Resonancia Schumann

La versión actual de la página aún no ha sido revisada por colaboradores experimentados y puede diferir significativamente de la versión revisada el 19 de agosto de 2022; las comprobaciones requieren 13 ediciones .

La resonancia de Schumann es el fenómeno de la formación de ondas electromagnéticas estacionarias de frecuencias ultrabajas (unidades y decenas de hercios) entre la superficie terrestre y la ionosfera . El fenómeno fue fundamentado teóricamente y descubierto experimentalmente por V. O. Shuman en 1952-1954.

Las ondas estacionarias surgen en la guía de ondas formada por la superficie de la Tierra y su ionosfera. Para las ondas electromagnéticas, son un resonador esférico gigante , cuya cavidad está llena de un medio débilmente conductor de electricidad. Si una onda electromagnética que ha surgido en este medio, después de dar la vuelta al globo, vuelve a coincidir con su propia fase (entra en resonancia ), entonces puede existir durante mucho tiempo.

Modelo matemático

Considere un resonador de cavidad que consta de dos esferas conductoras concéntricas [1] . La esfera interior representa la superficie de la Tierra, y la esfera exterior es el gas ionizado de la ionosfera, situado a una altitud de unos 80 km sobre la tierra.

Supongamos que una onda electromagnética, n veces reflejada alternativamente desde la superficie de la Tierra y la ionosfera, da la vuelta al globo. Si un número entero de reflejos cabe en la circunferencia de la Tierra, se produce una resonancia y tal onda puede existir durante mucho tiempo. Suponiendo que la onda se propaga a la velocidad de la luz c = 300 000 km/s, y la circunferencia de la Tierra es L = 40 000 km, obtenemos la frecuencia de oscilación igual a

Para los primeros cinco armónicos, esta fórmula da un rango de frecuencias de 7,5 - 15,0 - 22,5 - 30,0 - 37,5 ... Hz. Comparando las frecuencias teóricas con las frecuencias obtenidas experimentalmente (7,83 - 14,1 - 20,3 - 26,4 - 32,4 ... Hz), observamos que con una buena coincidencia de la frecuencia del primer armónico, el error aumenta al aumentar n .

En su trabajo original [2] , Winfried Otto Schumann analizó las oscilaciones que ocurren en un resonador de cavidad esférica. Al mismo tiempo, tuvo en cuenta que la superficie de la tierra tiene una conductividad constante de aproximadamente σ = 10 −3 S /m, y la conductividad de la ionosfera a altitudes de 70–90 km varía dentro de σ = 10 −5–10 −3 S /m. Debido a esto, la velocidad de propagación promedio de una onda electromagnética V (σ) es aproximadamente un 20% menor que cuando se refleja desde una esfera con conductividad infinita. Para la frecuencia del n-ésimo armónico, Schumann obtuvo

que para los primeros cinco armónicos da 8,5 - 14,7 - 20,8 - 26,8 - 32,9 Hz.

Causas de las ondas

Hay varias hipótesis sobre la aparición de ondas electromagnéticas en la cavidad "Superficie terrestre - ionosfera ".

Hipótesis de la "tormenta"

Se cree que las descargas de rayos son la principal fuente de excitación natural de la resonancia de Schumann. Los rayos se comportan como enormes transmisores que irradian energía electromagnética a frecuencias inferiores a 100 kHz [3] . Son la causa de la excitación de oscilaciones electromagnéticas en un amplio rango de frecuencias. Según la mayoría de los expertos, este fenómeno explica la presencia de oscilaciones estables de frecuencia ultrabaja, que prácticamente no decaen y tienen frecuencias fijas.

En un momento dado, alrededor de 2000 tormentas eléctricas azotan la Tierra, produciendo alrededor de 50 relámpagos por segundo. Cada relámpago crea ondas electromagnéticas que comienzan a orbitar la Tierra, atrapadas entre la superficie de la Tierra y el límite a una altitud de aproximadamente 60 millas. Algunas de las ondas, si tienen la longitud de onda correcta, se combinan, aumentando en fuerza, creando un latido atmosférico repetitivo conocido como resonancia de Schumann. Esta resonancia proporciona una herramienta útil para analizar el clima de la Tierra, su entorno eléctrico e incluso ayuda a determinar qué tipos de átomos y moléculas existen en la atmósfera terrestre. [cuatro]

Las olas creadas por los rayos no son como las olas en el océano, pero aun así oscilan en áreas de mayor y menor energía. Estas ondas quedan atrapadas dentro del techo atmosférico creado por el borde inferior de la "ionosfera", la parte de la atmósfera llena de partículas cargadas que comienza a unas 60 millas de altura en el cielo. En este caso, el mejor punto de resonancia requiere que la longitud de onda sea igual (o dos, o tres veces mayor, etc.) a la circunferencia de la Tierra. Esta es una onda de frecuencia extremadamente baja que puede ser tan baja como 8 hercios (Hz), unas cien mil veces más baja que las ondas de radio de frecuencia más baja que se usan para enviar señales a su radio AM/FM. Cuando esta onda fluye alrededor de la Tierra, golpea nuevamente el lugar ideal, de modo que las crestas y los valles están alineados. [cuatro]

Historia de la investigación

Por primera vez, el físico irlandés J. F. Fitzgerald predijo en 1893 la presencia de ondas electromagnéticas estacionarias y su frecuencia en el sistema "Superficie terrestre - ionosfera " . En 1900 , aparentemente de forma independiente, Nikola Tesla , quien patentó su descubrimiento en 1905, llegó a una conclusión similar [7] ; Tesla caracterizó a la Tierra como un circuito resonante ; no estaba lejos de la verdad: según sus cálculos, la resonancia era de 6,18-30 Hz [8] (estos valores están bastante cerca de los 7,83-32,4 Hz obtenidos experimentalmente). El físico inglés  Oliver Heaviside sugirió la presencia de una capa ionizada en la atmósfera ya en 1902.

