Συχνότητες Σούμαν

Οι συχνότητες Σούμαν (SR) είναι μια σειρά κορυφών στις εξαιρετικά χαμηλές συχνότητες (ELF) του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος της Γης. Οι συχνότητες Σούμαν είναι  ηλεκτρομαγνητικοί συντονισμοί οι οποίοι προκαλούνται από εκφορτίσεις κεραυνών στην κοιλότητα που δημιουργείται ανάμεσα στην επιφάνεια της γης και την ιονόσφαιρα.

Περιγραφή

Αυτό το παγκόσμιο ηλεκτρομαγνητικό φαινόμενο συντονισμών πήρε το όνομα του από τον φυσικό Γουίνφριντ Όττο Σούμαν ο οποίος το προέβλεψε μαθηματικά το 1952. Οι συντονισμοί συμβαίνουν διότι ο χώρος ανάμεσα στην επιφάνεια της Γης και την αγώγιμη ιονόσφαιρα λειτουργεί σαν ένας κλειστός κυματοδηγός. Οι περιορισμένες διαστάσεις της Γης κάνουν αυτόν τον κυματοδηγό να φέρεται σαν κοιλότητα συντονισμών για τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα στο φάσμα των εξαιρετικά χαμηλών συχνοτήτων. Η κοιλότητα διεγείρεται από τα ηλεκτρικά ρεύματα των κεραυνών. Οι συντονισμοί Σούμαν είναι το κύριο υπόβαθρο στο ηλεκτρομαγνητικό φάσμαMacGorman, W. D. Rust, W. David Rust. "The electrical nature of storms". Page 114. και ξεκινούν από τα 3 Hz και φτάνουν ως τα 60 HzHandbook of atmospheric electrodynamics, Volume 1 By Hans Volland. Page 277., και εμφανίζονται ως κορυφές στις εξαιρετικά χαμηλές συχνότητες γύρω στα 7.83 Hz (Θεμελιώδης)  Department of Theoretical and Experimental Nuclear Physics, Odessa National Polytechnic University, Ukraine, 14.3, 20.8, 27.3 και 33.8 Hz.Recent advances in multidisciplinary applied physics By A. Méndez-Vilas. Page 65.

Στις περιγραφές κανονικής παρατήρησης των συχνοτήτων Σούμαν, η θεμελιώδης συχνότητα είναι ένα στάσιμο κύμα στην κοιλότητα μεταξύ Γης και ιονόσφαιρας με μήκος κύματος ίσο με την περιφέρεια της Γης. Αυτή η χαμηλότερη συχνότητα (και υψηλότερη σε ένταση) των συντονισμών Σούμαν παρατηρείται στη συχνότητα των 7.83 Hz περίπου, αλλά αυτό μπορεί να αλλάξει λίγο από διάφορους παράγοντες όπως οι αναταράξεις στην ιονόσφαιρα που προκαλούνται από τον ήλιο οι οποίες προσβάλλουν το ανώτερο μέρος της κοιλότητας. Οι υψηλότερες συχνότητες διαχωρίζονται με διαστήματα περίπου 6.5 Hz, ένα χαρακτηριστικό το οποίο αποδίδεται στη σφαιρική γεωμετρία της ατμόσφαιρας. Οι κορυφές δείχνουν ένα φασματικό εύρος περίπου 20% στον τομέα της απόσβεσης των διαδοχικών συντονισμών μέσα στην κοιλότητα διάδοσης. Η 8η αρμονική είναι περίπου στα 60 Hz.

Η παρατήρηση των συχνοτήτων Σούμαν χρησιμοποιείται για την καταγραφή κεραυνών σε παγκόσμιο επίπεδο. Λόγω της σχέσης των κεραυνών με το κλίμα της Γης, έχει προταθεί να χρησιμοποιούνται επίσης για την παρακολούθηση των διακυμάνσεων της παγκόσμιας θερμοκρασίας και τις διακυμάνσεις της εξάτμησης του νερού στα ανώτερα στρώματα της τροπόσφαιρας. Εικάζεται πως οι κεραυνοί σε άλλους πλανήτες μπορούν επίσης να ανιχνευθούν και να μελετηθούν με βάση το αποτύπωμα των συντονισμών Σούμαν που αφήνουν. Οι αυντονισμοί Σούμαν έχουν χρησιμοποιηθεί για να μελετηθεί η χαμηλότερη ιονόσφαιρα της Γης και έχει προταθεί ως τρόπος για να μελετηθεί η χαμηλότερο ιονόσφαιρα των ουράνιων σωμάτων. Μεταβολές στους συντονισμούς Σούμαν έχουν παρατηρηθεί έπειτα από γεωμαγνητικές και ιονοσφαιρικές διαταραχές. Πρόσφατα, διεγέρσεις των συντονισμών Σούμαν έχουν συνδεθεί με κεραυνούς στα ανώτερα στρώματα της ατμόσφαιρας. Ένα νέο πεδίο ενδιαφέροντος όπου χρησιμοποιούνται οι συντονισμοί Σούμαν είναι η βραχυπρόθεσμη πρόγνωση σεισμών.

Ιστορία

Οι πρώτες καταγεγραμμένες παρατηρήσεις των παγκόσμιων ηλεκτρομαγνητικών συντονισμών έγιναν από τον Νίκολα Τέσλα στο εργαστήριο του στο Κολοράντο Σπρινγκς το 1899. Η παρατήρηση οδήγησε σε ορισμένα συμπεράσματα σχετικά με τις ηλεκτρικές ιδιότητες της Γης,οι οποίες έθεσαν τις βάσεις για την ιδέα του για το ασύρματο δίκτυο.

