Aujourd’hui, les résonances de Schumann sont enregistrées dans de nombreuses stations de recherche distinctes à travers le monde. Les capteurs utilisés pour mesurer les résonances Schumann consistent généralement en deux bobines inductives magnétiques horizontales pour mesurer les composantes nord-sud et est-ouest du champ magnétique, et une antenne dipolaire électrique verticale pour mesurer la composante verticale du champ électrique. Une bande passante typique des instruments est de 3-100 Hz., L’amplitude du champ électrique de résonance de Schumann(~ 300 microvolts par mètre) est beaucoup plus petite que le champ électrique statique de beau temps (~150 V/m) dans l’atmosphère. De même, l’amplitude du champ magnétique de résonance de Schumann (~1 picotesla) est beaucoup plus petite que le champ magnétique terrestre (~30-50 microteslas). Des récepteurs et des antennes spécialisés sont nécessaires pour détecter et enregistrer les résonances Schumann. La composante électrique est généralement mesurée avec une antenne à billes, suggérée par Ogawa et al., en 1966, connecté à un amplificateur à haute impédance., Les bobines d’induction magnétique se composent généralement de dizaines à des centaines de milliers de tours de fil enroulé autour d’un noyau de perméabilité magnétique très élevée.
Dépendance à l’activité de la foudre mondialeModifier
Dès le début des études de résonance de Schumann, on savait qu’ils pouvaient être utilisés pour surveiller l’activité de la foudre globale. À un moment donné, il y a environ 2000 orages dans le monde. Produisant une cinquantaine d’éclairs par seconde, ces orages sont directement liés au signal de résonance de Schumann en arrière-plan.,
Déterminer la distribution spatiale de la foudre à partir des enregistrements de résonance de Schumann est un problème complexe: pour estimer l’intensité de la foudre à partir des enregistrements de résonance de Schumann, il est nécessaire de tenir compte à la fois de la distance aux sources de foudre et de la propagation des ondes entre la source et Une approche commune consiste à faire une hypothèse préliminaire sur la distribution spatiale de la foudre, basée sur les propriétés connues de la climatologie de la foudre., Une autre approche consiste à placer le récepteur au pôle Nord ou au pôle Sud, qui restent à peu près à égale distance des principaux centres d’orage pendant la journée. Une méthode ne nécessitant pas d’hypothèses préliminaires sur la distribution de la foudre est basée sur la décomposition des spectres de résonance de Schumann de fond moyen, en utilisant des rapports entre les spectres électriques et magnétiques moyens et entre leur combinaison linéaire., Cette technique suppose que la cavité est symétrique sphériquement et ne comprend donc pas les asymétries de cavité connues qui sont censées affecter les propriétés de résonance et de propagation des ondes électromagnétiques dans le système.
Variations diurnesmodifier
Les caractéristiques les mieux documentées et les plus débattues du phénomène de résonance de Schumann sont les variations diurnes du spectre de puissance de résonance de Schumann.,
Un enregistrement diurne caractéristique de la résonance de Schumann reflète les propriétés de l’activité de la foudre globale et de l’état de la cavité Terre–ionosphère entre la région source et l’observateur. Le champ électrique vertical est indépendant de la direction de la source par rapport à l’observateur, et est donc une mesure de la foudre globale., Le comportement diurne du champ électrique vertical montre trois maxima distincts, associés aux trois » points chauds » de l’activité de la foudre planétaire: un à 9 UT (Temps universel) lié au pic quotidien de l’activité des orages d’Asie du Sud-Est; un à 14 UT lié au pic de l’activité de la foudre africaine; et un à 20 UT lié au pic de l’activité de la foudre sud-américaine. Le temps et l’amplitude des pics varient tout au long de l’année, liés aux changements saisonniers de l’activité de la foudre.,
Classement de la « cheminée « modifier
En général, le pic africain est le plus fort, reflétant la contribution majeure de la » cheminée « africaine à l’activité mondiale de la foudre. Le classement des deux autres sommets—asiatique et américain—fait l’objet d’une vive controverse parmi les scientifiques de la résonance Schumann. Les observations de résonance de Schumann faites d’Europe montrent une contribution plus importante de l’Asie que de l’Amérique du Sud, tandis que les observations faites d’Amérique du Nord indiquent que la contribution dominante vient d’Amérique du Sud.,
Williams et Sátori suggèrent que pour obtenir un classement « correct » des cheminées Asie-Amérique, il est nécessaire de supprimer l’influence des variations jour / nuit de la conductivité ionosphérique (influence de l’asymétrie jour-nuit) des enregistrements de résonance de Schumann. Les enregistrements « corrigés » présentés dans l’ouvrage de Sátori, et al. montrer que même après la suppression de l’influence de l’asymétrie jour-nuit des disques de résonance Schumann, la contribution asiatique reste plus grande que américaine.
