Schumann-resonanties

tegenwoordig worden Schumann-resonanties op veel afzonderlijke onderzoeksstations over de hele wereld geregistreerd. De sensoren die worden gebruikt om Schumann-resonanties te meten bestaan meestal uit twee horizontale magnetische inductieve spoelen voor het meten van de noord-zuid-en Oost-west-componenten van het magnetische veld, en een verticale elektrische dipoolantenne voor het meten van de verticale component van het elektrische veld. Een typische passband van de instrumenten is 3-100 Hz., De Schumann resonantie elektrische veld amplitude (~300 microvolt per meter) is veel kleiner dan de statische fair-weather elektrische veld (~150 V/m) in de atmosfeer. Op dezelfde manier is de amplitude van het Schumann resonantie magnetisch veld (~1 picotesla) vele ordes van grootte kleiner dan het magnetische veld van de aarde (~30-50 microtesla). Gespecialiseerde ontvangers en antennes zijn nodig om Schumann-resonanties te detecteren en op te nemen. De elektrische component wordt meestal gemeten met een kogelantenne, gesuggereerd door Ogawa et al., in 1966, aangesloten op een hoge impedantie versterker., De magnetische inductiespoelen bestaan meestal uit tientallen-tot honderden-duizenden windingen van draad gewikkeld rond een kern van zeer hoge magnetische permeabiliteit.

afhankelijkheid van wereldwijde bliksemactiviteit

vanaf het allereerste begin van Schumann-resonantiestudies was het bekend dat ze konden worden gebruikt om wereldwijde bliksemactiviteit te monitoren. Op een gegeven moment zijn er ongeveer 2000 onweersbuien over de hele wereld. Het produceren van ongeveer vijftig bliksem gebeurtenissen per seconde, deze onweersbuien zijn direct gekoppeld aan de achtergrond Schumann resonantie signaal.,

het bepalen van de ruimtelijke bliksemdistributie van Schumann-resonantierecords is een complex probleem: om de bliksemintensiteit van Schumann-resonantierecords in te schatten, is het noodzakelijk rekening te houden met zowel de afstand tot bliksembronnen als de golfvoortplanting tussen de bron en de waarnemer. Een gemeenschappelijke aanpak is om een voorlopige aanname over de ruimtelijke verdeling van de bliksem, op basis van de bekende eigenschappen van de bliksem klimatologie., Een alternatieve aanpak is het plaatsen van de ontvanger op de Noord-of Zuidpool, die ongeveer op gelijke afstand van de belangrijkste onweersbui centra gedurende de dag blijven. Een methode die geen voorlopige aannames over de bliksem distributie is gebaseerd op de afbraak van de gemiddelde Achtergrond Schumann resonantie spectra, gebruik te maken van verhoudingen tussen de gemiddelde elektrische en magnetische spectra en tussen hun lineaire combinatie., Deze techniek neemt aan dat de holte sferisch symmetrisch is en omvat daarom geen bekende holte-asymmetrieën waarvan wordt aangenomen dat ze de resonantie-en voortplantingseigenschappen van elektromagnetische golven in het systeem beïnvloeden.

Dagvariaties edit

de best gedocumenteerde en meest besproken kenmerken van het Schumann-resonantiefenomeen zijn de dagvariaties van het Schumann-resonantievermogensspectrum op de achtergrond.,

een karakteristieke dagrecord van Schumann-resonantie weerspiegelt de eigenschappen van zowel de wereldwijde bliksemactiviteit als de toestand van de aarde–ionosferische holte tussen het brongebied en de waarnemer. Het verticale elektrische veld is onafhankelijk van de richting van de bron ten opzichte van de waarnemer, en is daarom een maat voor wereldwijde bliksem., Het dagelijkse gedrag van het verticale elektrische veld toont drie verschillende maxima, geassocieerd met de drie “hot spots” van planetaire bliksem activiteit: een op 9 UT (universele tijd) gekoppeld aan de dagelijkse piek van onweersbui activiteit uit Zuidoost-Azië; een op 14 UT gekoppeld aan de piek van Afrikaanse bliksem activiteit; en een op 20 UT gekoppeld aan de piek van Zuid-Amerikaanse bliksem activiteit. De tijd en amplitude van de pieken variëren het hele jaar door, gekoppeld aan seizoensgebonden veranderingen in de bliksem activiteit.,

“Chimney” rankingEdit

over het algemeen is de Afrikaanse piek het sterkst, wat de belangrijke bijdrage van de Afrikaanse “chimney” aan de wereldwijde bliksemactiviteit weerspiegelt. De rangschikking van de twee andere pieken—Aziatisch en Amerikaans—is het onderwerp van een hevig geschil tussen Schumann resonantie wetenschappers. Schumann resonantiewaarnemingen vanuit Europa tonen een grotere bijdrage uit Azië dan uit Zuid-Amerika, terwijl waarnemingen vanuit Noord-Amerika aangeven dat de dominante bijdrage uit Zuid-Amerika komt.,