Ο Τέσλα ερευνούσε τρόπους εκπομπής ισχύος και ενέργειας ασύρματα για μεγάλες αποστάσεις (μέσω εγκαρσίων και διαμήκων κυμάτων). Εξέπεμπε κύματα εξαιρετικά χαμηλών συχνοτήτων μέσω του εδάφους όπως επίσης και μέσω του χώρου μεταξύ της επιφάνειας της Γης και του στρώματος Κένελι-Χέβισάιντ. Κατοχύρωσε πατέντες ασύρματων πομποδεκτών οι οποίοι μέσω αυτής της μεθόδου παρήγαγαν στάσιμα κύματα.Κάνοντας μαθηματικούς υπολογισμούς βασισμένους στα πειράματά του, ο Τέσλα ανακάλυψε ότι η συχνότητα απήχησης της Γης είναι περίπου 8 Hz. Τη δεκαετία του 1950, οι ερευνητές επιβεβαίωσαν πως η συχνότητα συντονισμού της ιονοσφαιρικής κοιλότητας της Γης είναι σε αυτό το εύρος (αργότερα ονομάστηκε συντονισμός Σούμαν).

Το 1893, ο Τζωρτζ Φράνσις Φιτζέραλντ (George Francis FitzGerald) παρατήρησε ότι τα ανώτερα στρώματα της ατμόσφαιρας μάλλον είναι σχετικά καλοί αγωγοί. Υποθέτοντας ότι αυτά τα στρώματα βρίσκονται σε ύψος περίπου 100 χιλιομέτρων από το έδαφος, εκτίμησε πως οι ταλαντώσεις (σε αυτή την περίπτωση η χαμηλότερη συχνότητα των συντονισμών Σούμαν) θα έχουν περίοδο 0,1 δευτερόλεπτα.G. F. FitzGerald, “On the period of vibration of electrical disturbances upon the Earth,” Br. Assoc. Adv. Sci., Rep. 63, 682 (1893) Λόγω αυτής της συμβολής,προτάθηκε να μετονομαστούν σε συντονισμούς Schumann–FitzGerald.J. D. Jackson, Examples of the zeroth theorem of the history of science, American Journal of Physics, Vol. 76, No. 8, pp. 704–719, August 2008 Παρόλ' αυτά, η έρευνα του FitzGerald δεν ήταν ευρέως γνωστή καθώς είχε παρουσιαστεί μόνο σε ένα συνέδριο της Βρετανικής Ένωσης για την Ανάπτυξη των Επιστημών.

Έτσι, η πρώτη εικασία ότι η ιονόσφαιρα υπάρχει και είναι ικανή να παγιδεύει ηλεκτρομαγνητικά κύματα αποδίδεται στους Heaviside και Kennelly, το 1902. Πέρασαν άλλα 20 χρόνια μέχρι οι Edward Appleton και Barnett το 1925 να καταφέρουν να αποδείξουν πειραματικά την ύπαρξη της ιονόσφαιρας.

Ενώ μερικά από τα σημαντικότερα μαθηματικά εργαλεία για την μελέτη των σφαιρικών κυματοδηγών αναπτύχθηκαν από τον G.N. Watson το 1918, ο Winfried Otto Schumann ήταν αυτός που μελέτησε τις θεωρητικές πτυχές των παγκόσμιων συντονισμών στο σύστημα κυματοδηγών μεταξύ Γης και ιονόσφαιρας,γνωστό σήμερα ως συντονισμοί Σούμαν. Μεταξύ 1952-1954, ο Σούμαν μαζί με τον H.L. König δοκίμασαν να μετρήσουν τις συχνότητες των συντονισμών. Αλλά μέχρι να γίνουν μετρήσεις από τους Balser και Wagner το διάστημα 1960-1963 δεν ήταν δυνατή η εξαγωγή πληροφοριών και ο διαχωρισμός των συντονισμών από τον θόρυβο. Από τότε, υπάρχει ένα αυξανόμενο ενδιαφέρον για τους  συντονισμούς Σούμαν σε μεγάλο εύρος επιστημονικών πεδίων.

Βασική θεωρία

Οι ηλεκτρικές εκκενώσεις λόγω κεραυνών θεωρούνται η κύρια φυσική πηγή της ταλάντωσης των συντονισμών Σούμαν, τα κανάλια των κεραυνών συμπεριφέρονται σαν τεράστιες κεραίες οι οποίες εκπέμπουν ηλεκτρομαγνητική ενέργεια σε συχνότητες λίγο χαμηλότερες των 100 KHz.  Αυτά τα σήματα είναι πολύ ασθενή σε μεγάλες αποστάσεις από την πηγή (από τον κεραυνό στην προκειμένη περίπτωση) αλλά ο κυματοδηγός Γης-ιονόσφαιρας λειτουργεί ως αντηχείο στις Εξαιρετικά Χαμηλές Συχνότητες (ELF) και ενισχύει τα φασματικά σήματα από τους κεραυνούς στις συχνότητες συντονισμού.

Σε μια ιδανική κοιλότητα, η n-οστή συχνότητα  εξαρτάται από την ακτίνα της Γης  και την ταχύτητα του φωτός .

Ο κανονικός κυματοδηγός Γης-ιονόσφαιρας δεν είναι μια τέλεια κοιλότητα ηλεκτρομαγνητικών συντονισμών. Οι απώλειες λόγω περιορισμένης ηλεκτρικής αγωγιμότητας χαμηλώνουν την ταχύτητα διάδοσης των ηλεκτρομαγνητικών σημάτων στην κοιλότητα, έτσι προκύπτει μια συχνότητα συντονισμού που είναι χαμηλότερη από αυτή που θα υπήρχε σε μια ιδανική περίπτωση και οι κορυφές που προκύπτουν έχουν μεγάλο πλάτος. Επίσης, υπάρχει ένας αριθμός ασυμμετριών στο ύψος της ιονόσφαιρας, αλλαγές πλάτους στο μαγνητικό πεδίο της Γης, απότομες ιονοσφαιρικές διαταραχές, απορροφήσεις ακτινοβολίας από τους πόλους ,διαφορές της ακτίνας της Γης +/- 11 χιλιόμετρα από τον ισημερινό στους γεωγραφικούς πόλους κτλ τα οποία έχουν άλλες επιπτώσεις στο φάσμα ισχύος των συντονισμών Σούμαν.

