Risonanze Schumann

Oggi le risonanze Schumann sono registrate in molte stazioni di ricerca separate in tutto il mondo. I sensori utilizzati per misurare le risonanze di Schumann consistono in genere di due bobine induttive magnetiche orizzontali per misurare le componenti nord-sud ed est-ovest del campo magnetico e un’antenna a dipolo elettrico verticale per misurare la componente verticale del campo elettrico. Una banda passante tipica degli strumenti è 3-100 Hz., L’ampiezza del campo elettrico di risonanza di Schumann (~300 microvolt per metro) è molto più piccola del campo elettrico statico del bel tempo (~150 V/m) nell’atmosfera. Allo stesso modo, l’ampiezza del campo magnetico di risonanza di Schumann (~1 picotesla) è di molti ordini di grandezza inferiore al campo magnetico terrestre (~30-50 microtesla). Ricevitori specializzati e antenne sono necessari per rilevare e registrare risonanze Schumann. La componente elettrica è comunemente misurata con un’antenna a sfera, suggerita da Ogawa et al., nel 1966, collegato ad un amplificatore ad alta impedenza., Le bobine di induzione magnetica consistono tipicamente di decine-a centinaia-di-migliaia di giri di filo avvolto intorno ad un nucleo di permeabilità magnetica molto elevata.

Dipendenza dall’attività dei fulmini globalimodifica

Fin dall’inizio degli studi di risonanza di Schumann, era noto che potevano essere utilizzati per monitorare l’attività dei fulmini globali. In un dato momento ci sono circa 2000 temporali in tutto il mondo. Producendo circa cinquanta eventi di fulmini al secondo, questi temporali sono direttamente collegati al segnale di risonanza di Schumann di fondo.,

Determinare la distribuzione spaziale del fulmine dai record di risonanza di Schumann è un problema complesso: per stimare l’intensità del fulmine dai record di risonanza di Schumann è necessario tenere conto sia della distanza dalle sorgenti del fulmine che della propagazione dell’onda tra la sorgente e l’osservatore. Un approccio comune è quello di fare un’ipotesi preliminare sulla distribuzione spaziale del fulmine, basata sulle proprietà note della climatologia del fulmine., Un approccio alternativo sta posizionando il ricevitore al Polo Nord o Sud, che rimangono approssimativamente equidistanti dai principali centri temporali durante il giorno. Un metodo che non richiede ipotesi preliminari sulla distribuzione del fulmine si basa sulla decomposizione degli spettri medi di risonanza di Schumann, utilizzando rapporti tra gli spettri elettrici e magnetici medi e tra la loro combinazione lineare., Questa tecnica presuppone che la cavità sia simmetrica sfericamente e quindi non include asimmetrie di cavità note che si ritiene influenzino le proprietà di risonanza e propagazione delle onde elettromagnetiche nel sistema.

Variazioni diurnemodifica

Le caratteristiche meglio documentate e più dibattute del fenomeno di risonanza di Schumann sono le variazioni diurne dello spettro di potenza di risonanza di Schumann di fondo.,

Un caratteristico record diurno di risonanza di Schumann riflette le proprietà sia dell’attività del fulmine globale che dello stato della cavità Terra–ionosfera tra la regione sorgente e l’osservatore. Il campo elettrico verticale è indipendente dalla direzione della sorgente rispetto all’osservatore, ed è quindi una misura del fulmine globale., Il comportamento diurno del campo elettrico verticale mostra tre massimi distinti, associati ai tre “punti caldi” dell’attività dei fulmini planetari: uno a 9 UT (Tempo universale) legato al picco giornaliero dell’attività dei temporali dal Sud-est asiatico; uno a 14 UT legato al picco dell’attività dei fulmini africani; e uno a 20 UT legato al picco dell’attività dei fulmini sudamericani. Il tempo e l’ampiezza dei picchi variano durante tutto l’anno, legati ai cambiamenti stagionali nell’attività dei fulmini.,

“Chimney” rankingEdit

In generale, il picco africano è il più forte, riflettendo il principale contributo del “camino” africano all’attività globale dei fulmini. La classifica degli altri due picchi-asiatici e americani-è oggetto di una vigorosa disputa tra gli scienziati della risonanza di Schumann. Le osservazioni di risonanza di Schumann fatte dall’Europa mostrano un contributo maggiore dall’Asia rispetto al Sud America, mentre le osservazioni fatte dal Nord America indicano che il contributo dominante proviene dal Sud America.,

Williams e Sátori suggeriscono che per ottenere una “corretta” classificazione del camino Asia-America, è necessario rimuovere l’influenza delle variazioni giorno / notte nella conduttività ionosferica (influenza dell’asimmetria giorno-notte) dai record di risonanza di Schumann. I record “corretti” presentati nel lavoro di Sátori, et al. mostra che anche dopo la rimozione dell’influenza dell’asimmetria giorno-notte dai record di risonanza di Schumann, il contributo asiatico rimane maggiore di quello americano.