Williams en Sátori suggereren dat om een “correcte” Asia-America chimney ranking te verkrijgen, het noodzakelijk is om de invloed van de dag/nacht variaties in de ionosferische geleidbaarheid (dag-nacht asymmetrie invloed) uit de Schumann resonantie records te verwijderen. De “gecorrigeerde” verslagen gepresenteerd in het werk van Sátori, et al. laat zien dat zelfs na het verwijderen van de dag-nacht asymmetrie invloed van Schumann resonance records, de Aziatische bijdrage groter blijft dan de Amerikaanse.

soortgelijke resultaten werden verkregen door Pechony et al., die de resonantievelden van Schumann berekende op basis van bliksemgegevens van satellieten. Er werd aangenomen dat de verdeling van de bliksem in de satelliet kaarten was een goede proxy voor Schumann excitaties bronnen, hoewel satelliet observaties voornamelijk meten in-cloud bliksem in plaats van de cloud-grond bliksem die de primaire exciters van de resonanties. Beide simulaties—die de dag-nacht asymmetrie negeren, en die rekening houden met deze asymmetrie-toonden dezelfde Asia-America chimney ranking., Aan de andere kant, sommige optische satelliet en klimatologische bliksem gegevens suggereren dat de Zuid-Amerikaanse onweersbui centrum is sterker dan de Aziatische centrum.

de reden voor het verschil tussen de ranglijsten van Aziatische en Amerikaanse schoorstenen in Schumann resonantie records blijft onduidelijk, en is het onderwerp van verder onderzoek.

invloed van de dag-nacht asymmetriedit

in de vroege literatuur werden de waargenomen dagelijkse variaties van Schumann-resonantievermogen verklaard door de variaties in de geometrie van de bron-ontvanger (lightning-observer)., Er werd geconcludeerd dat er geen specifieke systematische variaties van de ionosfeer (die dient als de bovenste golfgeleidergrens) nodig zijn om deze variaties te verklaren. Latere theoretische studies ondersteunden de vroege schattingen van de kleine invloed van de ionosfeer dag-nacht asymmetrie (verschil tussen dag-en nacht-zijde ionosfeer geleidbaarheid) op de waargenomen variaties in Schumann resonantie veld intensiteiten.,

de interesse in de invloed van de dag-nacht asymmetrie in de ionosfeer geleidbaarheid op Schumann resonanties kreeg nieuwe kracht in de jaren 1990, na de publicatie van een werk van Sentman en Fraser. Sentman en Fraser ontwikkelden een techniek om de globale en lokale bijdragen aan de waargenomen veldkrachtvariaties te scheiden met behulp van records die gelijktijdig werden verkregen op twee stations die ver van elkaar waren gescheiden in Lengtegraad., Zij interpreteerden de dagvariaties die bij elk station werden waargenomen in termen van een combinatie van een dagvariabele globale excitatie gemoduleerd door de lokale ionosfeer hoogte. Hun werk, dat zowel observaties als argumenten voor energiebesparing combineerde, overtuigde veel wetenschappers van het belang van de ionosferische dag-nacht asymmetrie en inspireerde talrijke experimentele studies., Onlangs werd echter aangetoond dat de resultaten van Sentman en Fraser bij benadering met een uniform model kunnen worden gesimuleerd (zonder rekening te houden met de dag-nacht variatie van de ionosfeer) en daarom niet op unieke wijze kunnen worden geïnterpreteerd uitsluitend in termen van ionosfeer hoogte variatie.

Schumann resonantieamplitude records tonen significante dagelijkse en seizoensgebonden variaties die in het algemeen samenvallen in de tijd met de tijden van de dag-nacht transitie (de terminator)., Deze tijd-matching lijkt de suggestie te ondersteunen van een significante invloed van de dag-nacht ionosfeer asymmetrie op Schumann resonantie amplitudes. Er zijn gegevens die bijna klokachtige nauwkeurigheid van de dagelijkse amplitude veranderingen laten zien. Aan de andere kant zijn er vele dagen dat Schumann resonantie amplitudes niet toenemen bij zonsopgang of niet afnemen bij zonsondergang. Er zijn studies die aantonen dat het algemene gedrag van Schumann resonantie amplitude records kan worden gereproduceerd van dag-en seizoensgebonden onweersmigratie, zonder ionosferische variaties aan te roepen., Twee recente onafhankelijke theoretische studies hebben aangetoond dat de variaties in Schumann resonantie vermogen gerelateerd aan de dag-nacht overgang zijn veel kleiner dan die geassocieerd met de pieken van de wereldwijde bliksem activiteit, en daarom de wereldwijde bliksem activiteit speelt een belangrijkere rol in de variatie van de Schumann resonantie vermogen.