Μετρήσεις

Σήμερα, οι συντονισμοί Σούμαν καταγράφονται σε πολλούς διαφορετικούς ερευνητικούς σταθμούς σε όλο τον κόσμο. Οι αισθητήρες που χρησιμοποιούνται για να μετρούν τους συντονισμούς Σούμαν, συνήθως αποτελούνται από 2 οριζόντια μαγνητικά επαγωγικά πηνία για τη μέτρηση των βόρειων-νότιων και ανατολικών-δυτικών συστατικών του μαγνητικού πεδίου και μια κάθετη ηλεκτρική διπολική κεραία για τη μέτρηση των κάθετων συστατικών του ηλεκτρικού πεδίου. Ένα τυπικό αποδεκτό εύρος συχνοτήτων αυτών των οργάνων είναι 3-100 Hz.Το πλάτος του ηλεκτρικού πεδίου των συντονισμών Σούμαν (~300 μικροβόλτ ανά μέτρο) είναι πολύ μικρότερο από το στατικό ηλεκτρικό πεδίο καλοκαιρίας (~150V ανά μέτρο) στην ατμόσφαιρα. Ομοίως, το πλάτος του μαγνητικού πεδίου των συντονισμών Σούμαν (1 picotesla) είναι πολλές κλίμακες μικρότερο από το μαγνητικό πεδίο της Γης (~30-50 μικροτέσλα). Ειδικοί λήπτες και κεραίες απαιτούνται για να ανιχνευθούν και να καταγραφούν οι συχνότητες Σούμαν. Το ηλεκτρικό μέρος μετράται με μια σφαιρική κεραία, ύστερα από πρόταση του Dr. Ogawa και της ομάδας του το 1966, συνδεδεμένης με έναν ενισχυτή υψηλής αντίστασης. Τα μαγνητικά επαγωγικά πηνία αποτελούνται από εκατοντάδες ως χιλιάδες στροφές καλωδίου τυλιγμένου γύρω από έναν πυρήνα πολύ υψηλής μαγνητικής διαπερατότητας.

Συνάρτηση με την παγκόσμια δραστηριότητα κεραυνών

Από την έναρξη της μελέτης των συντονισμών Σούμαν, ήταν γνωστό ότι μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για την παρακολούθηση της παγκόσμιας δραστηριότητας των κεραυνών. Σε οποιαδήποτε χρονική στιγμή, συμβαίνουν περίπου 2.000 καταιγίδες με κεραυνούς ανά τον κόσμο. Αυτές παράγουν περίπου 50 κεραυνούς το δευτερόλεπτο και έτσι δημιουργούν τη βάση για το σήμα των συντονισμών Σούμαν.

Η μελέτη της χωρικής κατανομής των κεραυνών από τα δεδομένα των συντονισμών Σούμαν είναι ένα περίπλοκο πρόβλημα: για να εκτιμηθεί η ένταση των κεραυνών μέσω των δεδομένων από τους συντονισμούς Σούμαν, είναι απαραίτητο να λάβουμε υπόψιν τόσο την απόσταση από την πηγή του κεραυνού όσο και τη διάδοση του κύματος μεταξύ της πηγής και του παρατηρητή. Η κοινή προσέγγιση είναι να κάνουμε μια αρχική υπόθεση για την χωρική κατανομή των κεραυνών με βάση τις γνωστές ιδιότητες της κεραυνικής κλιματολογίας. Μια εναλλακτική προσέγγιση είναι η τοποθέτηση ενός δέκτη στον Βόρειο ή το Νότιο Πόλο ο οποίος θα έχει συνεχώς περίπου την ίδια απόσταση από τις καταιγίδες κατά τη διάρκεια της ημέρας. Μια άλλη μέθοδος που δεν απαιτεί υποθέσεις σχετικά με την κατανομή των κεραυνών βασίζεται στην αποσύνθεση του κοινού τυπικού φάσματος των συντονισμών Σούμαν, χρησιμοποιώντας κλίμακες του μέσου ηλεκτρικού και μαγνητικού φάσματος και του μεταξύ τους γραμμικού συνδυασμού. Αυτή η τεχνική παίρνει ως δεδομένο ότι η κοιλότητα είναι σφαιρικά συμμετρική και γι' αυτό δεν περιλαμβάνει ασυμμετρίες που θεωρείται ότι επηρεάζουν τις ιδιότητες συντονισμού και διάδοσης των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων στο σύστημα.

