. Lyons, I. T. Baker, R. Boldi (1995.). „Sprites, ELF transients, and positive ground strokes”. Science 269 (5227), 1088–1091. o. DOI:10.1126/science.269.5227.1088. PMID 17755531.  
  20. Price, C., E. Greenberg, Y. Yair, G. Sátori, J. Bór, H. Fukunishi, M. Sato, P. Israelevich, M. Moalem, A. Devir, Z. Levin, J.H. Joseph, I. Mayo, B. Ziv, A. Sternlieb (2004.). „Ground-based detection of TLE-producing intense lightning during the MEIDEX mission on board the Space Shuttle Columbia”. G.R.L. 31.  
  21. Hu, W., S. A. Cummer, W. A. Lyons, T. E. Nelson (2002.). „Lightning charge moment changes for the initiation of sprites”. G.R.L. 29 (8), 1279. o. DOI:10.1029/2001GL014593.  
  22. Eden, H. F. and B. Vonnegut (1973.). „Electrical breakdown caused by dust motion in low-pressure atmospheres: consideration for Mars”. Science 180 (4089), 962. o. DOI:10.1126/science.180.4089.962. PMID 17735929.  
  23. Renno N. O., A. Wong, S. K. Atreya, I. de Pater, M. Roos-Serote (2003.). „Electrical discharges and broadband radio emission by Martian dust devils and dust storms”. G. R. L. 30 (22), 2140. o. DOI:10.1029/2003GL017879.  
  24. Sukhorukov A. I. (1991.). „On the Schumann resonances on Mars”. Planet. Space Sci. 39 (12), 1673–1676. o. DOI:10.1016/0032-0633(91)90028-9.  
  25. Molina-Cuberos G. J., J. A. Morente, B. P. Besser, J. Porti, H. Lichtenegger, K. Schwingenschuh, A. Salinas, J. Margineda (2006.). „Schumann resonances as a tool to study the lower ionosphere of Mars”. Radio Science 41, RS1003. o. DOI:10.1029/2004RS003187.  
  26. Nickolaenko A. P., L. M. Rabinowicz (1982.). „On the possibility of existence of global electromagnetic resonances on the planets of Solar system”. Space Res. 20, 82–89. o.  
  27. ^ a b Pechony, O., C. Price (2004.). „Schumann resonance parameters calculated with a partially uniform knee model on Earth, Venus, Mars, and Titan”. Radio Sci. 39 (5), RS5007. o. DOI:10.1029/2004RS003056.  
  28. Lammer H., T. Tokano, G. Fischer, W. Stumptner, G. J. Molina-Cuberos, K. Schwingenschuh, H. O. Rucher (2001.). „Lightning activity of Titan: can Cassiny/Huygens detect it?”. Planet. Space Sci. 49 (6), 561–574. o. DOI:10.1016/S0032-0633(00)00171-9.  
  29. Besser, B. P., K. Schwingenschuh, I. Jernej, H. U. Eichelberger, H. I. M. Lichtenegger, M. Fulchignoni, G. J. Molina-Cuberos, J. A. Morente, J. A. Porti, A. Salinas (2002.). „Schumann resonances as indicators for lighting on Titan”. Proceedings of the Second European Workshop on Exo/Astrobiology, Graz, Australia, 16–19 September.  
  30. Morente J. A., Molina-Cuberos G. J., Porti J. A., K. Schwingenschuh, B. P. Besser (2003.). „A study of the propagation of electromagnetic waves in Titan’s atmosphere with the TLM numerical method”. Icarus 162 (2), 374–384. o. DOI:10.1016/S0019-1035(03)00025-3.  
  31. Molina-Cuberos G. J., J. Porti, B. P. Besser, J. A. Morente, J. Margineda, H. I. M. Lichtenegger, A. Salinas, K. Schwingenschuh, H. U. Eichelberger (2004.). „Shumann resonances and electromagnetic transparence in the atmosphere of Titan”. Advances in Space Research 33 (12), 2309–2313. o. DOI:10.1016/S0273-1177(03)00465-4.  
  32. Nickolaenko A. P., B. P. Besser, K. Schwingenschuh (2003.). „Model computations of Schumann resonance on Titan”. Planet. Space Sci. 51 (13), 853–862. o. DOI:10.1016/S0032-0633(03)00119-3.  
  33. Bar-Nun A. (1975.). „Thunderstorms on Jupiter”. ICARUS 24, 86–94. o. DOI:10.1016/0019-1035(75)90162-1.  
  34. Sentman D. D. (1990.). „Electrical conductivity of Jupiter's Shallow interior and the formation of a resonant planetary-ionosphere cavity”. ICARUS 88, 73–86. o. DOI:10.1016/0019-1035(90)90177-B.  

További információk[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

  • Ádám Antal − Bencze Pál (1963): Kisfrekvenciás természetes elektromágneses energiaforrás vizsgálata. Magyar Geofizika. IV, 29–34.
  • Sátori Gabriella − Szendrői J. − Verő J. (1996): Monitoring Schumann resonances – I. Methodology. Journal of Atmospheric and Terrestial Physics. 58, 1475-1481
  • Sátori Gabriella − Zieger Bertalan (1996): Spectral Characteristics of Schumann Resonances Observed in Central Europe. Journal of Geophysical Research. 101, D23, 29663–29669.
  • Sátori Gabriella − Zieger Bertalan (1998): Anomalous Behaviour of Schumann Resonance during the Transition between 1995 and 1996, Journal of Geophysical Research. 103, 14147–14155.
  • Sátori Gabriella − Zieger Bertalan (1999): El Niño Related Meridional Oscillation of Global Lightning Activity. Geophysical Research Letters. 26, 10, 1365–1368.
  • Sátori Gabriella − Williams, E. R. − Mushtak, V. (2005): Response of the Earth-ionosphere Cavity Resonator to the 11-year Solar Cycle in X-radiation. Journal of Atmospheric and Solar-Terrestial Physics. 67, 6, 553–562.
  • Sátori Gabriella − Mushtak, V. − Williams, E. R. (2009): Schumann Resonance Signatures of Global Lightning Activity. In: Betz, Hans Dieter – Schumann, U. – Laroche P. (eds.): Lightning: Principles, Instruments and Applications. Springer, 347–386.
  • Schumann, Winfried Otto (1952): Über die strahlungs­losen Eigenschwingungen einer leitenden Kugel, die von einer Luftschicht und einer Ionosphärenhülle umgeben ist. Zeitschrift und Naturforschung. 7a, 149–154.
  • Williams, Earle R. (1992): The Schumann resonance: A Global Tropical Thermometer. Science, 256, 1184.
Általános hivatkozás
Weboldalak

Fordítás[szerkesztés | forrásszöveg szerkesztése]

Ez a szócikk részben vagy egészben a Schumann resonances című angol Wikipédia-szócikk fordításán alapul. Az eredeti cikk szerkesztőit annak laptörténete sorolja fel.