algemeen wordt erkend dat de bron-waarnemer-effecten de belangrijkste bron zijn van de waargenomen dagvariaties, maar er blijft een aanzienlijke controverse bestaan over de mate waarin dag-nachtsignaturen in de gegevens aanwezig zijn., Een deel van deze controverse komt voort uit het feit dat de resonantieparameters van Schumann uit waarnemingen slechts een beperkte hoeveelheid informatie geven over de gekoppelde bliksembron-ionosferische systeemgeometrie. Het probleem van het inverteren van observaties om tegelijkertijd zowel de lightning source functie en ionosferische structuur af te leiden is daarom zeer onderbepaald, wat leidt tot de mogelijkheid van niet-unieke interpretaties.,

“Inverse problem”Edit

een van de interessante problemen in de resonantiestudies van Schumann is het bepalen van de karakteristieken van de bliksembron (het “inverse probleem”). Tijdelijk oplossen van elke individuele flits is onmogelijk omdat de gemiddelde snelheid van opwinding door bliksem, ~50 bliksem gebeurtenissen per seconde wereldwijd, mengt de individuele bijdragen samen. Echter, af en toe extreem grote bliksemflitsen optreden die onderscheidende handtekeningen die zich onderscheiden van de achtergrond signalen produceren., Ze worden “Q-bursts” genoemd en worden geproduceerd door intense blikseminslagen die grote hoeveelheden lading van wolken naar de grond overbrengen en vaak hoge piekstroom dragen. Q-bursts kan de amplitude van het Achtergrond signaal niveau te overschrijden met een factor van 10 of meer en verschijnen met intervallen van ~10 s, waardoor ze kunnen worden beschouwd als geïsoleerde gebeurtenissen en bepalen van de bron bliksem locatie. De locatie van de bron wordt bepaald met behulp van technieken met meerdere stations of met één stations en vereist een model voor de aarde-ionosferische holte., De multi-station technieken zijn nauwkeuriger, maar vereisen meer ingewikkelde en dure faciliteiten.

Transient luminance events researchEdit

Er wordt nu aangenomen dat veel van de Schumann resonantie transiënten (Q bursts) gerelateerd zijn aan de transient luminance events (TLEs). In 1995, Boccippio et al. toonde aan dat sprites, de meest voorkomende tle, worden geproduceerd door positieve cloud-to-ground bliksem optreden in de stratiform gebied van een onweersbui systeem, en worden begeleid door Q-burst in de Schumann resonantie band., Recente waarnemingen tonen aan dat het voorkomen van sprites en Q-uitbarstingen sterk gecorreleerd zijn en Schumann resonantiegegevens kunnen mogelijk worden gebruikt om de wereldwijde frequentie van sprites te schatten.

globale temperatuurdit

Williams suggereerde dat de globale temperatuur kan worden gemeten met de Schumann-resonanties. De link tussen Schumann resonantie en temperatuur is bliksemflitssnelheid, die niet-lineair toeneemt met de temperatuur., De niet-lineariteit van de lightning-to-temperature relatie zorgt voor een natuurlijke versterker van de temperatuurveranderingen en maakt van Schumann Resonantie een gevoelige “thermometer”. Bovendien, de ijsdeeltjes die worden verondersteld om deel te nemen aan de elektrificatie processen die resulteren in een bliksemontlading hebben een belangrijke rol in de radiatieve feedback effecten die de atmosferische temperatuur beïnvloeden. Schumann resonanties kunnen ons daarom helpen om deze feedback effecten te begrijpen., In 2006 werd een paper gepubliceerd waarin Schumann resonantie werd gekoppeld aan de Globale oppervlaktetemperatuur, dat werd gevolgd door een studie uit 2009.

bovenste troposferische waterdamphet

troposferische waterdamp is een belangrijk element van het klimaat op aarde, dat directe effecten heeft als broeikasgas, evenals indirecte effecten door interactie met wolken, aërosolen en troposferische chemie., Upper troposferic waterdamp (UTWV) heeft een veel grotere impact op het broeikaseffect dan waterdamp in de lagere atmosfeer, maar of deze impact een positieve of een negatieve feedback is, is nog onzeker. De grootste uitdaging bij het aanpakken van deze vraag is de moeilijkheid om UTWV wereldwijd over lange tijd te monitoren. Continentale diep-convectieve onweersbuien produceren de meeste van de bliksemontladingen op aarde. Daarnaast transporteren ze grote hoeveelheden waterdamp naar de bovenste troposfeer, waardoor ze de variaties van de wereldwijde UTWV domineren., Price suggereerde dat veranderingen in de UTWV kunnen worden afgeleid van records van Schumann resonanties.