Ημερήσιες αποκλίσεις

Οι καλύτερα καταγεγραμμένες και μελετημένες ιδιότητες του φαινομένου των συντονισμών Σούμαν είναι οι ημερήσιες αποκλίσεις του βασικού φάσματος ισχύος των συντονισμών Σούμαν.
Μια χαρακτηριστική ημερήσια καταγραφή των συντονισμών Σούμαν δείχνει τις ιδιότητες τόσο της παγκόσμιας δραστηριότητας κεραυνών όσο και την κατάσταση της κοιλότητας Γης - ιονόσφαιρας μεταξύ της πηγής και του παρατηρητή. Το εγκάρσιο ηλεκτρικό πεδίο είναι ανεξάρτητο της κατεύθυνσης της πηγής σε σχέση με τον παρατηρητή, και γι' αυτό είναι μέτρο των κεραυνών σε παγκόσμιο επίπεδο. Η ημερήσια συμπεριφορά του εγκάρσιου ηλεκτρικού πεδίου παρουσιάζει 3 γραφικά μέγιστα, που σχετίζονται με 3 "θερμά σημεία" έντονης δραστηριότητας κεραυνών: Το μέγιστο στις 9:00 (Συγχρονισμένος Παγκόσμιος Χρόνος) συνδέεται με αυξημένη δραστηριότητα κεραυνών στην νοτιοανατολική Ασία, το μέγιστο στις 14:00 (Συγχρονισμένος Παγκόσμιος Χρόνος) συνδέεται με την κορύφωση της δραστηριότητας κεραυνών στην Αφρική,και το μέγιστο στις 20:00 (Συγχρονισμένος Παγκόσμιος Χρόνος) προκύπτει από την αύξηση δραστηριότητας κεραυνών στην λατινική Αμερική. Ο χρόνος και το πλάτος των μεγίστων διαφέρουν στη διάρκεια του έτους, δείχνοντας έτσι τις εποχικές αλλαγές στη δραστηριότητα κεραυνών.

Κατανομή "καμινάδας"

Γενικά, το αφρικανικό μέγιστο είναι το ισχυρότερο, δείχνοντας έτσι τη συμβολή της αφρικανικής "καμινάδας" στην παγκόσμια δραστηριότητα κεραυνών. Η κατάταξη των 2 άλλων μεγίστων -της Ασίας και της Αμερικής- είναι αντικείμενο διαφωνίας μεταξύ των επιστημόνων. Οι παρατηρήσεις των συντονισμών Σούμαν που έχουν γίνει από την Ευρώπη δείχνουν μεγαλύτερη συνεισφορά του μεγίστου της Ασίας από αυτό της λατινικής Αμερικής. Αυτό έρχεται σε αντίθεση με τα δεδομένα που προκύπτουν από τους οπτικούς δορυφόρους και από τα δεδομένα μελέτης των κλιματολογικών κεραυνών που παρουσιάζουν τον πυρήνα των καταιγίδων στην λατινική Αμερική δυνατότερο από το ασιατικό, ενώ οι μετρήσεις από τη βόρεια Αμερική δείχνουν ότι η μεγαλύτερη συμβολή έρχεται από τη λατινική Αμερική. Ο λόγος που υπάρχει αυτή η διαφωνία παραμένει ασαφής, αλλά ίσως έχει να κάνει με τη συχνότητα του ηλεκτρισμού των 60 Hz στη βόρεια Αμερική (τα 60 Hz είναι συχνότητα των απηχήσεων Σούμαν). Οι Williams και Satori σημειώνουν πως για να εξάγουμε τη σωστή κατανομή "καμινάδας" Ασίας-Αμερικής, είναι απαραίτητο να αφαιρέσουμε την επιρροή των μεταβολών ημέρας-νύχτας στην ιονοσφαιρική αγωγιμότητα (επιρροή ασυμμετρίας ημέρας-νύχτας) από τα δεδομένα των συντονισμών Σούμαν. Από την άλλη,τα "διορθωμένα" δεδομένα που παρουσιάστηκαν από τον Satori και τους συνεργάτες του δείχνουν πως ακόμα και μετά την αφαίρεση της επιρροής ασυμμετρίας ημέρας-νύχτας από τα δεδομένα των συντονισμών Σούμαν, η ασιατική συμβολή παραμένει μεγαλύτερη από την αμερικάνικη. Παρόμοια αποτελέσματα έχουν εξαχθεί από τον Pelony και τους συνεργάτες του οι οποίοι υπολόγισαν τα πεδία των συντονισμών Σούμαν από δεδομένα δορυφόρων παρατήρησης των κεραυνών. Έγινε η υπόθεση ότι η κατανομή των κεραυνών στους δορυφορικούς χάρτες μπορεί να αντικαταστήσει τα δεδομένα των πηγών διέγερσης των συντονισμών Σούμαν, παρόλο που οι μετρήσεις μέσω δορυφόρων μετρούν κυρίως τη δραστηριότητα κεραυνών μέσα στα σύννεφα παρά στο διάστημα μεταξύ σύννεφων - Γης, το οποίο είναι το κύριο μέρος διέγερσης των συντονισμών. Και οι δύο εξομοιώσεις -αυτές που που αγνοούν την ασυμμετρία ημέρας-νύχτας και αυτές που που την λαμβάνουν υπόψιν- δείχνουν την ίδια κατανομή "καμινάδας" μεταξύ Αμερικής και Ασίας. Σήμερα,ο λόγος που εμφανίζεται "αντίστροφη" κατανομή στα δεδομένα των συντονισμών Σούμαν παραμένει ασαφής και το ζήτημα απαιτεί περαιτέρω εξειδικευμένη έρευνα.

Επιρροή ασυμμετρίας ημέρας-νύχτας

Σε παλαιότερες έρευνες οι καταγεγραμμένες διακυμάνσεις στην ισχύ των συντονισμών Σούμαν ερμηνεύονταν από τις μεταβολές στη γεωμετρία μεταξύ πηγής και δέκτη. Προέκυψε το συμπέρασμα ότι καμία συστηματική μεταβολή της ιονόσφαιρας (η οποία λειτουργεί ως το ανώτερο όριο κυματοδηγού) δεν απαιτείται ώστε να ερμηνευθούν οι διακυμάνσεις. Συνεχείς θεωρητικές μελέτες υποστήριξαν τις αρχικές εκτιμήσεις της μικρής επιρροής της ιονοσφαιρικής ασυμμετρίας ημέρας-νύχτας (διαφορά αγωγιμότητας μεταξύ ιονόσφαιρας τη μέρα και ιονόσφαιρας τη νύχτα) στις διακυμάνσεις εντάσεων πεδίου των συντονισμών Σούμαν.