des résultats Similaires ont été obtenus par Pechony et coll., qui a calculé les champs de résonance de Schumann à partir des données de foudre satellitaires. On a supposé que la distribution de la foudre dans les cartes satellites était une bonne approximation des sources d’excitations de Schumann, même si les observations satellites mesurent principalement la foudre dans les nuages plutôt que la foudre nuage-sol qui sont les principaux excitateurs des résonances. Les deux simulations-celles qui négligent l’asymétrie jour-nuit, et celles qui prennent en compte cette asymétrie—ont montré le même classement des cheminées Asie-Amérique., D’autre part, certaines données satellitaires optiques et climatologiques sur la foudre suggèrent que le centre des orages sud-américain est plus fort que le centre asiatique.
La raison de la disparité entre les classements des cheminées asiatiques et américaines dans les enregistrements de résonance de Schumann reste obscure, et fait l’objet de recherches ultérieures.
Influence de l’asymétrie jour-nuitmodifier
Dans la littérature ancienne, les variations diurnes observées de la puissance de résonance de Schumann ont été expliquées par les variations de la géométrie source-récepteur (observateur de la foudre)., Il a été conclu qu’aucune variation systématique particulière de l’ionosphère (qui sert de limite supérieure du guide d’ondes) n’est nécessaire pour expliquer ces variations. Des études théoriques ultérieures ont soutenu les premières estimations de la faible influence de l’asymétrie jour-nuit de l’ionosphère (différence entre la conductivité de l’ionosphère côté jour et côté nuit) sur les variations observées dans les intensités du champ de résonance de Schumann.,
L’intérêt pour l’influence de l’asymétrie jour-nuit dans la conductivité de l’ionosphère sur les résonances de Schumann a gagné en force dans les années 1990, après la publication d’un travail de Sentman et Fraser. Sentman et Fraser ont mis au point une technique pour séparer les contributions globales et locales aux variations de puissance de champ observées en utilisant des enregistrements obtenus simultanément à deux stations qui étaient largement séparées en longitude., Ils ont interprété les variations diurnes observées à chaque station en termes de combinaison d’une excitation globale variable diurne modulée par la hauteur de l’ionosphère locale. Leurs travaux, qui combinaient à la fois observations et arguments de conservation de l’énergie, ont convaincu de nombreux scientifiques de l’importance de l’asymétrie ionosphérique jour-nuit et ont inspiré de nombreuses études expérimentales., Cependant, récemment, il a été démontré que les résultats obtenus par Sentman et Fraser peuvent être simulés approximativement avec un modèle uniforme (sans tenir compte de la variation jour-nuit de l’ionosphère) et ne peuvent donc pas être interprétés uniquement en termes de variation de la hauteur de l’ionosphère.
Les enregistrements d’amplitude de résonance de Schumann montrent des variations diurnes et saisonnières importantes qui coïncident généralement dans le temps avec les moments de la transition jour-nuit (le terminateur)., Cette correspondance temporelle semble soutenir la suggestion d’une influence significative de l’asymétrie de l’ionosphère jour-nuit sur les amplitudes de résonance de Schumann. Il y a des enregistrements montrant une précision presque semblable à une horloge des changements d’amplitude diurnes. D’autre part, il y a de nombreux jours où les amplitudes de résonance de Schumann n’augmentent pas au lever du soleil ou ne diminuent pas au coucher du soleil. Il existe des études montrant que le comportement général des enregistrements d’amplitude de résonance de Schumann peut être recréé à partir de la migration diurne et saisonnière des orages, sans invoquer les variations ionosphériques., Deux études théoriques indépendantes récentes ont montré que les variations de la puissance de résonance de Schumann liées à la transition jour-nuit sont beaucoup plus petites que celles associées aux pics de l’activité de la foudre globale, et donc l’activité de la foudre globale joue un rôle plus important dans la variation de la puissance de résonance de Schumann.