Risultati simili sono stati ottenuti da Pechony et al., l’oms ha calcolato i campi di risonanza di Schumann dai dati dei fulmini satellitari. Si è ipotizzato che la distribuzione dei fulmini nelle mappe satellitari fosse un buon proxy per le fonti di eccitazioni di Schumann, anche se le osservazioni satellitari misurano prevalentemente i fulmini in-cloud piuttosto che i fulmini cloud-to-ground che sono gli eccitatori primari delle risonanze. Entrambe le simulazioni-quelle che trascurano l’asimmetria giorno-notte e quelle che tengono conto di questa asimmetria—hanno mostrato la stessa classifica del camino Asia-America., D’altra parte, alcuni dati satellitari ottici e climatologici dei fulmini suggeriscono che il centro temporale sudamericano è più forte del centro asiatico.

La ragione della disparità tra le classifiche dei camini asiatici e americani nei record di risonanza di Schumann rimane poco chiara ed è oggetto di ulteriori ricerche.

Influenza dell’asimmetria giorno-nottemodiFica

Nella prima letteratura le variazioni diurne osservate della potenza di risonanza di Schumann erano spiegate dalle variazioni nella geometria sorgente-ricevitore (lightning-observer)., Si è concluso che non sono necessarie particolari variazioni sistematiche della ionosfera (che funge da limite superiore della guida d’onda) per spiegare queste variazioni. Successivi studi teorici hanno supportato le prime stime della piccola influenza dell’asimmetria giorno-notte della ionosfera (differenza tra conduttività ionosfera lato giorno e lato notte) sulle variazioni osservate nelle intensità del campo di risonanza di Schumann.,

L’interesse per l’influenza dell’asimmetria giorno-notte nella conduttività della ionosfera sulle risonanze di Schumann ha acquisito nuova forza negli anni ‘ 90, dopo la pubblicazione di un lavoro di Sentman e Fraser. Sentman e Fraser hanno sviluppato una tecnica per separare i contributi globali e locali alle variazioni di potenza del campo osservate utilizzando i record ottenuti simultaneamente in due stazioni che erano ampiamente separate in longitudine., Hanno interpretato le variazioni diurne osservate in ogni stazione in termini di una combinazione di un’eccitazione globale variabile di giorno modulata dall’altezza della ionosfera locale. Il loro lavoro, che combinava osservazioni e argomenti di conservazione dell’energia, convinse molti scienziati dell’importanza dell’asimmetria ionosferica giorno-notte e ispirò numerosi studi sperimentali., Tuttavia, recentemente è stato dimostrato che i risultati ottenuti da Sentman e Fraser possono essere approssimativamente simulati con un modello uniforme (senza tenere conto della variazione giorno-notte della ionosfera) e quindi non possono essere interpretati in modo univoco esclusivamente in termini di variazione dell’altezza della ionosfera.

Le registrazioni dell’ampiezza di risonanza di Schumann mostrano significative variazioni diurne e stagionali che in generale coincidono nel tempo con i tempi della transizione giorno-notte (il terminatore)., Questa corrispondenza temporale sembra supportare il suggerimento di un’influenza significativa dell’asimmetria ionosfera giorno-notte sulle ampiezze di risonanza di Schumann. Ci sono record che mostrano una precisione quasi da orologio delle variazioni di ampiezza diurne. D’altra parte, ci sono numerosi giorni in cui le ampiezze di risonanza di Schumann non aumentano all’alba o non diminuiscono al tramonto. Ci sono studi che dimostrano che il comportamento generale dei record di ampiezza della risonanza di Schumann può essere ricreato dalla migrazione temporale diurna e stagionale, senza invocare variazioni ionosferiche., Due recenti studi teorici indipendenti hanno dimostrato che le variazioni della potenza di risonanza di Schumann relative alla transizione giorno-notte sono molto più piccole di quelle associate ai picchi dell’attività del fulmine globale, e quindi l’attività del fulmine globale gioca un ruolo più importante nella variazione della potenza di risonanza di Schumann.

