Название: Восемь лекций по физике атмосферы и гидросферы (Браже Р. А.)

Жанр: Радиотехнический

Просмотров: 1311


3.5. резонанс шумана

 

Две электропроводящие поверхности: Земля и окружающая ее ионосфера образуют гигантский сферический резонатор. Если возбужденная в таком резо- наторе электромагнитная волна, обогнув земной шар, сложится сама с собой в фазе (рис. 3.8), т. е. войдет в резонанс, то возникнет стоячая волна, могущая существовать продолжительное время. Впервые эффект существования стоячих электромагнитных волн вокруг Земли был обнаружен в конце XIX в. американ- ским ученым и изобретателем сербского происхождения Николой Тесла. Лишь спустя более полувека, в 1952 г. это явление переоткрыто и опубликовано не- мецким ученым В. О. Шуманом [12] и теперь известно как «резонанс Шумана».

 

 
Ионосфера

 

Земля

 

Рис. 3.8. Стоячая электромагнитная волна в резонансной полости между поверхностью Земли и ионосферой (резонанс Шумана).  В данном примере на длине окружности Земли укладывается четыре длины волны

 

 

 
Допустим, что в рассматриваемом резонаторе укладывается  n длин вол-

 

 

 

 
ны, а длина окружности Земли L

40 000 км . Тогда, полагая, что скорость рас-

пространения электромагнитных волн c

ний, равную

3 108

м/с,  получаем частоту колеба-

f           cn

n          L

 

 

 
7,5 n Гц .         (3.6)

 

 

 

 

 
Для первых пяти гармоник (n = 1, 2,…, 5) формула (3.6) дает следующий ряд частот: 7,5; 15,0; 22,5; 30,0; 37,7 Гц. Экспериментально же полученные значе- ния заметно отличаются: 7,83, 14,1; 20,3; 26,4; 32,4 Гц, причем это различие увеличивается с ростом n.

Шуман учел, что поверхность Земли имеет проводимость

~ 10

3 См/м,

 

 

 

 

 

 
а  проводимость  ионосферы  на  высотах  70–90  км  изменяется  в  пределах

 

 
~ 10

5          10 3

См/м, из-за чего скорость распространения электромагнитных

волн, в действительности, примерно на 20\% меньше, чем в вакууме. Кроме то- го, Шуман использовал более строгое выражение для резонансной частоты сферического резонатора:

 

f           c(  )

n          L

 

n(n       1)

 

 

 
6,0

 

n(n

 

1) Гц   (3.7)

 

и получил для первых пяти гармоник значения 8,5; 14,7; 20,8; 26,8; 32,9 Гц.

Ни (3.6), ни (3.7) не учитывают отклонений реальной формы Земли от сферы, влияние гор, океанов, материков, магнитного поля Земли и многих дру- гих факторов, учесть которые просто невозможно, на частоту резонанса Шума- на. Более того, как выяснилось, сами шумановские частоты испытывают суточ- ные и сезонные вариации, зависят от колебаний солнечной активности и других факторов, влияющих на состояние ионосферы.

Как полагают ученые, первичным естественным источником возбуждения резонанса Шумана являются разряды молний. Они возбуждают электромагнит-

ные колебания в широком диапазоне частот. Поскольку центрами грозовой ак-

тивности являются циклоны и разделы атмосферных фронтов, то и они оказы- вают влияние на частоты и интенсивность резонанса Шумана.

Сам Шуман не придал какого-либо серьезного значения своему откры- тию, однако с его статьей в физическом журнале [12] ознакомился немецкий

врач Г. Кѐниг, который обратил внимание на попадание частоты первой гармо- ники резонанса Шумана в диапазон частот альфа-ритма человеческого мозга

(7,0–14 Гц). Он связался с Шуманом и они продолжили дальнейшие исследова- ния совместно.

Гармоники со второй по пятую резонанса Шумана попадают в диапазон частот бета-ритма головного мозга человека (14–35 Гц). Таким образом, полу- чается, что волны Шумана играют важную роль в синхронизации биологиче-

ских ритмов и нормального существования всего живого на Земле. Пожилые и хронически больные люди остро чувствуют отсутствие волн Шумана, ощущая головокружение, головные боли, тошноту, потерю ориентации в пространстве.

Альфа-ритм наблюдается в состоянии неглубокого расслабления. У лю- дей с пониженным уровнем интенсивности альфа-ритма наблюдается наруше-

ние способности к полноценному отдыху, что сопровождается повышенным

риском возникновения стрессовых состояний. Этот ритм управляет активно- стью правого полушария головного мозга и эмоционально-чувственным вос- приятием информации.

Бета-ритм, наоборот, контролирует работу левого полушария и наблюда- ется при сосредоточенном внимании к чему-либо, при активизации мышления. Его повышенная активность приводит к беспокойству, страху и панике. Пони- женная  активность  бета-ритма  приводит  к  депрессии,  снижению  внимания,

ухудшению способности запоминать информацию. Этот ритм отвечает за ана- литические, абстрактно-речевые формы мышления. Благодаря более высокой частоте по сравнению с альфа-ритмом, он позволяет детализировать информа- цию, разделять ее на более мелкие фрагменты.

Следует отметить, что альфа- и бета-ритмы у животных не разграничи- ваются. Их мозг, если можно так выразиться, более симметричен, чем у челове-

ка, а познание окружающего мира опирается на чувственные формы мышления. Приблизительно то же самое обнаруживается у экстрасенсов: в измененном со- стоянии сознания оба полушария мозга у них работают параллельно, генерируя волны частотой 7–8 Гц, т. е. на частоте первой гармоники резонанса Шумана.