Το ενδιαφέρον για την επιρροή της ασυμμετρίας ημέρας-νύχτας στην ιονοσφαιρική αγωγιμότητα των συντονισμών Σούμαν αυξήθηκε τη δεκαετία του 1990, μετά από τη δημοσίευση μιας μελέτης από τους Sentman και Fraser. Ανέπτυξαν μια τεχνική διαχωρισμού της παγκόσμιας από την τοπική συνεισφορά στις διακυμάνσεις ισχύος πεδίου χρησιμοποιώντας δεδομένα τα οποία προέρχονται από ταυτόχρονες μετρήσεις 2 διαφορετικών σταθμών οι οποίοι έχουν πολύ μεγάλη μεταξύ τους απόσταση. Ερμήνευσαν τις ημερήσιες διακυμάνσεις που παρατηρήθηκαν σε κάθε σταθμό σε όρους συνδυασμού μιας διημερούς παγκόσμιας μεταβαλλόμενης διέγερσης η οποία διαμορφωνόταν από το τοπικό ιονοσφαιρικό ύψος. Η εργασία τους η οποία συνδυάζει τα επιχειρήματα περί παρατήρησης και εξοικονόμησης ενέργειας έπεισε πολλούς επιστήμονες για τη σπουδαιότητα της ιονοσφαιρικής ασυμμετρίας ημέρας-νύχτας και ενέπνευσε πολλές πειραματικές μελέτες. Παρόλ' αυτά πρόσφατα αποδείχθηκε πως τα αποτελέσματα τα οποία εξάγονται από τους Sentman και Fraser μπορούν να εξομοιωθούν κατά προσέγγιση σε ένα ενιαίο μοντέλο (χωρίς να λαμβάνεται υπόψιν η ιονοσφαιρική διακύμανση ημέρας-νύχτας) και γι' αυτό δε μπορεί να ερμηνευθεί αποκλειστικά σε όρους μεταβολής του ιονοσφαιρικού ύψους.

Οι καταγραφές του πλάτους των συντονισμών Σούμαν δείχνουν σημαντικές διημερείς και εποχιακές μεταβολές οι οποίες σε γενικές γραμμές συμπίπτουν με τις ώρες αλλαγής μεταξύ ημέρας και νύχτας. Αυτή η χρονική αντιστοίχηση φαίνεται να ενισχύει τη θεωρία μιας σημαντικής επιρροής στην ιονοσφαιρική ασυμμετρία ημέρας-νύχτας στα πλάτη των συντονισμών Σούμαν. Υπάρχουν δεδομένα τα οποία δείχνουν σχεδόν ωρολογιακή ακρίβεια στις αλλαγές του διημερούς πλάτους. Από την άλλη υπάρχουν πολλές μέρες κατά τις οποίες τα πλάτη των συντονισμών Σούμαν δεν αυξάνονται κατά την ανατολή του Ήλιου και δεν μειώνονται κατά τη δύση. Υπάρχουν μελέτες που δείχνουν ότι η γενική συμπεριφορά των καταγραφών του πλάτους των συντονισμών Σούμαν μπορεί να επαναδημιουργηθεί λόγω της διημερούς και εποχιακής μετατόπισης των καταιγίδων, χωρίς να προκαλούνται ιονοσφαιρικές μεταβολές. Δύο πρόσφατες ανεξάρτητες θεωρητικές μελέτες έδειξαν ότι οι μεταβολές στην ισχύ των συντονισμών Σούμαν οι οποίες συνδέονται με την μετάβαση ημέρας-νύχτας είναι πολύ μικρότερες από αυτές οι οποίες συνδέονται με τα μέγιστα της παγκόσμιας δραστηριότητας κεραυνών και για αυτό το λόγο η παγκόσμια δραστηριότητα κεραυνών παίζει έναν σημαντικότερο ρόλο στις διακυμάνσεις της ισχύος των συντονισμών Σούμαν.

Είναι γενικώς αποδεκτό ότι οι επιδράσεις πηγής-παρατηρητή είναι η κύρια πηγή των διαπιστωμένων διημερών διακυμάνσεων, όμως εξακολουθούν να υπάρχουν διαφωνίες σχετικά με το βαθμό στον οποίο οι μεταβολές ημέρας-νύχτας εμφανίζονται στα δεδομένα. Μέρος αυτών των διαφωνιών προκύπτει από το γεγονός ότι οι παράμετροι των συντονισμών Σούμαν που εξάγονται από τις επιστημονικές παρατηρήσεις παρέχουν μόνο ένα περιορισμένο αριθμό πληροφοριών σχετικά με τη γεωμετρία του συστήματος κεραυνών-ιονόσφαιρας. Το πρόβλημα αντιστροφής των παρατηρήσεων ώστε να μελετηθούν ταυτόχρονα η λειτουργία της πηγής κεραυνών και η ιονοσφαιρική δομή είναι εξαιρετικά απροσδιόριστο,και οδηγεί στην πιθανότητα μη μοναδικών ερμηνειών.