È generalmente riconosciuto che gli effetti fonte-osservatore sono la fonte dominante delle variazioni diurne osservate, ma rimane una notevole controversia sul grado in cui le firme giorno-notte sono presenti nei dati., Parte di questa controversia deriva dal fatto che i parametri di risonanza di Schumann estraibili dalle osservazioni forniscono solo una quantità limitata di informazioni sulla geometria del sistema ionosferico della sorgente del fulmine accoppiata. Il problema di invertire le osservazioni per dedurre simultaneamente sia la funzione della sorgente del fulmine che la struttura ionosferica è quindi estremamente sottodeterminato, portando alla possibilità di interpretazioni non univoche.,

“Problema inverso”Modifica

Uno dei problemi interessanti negli studi sulle risonanze di Schumann è la determinazione delle caratteristiche della sorgente del fulmine (il “problema inverso”). Risolvere temporalmente ogni singolo flash è impossibile perché la velocità media di eccitazione da un fulmine, ~50 eventi di fulmini al secondo a livello globale, mescola insieme i singoli contributi. Tuttavia, occasionalmente si verificano lampi estremamente grandi che producono firme distintive che si distinguono dai segnali di sfondo., Chiamati “Q-burst”, sono prodotti da intensi fulmini che trasferiscono grandi quantità di carica dalle nuvole al suolo e spesso portano alta corrente di picco. Q-burst possono superare l’ampiezza del livello del segnale di fondo di un fattore di 10 o più e appaiono con intervalli di ~10 s, che consente loro di essere considerati come eventi isolati e determinare la posizione del fulmine sorgente. La posizione della sorgente è determinata con tecniche multi-stazione o singola stazione e richiede l’assunzione di un modello per la cavità Terra–ionosfera., Le tecniche multi-stazione sono più accurate, ma richiedono strutture più complicate e costose.

Ricerca sugli eventi luminosi transientimodifica

Ora si ritiene che molti dei transienti delle risonanze di Schumann (Q burst) siano correlati agli eventi luminosi transitori (TLE). Nel 1995, Boccippio et al. ha dimostrato che gli sprite, il TLE più comune, sono prodotti da fulmini positivi da nube a terra che si verificano nella regione stratiforme di un sistema temporale e sono accompagnati da Q-burst nella banda di risonanze di Schumann., Osservazioni recenti rivelano che le occorrenze di sprite e Q burst sono altamente correlate e che i dati delle risonanze di Schumann possono essere utilizzati per stimare il tasso di occorrenza globale degli sprite.

Temperatura globaleedit

Williams ha suggerito che la temperatura globale può essere monitorata con le risonanze di Schumann. Il legame tra la risonanza di Schumann e la temperatura è la velocità del lampo, che aumenta in modo non lineare con la temperatura., La non linearità della relazione lampo-temperatura fornisce un amplificatore naturale delle variazioni di temperatura e rende la risonanza di Schumann un “termometro” sensibile. Inoltre, le particelle di ghiaccio che si ritiene partecipino ai processi di elettrificazione che provocano una scarica del fulmine hanno un ruolo importante negli effetti di feedback radiativo che influenzano la temperatura dell’atmosfera. Le risonanze di Schumann possono quindi aiutarci a capire questi effetti di feedback., Nel 2006 è stato pubblicato un articolo che collega la risonanza di Schumann alla temperatura superficiale globale, seguito da uno studio del 2009.

Vapore acqueo troposferico Upper

Il vapore acqueo troposferico è un elemento chiave del clima terrestre, che ha effetti diretti come gas serra, nonché effetti indiretti attraverso l’interazione con nuvole, aerosol e chimica troposferica., Il vapore acqueo troposferico superiore (UTWV) ha un impatto molto maggiore sull’effetto serra rispetto al vapore acqueo nell’atmosfera inferiore, ma se questo impatto è un feedback positivo o negativo è ancora incerto. La sfida principale nell’affrontare questa domanda è la difficoltà di monitorare l’UTWV a livello globale su lunghe scale temporali. I temporali continentali a convezione profonda producono la maggior parte delle scariche di fulmini sulla Terra. Inoltre, trasportano grandi quantità di vapore acqueo nella troposfera superiore, dominando le variazioni di UTWV globale., Price ha suggerito che i cambiamenti nell’UTWV possono essere derivati da registrazioni di risonanze di Schumann.