En 1952, V. O. Schumann, que en ese momento dirigía el Instituto de Electrofísica de la Universidad Técnica de Munich ,  publicó su primer artículo sobre las ondas electromagnéticas en una guía de ondas formada por la superficie terrestre y la ionosfera. Después de esta publicación, comenzó un estudio activo de lo que luego se denominó "resonancia de Schumann". [9]

La justificación teórica del fenómeno la describe en tres artículos:

  1. WO Schumann, Über die strahlungslosen Eigenschwingungen einer leitenden Kugel, die von einer Luftschicht und einer Ionosphärenhülle umgeben ist , Zeitschrift und Naturfirschung 7a , 1952, SS. 149-154
  2. WO Schumann, Über die Dämpfung der elektromagnetischen Eigenschwingnugen des Systems Erde-Luft-Ionosphäre , Zeitschrift und Naturfirschung 7a , 1952, SS. 250-252
  3. WO Schumann, Über die Ausbreitung sehr Langer elektriseher Wellen um die Signale des Blitzes  (enlace no disponible) , Nuovo Cimento 9 , 1952, pp. 1116-1138. doi:10.1007/BF02782924

En 1954, Schumann y H. König (en alemán:  Herbert König ) publicaron un artículo con los resultados de sus mediciones de estas oscilaciones resonantes [10] .

La primera confirmación experimental indiscutible (independiente) de la presencia de resonancias de Schumann se realizó en 1960 [11] .

Las dificultades en el estudio de las ondas de Schumann se deben a que su recepción requiere equipos especiales muy sensibles [12] y el entorno adecuado: incluso el movimiento de árboles, animales o personas cerca del receptor puede afectar sus lecturas [13] .

El interés por la resonancia de Schumann revivió en la década de 1990, con la llegada de equipos más avanzados [10] .

En septiembre de 2011, las ondas de resonancia de Schumann fueron registradas a una altitud de hasta 850 km por el satélite C/NOFS [ 14] (anteriormente, 100 km se consideraba una limitación para la altura de tales ondas). [quince]

Las principales estaciones para observar las ondas resonantes de Schumann [16] :

Notas

  1. ↑ Kristian Schlegel, Martin Füllekrug: Weltweite Ortung von Blitzen: 50 Jahre Schumann-Resonanzen . Physik in unserer Zeit 33(6), S. 256-261 (2002), ISSN 0031-9252 . Traducción al inglés: 50 años de resonancia de Schumann Archivado el 4 de marzo de 2016 en Wayback Machine .
  2. ↑ Schumann, W.O., Über die strahlungslosen Eigenschwingungen einer leitenden Kugel, die von einer Luftschicht und einer Ionosphärenhülle umgeben ist, Z. Naturforsch. 7a, 149, (1952)
  3. ↑ Volland, H. Electrodinámica atmosférica  (indefinido) . — Springer-Verlag, Berlín, 1984.
  4. ↑ 1 2 NASA - Resonancia de Schumann  . www.nasa.gov . Recuperado: 30 de septiembre de 2022.
  5. ↑ GF FitzGerald, "Sobre el período de vibración de las perturbaciones eléctricas sobre la Tierra" Rep. Hermano Asoc. Adv. Carolina del Sur. 63 , 682 (1893) [Resumen]
  6. ↑ "El período de vibración de perturbaciones de electrificación de la tierra" Nature 48 , no. 1248, 526 (28 de septiembre de 1893)
  7. ↑ N. Tesla, patente de EE. UU. 787, 412 Archivado el 9 de marzo de 2016 en Wayback Machine (18 de abril de 1905)
  8. ↑ Tesla, Nicolás. Primaveras de Kolorado: dnevniki, 1899-1900 . - Agni, 2008. - ISBN 9785898501006 .
  9. ↑ Schlegel y Füllekrug, 2007 , pág. una.
  10. ↑ 1 2 Schlegel y Füllekrug, 2007 , pág. 3.
  11. ↑ BP Besser , "Sinopsis del desarrollo histórico de las resonancias de Schumann" Radio Science, 42, RS2S02 pp. 20 (2007).
  12. ↑ Resonancia de Schumann Archivado el 6 de diciembre de 2009 en Wayback Machine . 
  13. ↑ Estudio bien ilustrado de la Universidad de Iowa . Archivado el 11 de octubre de 2009 en Wayback Machine . 
  14. ↑ Observaciones satelitales de resonancias de Schumann en la ionosfera de la Tierra  ( 16 de noviembre de 2011). Consultado el 30 de noviembre de 2011. Archivado desde el original el 3 de diciembre de 2011.
  15. ↑ Los científicos han descubierto la fuga de ondas de un rayo al espacio (enlace inaccesible) (30 de noviembre de 2011). Consultado el 30 de noviembre de 2011. Archivado desde el original el 8 de febrero de 2012. 
  16. ↑ Janto. Revisión de las Estaciones de Monitoreo de Resonancia de Schumann, 2017 .
  17. ↑ TSU, resonancias de Schumann .

Literatura

Enlaces