Το πρόβλημα της αντιστροφής

Ένα από τα πιο ενδιαφέροντα προβλήματα στις μελέτες των συντονισμών Σούμαν είναι ο προσδιορισμός των χαρακτηριστικών της πηγής κεραυνών (το πρόβλημα της αντιστροφής). Η στιγμιαία ανάλυση κάθε κεραυνού ξεχωριστά είναι αδύνατη καθώς ο ρυθμός διέγερσης λόγω κεραυνών, περίπου 50 κεραυνοί το δευτερόλεπτο σε παγκόσμια κλίμακα, μπερδεύει τα δεδομένα των συντελεστών μεταξύ τους. Παρ' όλα αυτά, σπανίως συμβαίνουν τεράστιες λάμψεις από κεραυνούς οι οποίες παράγουν ιδιαίτερα σήματα που ξεχωρίζουν από τα κανονικά σήματα. Ονομάζονται "Εκρήξεις Q" (Q-Bursts) και παράγονται από εντονότατους κεραυνούς οι οποίοι μεταφέρουν πολύ μεγάλα φορτία από τα σύννεφα στο έδαφος και συχνά μεταφέρουν επίσης μεγάλες εντάσεις ρεύματος. Οι εκρήξεις Q μπορούν να υπερβούν το πλάτος του επιπέδου του βασικού σήματος κατά 10 μονάδες ή και περισσότερο και να εμφανίζονται με διαφορά περίπου 10 δευτερολέπτων, κάτι το οποίο επιτρέπει να τα θεωρούμε ξεχωριστές περιπτώσεις ώστε να εντοπίζουμε την πηγή τους. Η τοποθεσία της πηγής καθορίζεται είτε με τεχνικές πολλών σταθμών είτε με τεχνικές ενός σταθμού και απαιτεί την υιοθέτηση ενός μοντέλου της κοιλότητας Γης-ιονόσφαιρας. Η τεχνική πολλών σταθμών είναι πιο ακριβής, όμως απαιτεί πιο περίπλοκες και ακριβές εγκαταστάσεις.

Παροδικά φωτεινά φαινόμενα

Υποστηρίζεται ότι πολλές από τις "εκρήξεις Q" σχετίζονται με τα παροδικά φωτεινά φαινόμενα. Το 1995, ο Boccippio και οι συνεργάτες του έδειξαν ότι οι κεραυνοί υψηλού υψομέτρου (πάνω από τα σύννεφα), τα πιο συνηθισμένα παροδικά φωτεινά φαινόμενα, παράγονται από κεραυνούς θετικού φορτίου μεταξύ σύννεφων και Γης οι οποίοι λαμβάνουν χώρα στην περιοχή των νεφώσεων stratus ενός συστήματος καταιγίδας με κεραυνούς και συνοδεύονται από "εκρήξεις Q" στο φάσμα των συντονισμών Σούμαν. Πρόσφατες μελέτες δείχνουν ότι οι εμφανίσεις κεραυνών υψηλού υψομέτρου και εκρήξεων Q είναι άμεσα σχετιζόμενες και τα δεδομένα των συντονισμών μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να εκτιμηθεί ο παγκόσμιος ρυθμός εμφάνισης των κεραυνών υψηλού υψομέτρου.

Παγκόσμια θερμοκρασία

Ο Δρ Williams, το 1992, διαπίστωσε πως η παγκόσμια θερμοκρασία μπορεί να παρακολουθηθεί μέσω των συντονισμών Σούμαν. Ο σύνδεσμος μεταξύ των συντονισμών Σούμαν και της θερμοκρασίας είναι ο ρυθμός λάμψης των κεραυνών, ο οποίος αυξάνεται μη γραμμικά με την άνοδο της θερμοκρασίας. Η μη γραμμικότητα της σχέσης κεραυνού-θερμοκρασίας δημιουργεί ένα φυσικό ενισχυτή των μεταβολών θερμοκρασίας και μετατρέπουν τους συντονισμούς Σούμαν σε ένα ευαίσθητο "θερμόμετρο". Επίσης, τα σωματίδια πάγου που θεωρείται πως συμμετέχουν στη διαδικασία ηλεκτρικής φόρτισης η οποία καταλήγει σε ηλεκτρική εκκένωση έχουν σημαντικό ρόλο στα φαινόμενα ακτινοβολίας που επηρεάζουν την ατμοσφαιρική θερμοκρασία. Οι συντονισμοί Σούμαν μπορούν λοιπόν να χρησιμοποιηθούν ώστε να κατανοήσουμε τα δεδομένα. Δεν έχει επιβεβαιωθεί πειραματικά κάποια ισχυρή σχέση μεταξύ της παγκόσμιας δραστηριότητας κεραυνών και της παγκόσμιας θερμοκρασίας από το 2008.