Il est généralement reconnu que les effets source-observateur sont la source dominante des variations diurnes observées, mais il reste une controverse considérable quant à la mesure dans laquelle les signatures jour-nuit sont présentes dans les données., Une partie de cette controverse provient du fait que les paramètres de résonance de Schumann extraites des observations ne fournissent qu’une quantité limitée d’informations sur la géométrie du système ionosphérique source de foudre couplée. Le problème de l’inversion des observations pour déduire simultanément à la fois la fonction de la source de foudre et la structure ionosphérique est donc extrêmement sous-déterminé, ce qui conduit à la possibilité d’interprétations non uniques.,
« Problème inverse »Modifier
L’un des problèmes intéressants dans les études de résonances Schumann est de déterminer les caractéristiques de la source de foudre (le « problème inverse »). La résolution temporelle de chaque flash individuel est impossible parce que le taux moyen d’excitation par la foudre, ~50 événements de foudre par seconde globalement, mélange les contributions individuelles ensemble. Cependant, il se produit parfois des éclairs extrêmement importants qui produisent des signatures distinctives qui se démarquent des signaux de fond., Appelés « Q-bursts », ils sont produits par des éclairs intenses qui transfèrent de grandes quantités de charge des nuages au sol et transportent souvent un courant de crête élevé. Les sursauts Q peuvent dépasser l’amplitude du niveau du signal de fond d’un facteur 10 ou plus et apparaître avec des intervalles de ~10 s, ce qui leur permet d’être considérés comme des événements isolés et de déterminer l’emplacement de la foudre source. L’emplacement de la source est déterminé avec des techniques à stations multiples ou à stations uniques et nécessite l’hypothèse d’un modèle pour la cavité Terre-ionosphère., Les techniques multi-stations sont plus précises, mais nécessitent des installations plus compliquées et coûteuses.
Événements lumineux transitoires Recherchésmodifier
On pense maintenant que beaucoup des résonances transitoires de Schumann (Q bursts) sont liées aux événements lumineux transitoires (TLe). En 1995, Boccippio et coll. a montré que les sprites, les TLE les plus courants, sont produits par des éclairs positifs nuage-sol se produisant dans la région stratiforme d’un système d’orage, et sont accompagnés d’un Q-burst dans la bande de résonances de Schumann., Des observations récentes révèlent que les occurrences de sprites et de sursauts Q sont fortement corrélées et que les données de résonances Schumann peuvent éventuellement être utilisées pour estimer le taux d’occurrence global des sprites.
Température mondialeModifier
Williams a suggéré que la température globale puisse être surveillée avec les résonances de Schumann. Le lien entre la résonance de Schumann et la température est le taux d’éclair, qui augmente de manière non linéaire avec la température., La non-linéarité de la relation foudre-température fournit un amplificateur naturel des changements de température et fait de la résonance de Schumann un « thermomètre »sensible. De plus, les particules de glace qui sont censées participer aux processus d’électrification qui entraînent une décharge de foudre jouent un rôle important dans les effets de rétroaction radiative qui influencent la température de l’atmosphère. Les résonances Schumann peuvent donc nous aider à comprendre ces effets de rétroaction., Un article a été publié en 2006 reliant la résonance de Schumann à la température de surface globale, qui a été suivi d’une étude de 2009.
Vapeur d’eau troposphèremodifier
La vapeur d’eau troposphérique est un élément clé du climat de la Terre, qui a des effets directs en tant que gaz à effet de serre, ainsi que des effets indirects par l’interaction avec les nuages, les aérosols et la chimie troposphérique., La vapeur d’eau troposphérique supérieure (UTWV) a un impact beaucoup plus important sur l’effet de serre que la vapeur d’eau dans la basse atmosphère, mais il est encore incertain de savoir si cet impact est positif ou négatif. Le principal défi pour répondre à cette question est la difficulté de surveiller UTWV à l’échelle mondiale sur de longues échelles de temps. Les orages continentaux à convection profonde produisent la plupart des décharges de foudre sur Terre. En outre, ils transportent une grande quantité de vapeur d’eau dans la troposphère supérieure, dominant les variations de l’UTWV global., Price a suggéré que les changements dans l’UTWV peuvent être dérivés des enregistrements de résonances Schumann.
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