Εξάτμιση νερού στην ανώτερη τροπόσφαιρα

Η τροποσφαιρική εξάτμιση νερού είναι ένα βασικότατο στοιχείο για το κλίμα της Γης, το οποίο έχει άμεσες επιπτώσεις ως αέριο "του θερμοκηπίου", καθώς επίσης και έμμεσες επιπτώσεις μέσω αλληλεπιδράσεων με σύννεφα, αερολύματα και τροποσφαιρικές χημικές αντιδράσεις. Η εξάτμιση του νερού στην ανώτερη τροπόσφαιρα έχει πολύ μεγαλύτερη επίδραση στο φαινόμενο του θερμοκηπίου απ' ότι έχει η εξάτμιση νερού στην κατώτερη ατμόσφαιρα, αλλά το αν αυτή η επίδραση είναι θετική ή αρνητική είναι ακόμα αδιευκρίνιστο. Το κύριο πρόβλημα σε αυτή τη διευκρίνιση είναι η δυσκολία μελέτης της εξάτμισης του νερού στην ανώτερη τροπόσφαιρα σε παγκόσμιο επίπεδο για μεγάλα χρονικά διαστήματα. Οι ηπειρωτικές καταιγίδες που προκαλούνται από τις μετακινήσεις των ρευμάτων αέρα παράγουν τους περισσότερους κεραυνούς στη Γη. Επίσης, μεταφέρουν μεγάλες ποσότητες υδρατμών στην ανώτερη τροπόσφαιρα προκαλώντας τις διακυμάνσεις της εξάτμισης στην τροπόσφαιρα. Ο Price, το 2000, υποστήριξε πως οι αλλαγές στην εξάτμιση του νερού στην ανώτερη τροπόσφαιρα μπορούν να αντληθούν από τα δεδομένα των συντονισμών Σούμαν. Σύμφωνα με τις διεργασίες που πραγματοποιούνται κατά την εξάτμιση, πρέπει να τονίσουμε ότι το ποσοστό εξάτμισης σε κανονικές συνθήκες των μαζών αέρα μπορεί να μετρηθεί ως ελάχιστη ποσότητα, έτσι ώστε η επιρροή του να θεωρηθεί πολύ χαμηλή. Το μεγαλύτερο ποσοστό του μπορεί να βρεθεί μόνο στα κατώτερα στρώματα της τροπόσφαιρας. Αλλά στην περίπτωση υψηλής ποσότητας εξάτμισης στα ανώτερα στρώματα της τροπόσφαιρας, λόγω μιας θερμής μάζας αέρα από τον Ατλαντικό, για παράδειγμα, η εξάτμιση του νερού, λόγω της χαμηλής θερμοκρασίας του αέρα (περίπου -60 βαθμοί Κελσίου) μετατρέπεται σε κρυστάλλους και μετατρέπει το νερό σε σύννεφα Cirrus ή Cirrus Stratus, κανένα μέρος του νερού που εξατμίζεται δεν γίνεται αέριο σε τέτοιες θερμοκρασίες. Έτσι, μπορούμε να πούμε πως η υπόθεση ότι η εξάτμιση του νερού αλληλεπιδρά με τα σύννεφα μπορεί να θεωρηθεί λανθασμένη καθώς τα σύννεφα, τόσο τα χαμηλότερα όσο και τα υψηλότερα αποτελούνται από υγροποιημένους ή κρυσταλλοποιημένους ατμούς.

Συντονισμοί Σούμαν σε άλλους πλανήτες και δορυφόρους

Η ύπαρξη συντονισμών παρομοίων με των Σούμαν μπορεί να υφίσταται μόνο υπό δύο προϋποθέσεις:

1. Μια κλειστή σφαιρική κοιλότητα σε μέγεθος πλανήτη, η οποία θα αποτελείται από αγώγιμα άνω και πάνω όρια τα οποία θα χωρίζονται από ένα μονωτικό μέσο. Για τη Γη το αγώγιμο κάτω όριο είναι η επιφάνεια της και το ανώτερο είναι η ιονόσφαιρα. Άλλοι πλανήτες μπορεί να έχουν παρόμοια γεωμετρία ηλεκτρικής αγωγιμότητας, έτσι εικάζεται ότι μπορούν να έχουν παρόμοια συμπεριφορά συντονισμών.

2. Μια πηγή ηλεκτρικής διέγερσης ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων στο εύρος των εξαιρετικά χαμηλών συχνοτήτων (ELF).

Εντός του ηλιακού συστήματος υπάρχουν πέντε υποψήφιοι για ανίχνευση απηχήσεων Σούμαν εκτός από τη Γη: η Αφροδίτη, ο Άρης, ο Δίας, ο Κρόνος και ο μεγαλύτερος δορυφόρος του, ο Τιτάνας. Η απεικόνιση των συντονισμών Σούμαν στους πλανήτες και τους δορυφόρους του ηλιακού συστήματος είναι περίπλοκη λόγω της έλλειψης γνώσης των παραμέτρων των κυματοδηγών. Δεν υπάρχει δυνατότητα επί τόπου εξακρίβωσης των αποτελεσμάτων μέχρι σήμερα.

Αφροδίτη

Η ισχυρότερη ένδειξη για παρουσία κεραυνών στην Αφροδίτη προέρχεται από τα παλμικά ηλεκτρομαγνητικά κύματα που ανιχνεύθηκαν από τα σκάφη Venera 11 και 12. Θεωρητικοί υπολογισμοί των συντονισμών Σούμαν στην Αφροδίτη έγιναν από τους Nickolaenko και Rabinowicz το 1982 και τους Pechony και Price το 2004. Και οι δυο μελέτες έδειξαν πολύ κοντινά αποτελέσματα, δείχνοντας ότι οι συντονισμοί Σούμαν σε αυτόν τον πλανήτη μπορούν να ανιχνευθούν εύκολα εάν δοθεί μια πηγή κεραυνών διέγερσης και ένας κατάλληλα τοποθετημένος αισθητήρας.

Άρης

Στην περίπτωση του Άρη έχουν γίνει από τη Γη παρατηρήσεις του φάσματος ραδιοεκπομπών το οποίο έχει συσχετιστεί με τις συντονισμών Σούμαν. Οι καταγεγραμμένες ραδιοεκπομπές δεν ανήκουν στις θεμελιώδεις ηλεκτρομαγνητικές συχνότητες των συντονισμών Σούμαν, αλλά περισσότερο στις δευτερεύουσες βηματικές συχνότητες μη θερμικών μικροκυματικών εκπομπών που εκπέμπονται από τον πλανήτη περίπου στις αναμενόμενες συχνότητες των συντονισμών Σούμαν και δεν έχει επιβεβαιωθεί ανεξάρτητα η σχέση τους με τη δραστηριότητα κεραυνών στον Άρη. Υπάρχει η πιθανότητα να πραγματοποιηθούν μετρήσεις από μελλοντικές προσεδαφίσεις στην επιφάνεια του Άρη. Θεωρητικές μελέτες έχουν θέσει ως προτεραιότητα την παραμετροποίηση του προβλήματος για μελλοντικές πλανητικές εξερευνήσεις.

Ενδείξεις δραστηριότητας κεραυνών στον Άρη έχουν αναφερθεί από τον Ρουφ και τους συνεργάτες του το 2009. Τα στοιχεία είναι έμμεσα και έχουν τη μορφή διαμορφώσεων του μη θερμικού μικροκυματικού φάσματος περίπου στις αναμενόμενες συχνότητες των συντονισμών Σούμαν. Δεν έχει επιβεβαιωθεί ανεξάρτητα ότι αυτές σχετίζονται με τις ηλεκτρικές εκκενώσεις στον Άρη. Σε περίπτωση που γίνει άμεση επιβεβαίωση, θα επιβεβαίωνε την υπόθεση πιθανότητας διαχωρισμού φορτίων και κεραυνών στις αμμοθύελλες στον πλανήτη Άρη, η οποία έγινε από τους Eden και Vonnegut to 1973, και από τον Renno το 2003. Οι συντονισμοί στον Άρη έχουν εξομοιωθεί από τον Sukhorukov το 1991, από τους Pechony και Price το 2004 και από τους Molina και Cuberos το 2006. Τα αποτελέσματα των τριών ερευνών είναι κάπως διαφορετικά, αλλά φαίνεται ότι τουλάχιστον οι δύο πρώτες συχνότητες των συντονισμών Σούμαν θα πρέπει να είναι ανιχνεύσιμες. Ενδείξεις για τις 3 πρώτες θεμελιώδεις συχνότητες των συντονισμών Σούμαν εμφανίζονται στο φάσμα ραδιοεκπομπών από κεραυνούς που που ανιχνεύονται στις αμμοθύελλες στον Άρη.

Τιτάνας

Πριν χρόνια, παρουσιάστηκε η θεωρία ότι υπάρχουν κεραυνοί στον Τιτάνα, αλλά πρόσφατα δεδομένα από τα σκάφη Cassini-Huygens δείχνουν ότι δεν υπάρχει δραστηριότητα κεραυνών στον μεγαλύτερο δορυφόρο του Κρόνου. Λόγω πρόσφατου ενδιαφέροντος για τον Τιτάνα, σχετιζόμενο με τις αποστολές Cassini-Huygens, η ιονόσφαιρα του Τιτάνα είναι ίσως η πιο προσεκτικά μελετημένη μέχρι σήμερα. Οι συντονισμοί Σούμαν στον Τιτάνα έχουν λάβει μεγαλύτερη προσοχή από αυτές σε οποιοδήποτε άλλο ουράνιο σώμα, έχει υπάρξει αντικείμενο μελέτης του Besser το 2002, του Morente το 2003, των Molina & Cuberos το 2004, του Nickolaenko το 2003 και των Pechony και Price το 2004.  Απ' ότι φαίνεται, μόνο η πρώτη θεμελιώδης συχνότητα των συντονισμών Σούμαν μπορεί να ανιχνευθεί στον Τιτάνα.

Κρόνος και Δίας

Ο Δίας είναι ένας πλανήτης στον οποίο έχει παρατηρηθεί δραστηριότητα κεραυνών οπτικά. Η ύπαρξη κεραυνών σε αυτόν τον πλανήτη είχε προβλεφθεί από τους Bar-Nun το 1975 και τώρα παρακολουθείται από το ερευνητικό σκάφος Galileo, τα Voyager 1&2, τα Pioneer 10, 11 και το Cassini. Ο Κρόνος έχει επίσης επιβεβαιωθεί ότι έχει δραστηριότητα κεραυνών. Παρόλο που 3 ερευνητικά σκάφη,τ ο Pioneer 11 το 1979, το Voyager 1 το 1980 και το Voyager 2 το 1981, απέτυχαν να βρουν πειστικές αποδείξεις από τις οπτικές παρατηρήσεις, τον Ιούλιο του 2012, το σκάφος Cassini ανίχνευσε ορατές λάμψεις κεραυνών και οι ηλεκτρομαγνητικοί αισθητήρες πάνω στο σκάφος ανίχνευσαν ενδείξεις που είναι χαρακτηριστικές των κεραυνών .Λίγα είναι γνωστά για τις ηλεκτρικές παραμέτρους του εσωτερικού των Δια και Κρόνου. Ακόμα και η ερώτηση του τί θα λειτουργούσε ως όριο του κατώτατου κυματοδηγού δεν είναι εφικτή στην περίπτωση των αεριούχων πλανητών. Προς το παρόν δεν υπάρχουν μελέτες για τους συντονισμούς Σούμαν στον Κρόνο. Μέχρι σήμερα έχει γίνει μόνο μια προσπάθεια αναπαράστασης των συντονισμών Σούμαν στο Δία. Εδώ, το προφίλ της ηλεκτρικής αγωγιμότητας μέσα στην αεριώδη ατμόσφαιρα του Δία υπολογίστηκε χρησιμοποιώντας μεθόδους παρόμοιες με αυτές που χρησιμοποιούνται για την αναπαράσταση του εσωτερικού των αστερισμών και παρατηρήθηκε ότι οι ίδιες μέθοδοι μπορούν να εφαρμοστούν και σε άλλους γίγαντες αερίων όπως ο Κρόνος, ο Ουρανός και ο Ποσειδώνας. Λόγω της έντονης δραστηριότητας κεραυνών στον Δία, οι συντονισμοί Σούμαν μπορούν εύκολα να ανιχνευθούν με έναν αισθητήρα κατάλληλα τοποθετημένο μέσα στην ιονοσφαιρική κοιλότητα του πλανήτη.

Παραπομπές

Κατηγορία:Ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία