Schumann-Resonanzen

Heute werden Schumann-Resonanzen an vielen verschiedenen Forschungsstationen weltweit aufgezeichnet. Die zur Messung von Schumann-Resonanzen verwendeten Sensoren bestehen typischerweise aus zwei horizontalen magnetischen induktiven Spulen zur Messung der Nord-Süd-und Ost-West-Komponenten des Magnetfeldes und einer vertikalen elektrischen Dipolantenne zur Messung der vertikalen Komponente des elektrischen Feldes. Ein typisches Passband der Instrumente ist 3-100 Hz., Die Schumann resonanz elektrische feld amplitude (~300 mikrovolt pro meter) ist viel kleiner als die statische fair-wetter elektrische feld (~150 V/m) in die atmosphäre. In ähnlicher Weise ist die Amplitude des Schumann-Resonanzmagnetfeldes (~1 Picotesla) um viele Größenordnungen kleiner als das Erdmagnetfeld (~30-50 Mikroteslas). Spezielle Empfänger und Antennen werden benötigt, um Schumann-Resonanzen zu erfassen und aufzuzeichnen. Die elektrische Komponente wird üblicherweise mit einer Kugelantenne gemessen, vorgeschlagen von Ogawa et al., 1966 an einen hochohmigen Verstärker angeschlossen., Die magnetischen Induktionsspulen bestehen typischerweise aus Zehn – bis Hunderttausenden von Drahtwindungen, die um einen Kern mit sehr hoher magnetischer Permeabilität gewickelt sind.

Abhängigkeit von globaler Blitzaktivität

Von Beginn der Schumann-Resonanzstudien an war bekannt, dass sie zur Überwachung der globalen Blitzaktivität verwendet werden können. Zu jeder Zeit gibt es rund 2000 Gewitter rund um den Globus. Diese Gewitter erzeugen etwa fünfzig Blitzereignisse pro Sekunde und sind direkt mit dem Hintergrund-Schumann-Resonanzsignal verbunden.,

Die Bestimmung der räumlichen Blitzverteilung aus Schumann-Resonanzaufzeichnungen ist ein komplexes Problem: Um die Blitzintensität aus Schumann-Resonanzaufzeichnungen abschätzen zu können, muss sowohl die Entfernung zu Blitzquellen als auch die Wellenausbreitung zwischen Quelle und Beobachter berücksichtigt werden. Ein gängiger Ansatz besteht darin, eine vorläufige Annahme der räumlichen Blitzverteilung auf der Grundlage der bekannten Eigenschaften der Blitzklimatologie vorzunehmen., Ein alternativer Ansatz besteht darin, den Empfänger am Nord-oder Südpol zu platzieren, der tagsüber ungefähr gleich weit von den Hauptgewitterzentren entfernt ist. Eine Methode, die keine vorläufigen Annahmen über die Blitzverteilung erfordert, basiert auf der Zersetzung der durchschnittlichen Hintergrund-Schumann-Resonanzspektren unter Verwendung von Verhältnissen zwischen den durchschnittlichen elektrischen und magnetischen Spektren und zwischen ihrer linearen Kombination., Diese Technik setzt voraus, dass der Hohlraum sphärisch symmetrisch ist und daher keine bekannten Hohlraumasymmetrien enthält, von denen angenommen wird, dass sie die Resonanz-und Ausbreitungseigenschaften elektromagnetischer Wellen im System beeinflussen.

Tägliche Variationenedit

Die am besten dokumentierten und am meisten diskutierten Merkmale des Schumann-Resonanzphänomens sind die täglichen Variationen des Hintergrund-Schumann-Resonanzleistungsspektrums.,

Eine charakteristische Schumann-Resonanz-Tagesaufzeichnung spiegelt die Eigenschaften sowohl der globalen Blitzaktivität als auch des Zustands der Erde–Ionosphärenhöhle zwischen der Quellregion und dem Beobachter wider. Das vertikale elektrische Feld ist unabhängig von der Richtung der Quelle relativ zum Beobachter und daher ein Maß für den globalen Blitz., Das Tagesverhalten des vertikalen elektrischen Feldes zeigt drei verschiedene Maxima, die mit den drei „Hot Spots“ der planetarischen Blitzaktivität verbunden sind: eine um 9 UT (Universal Time), die mit dem täglichen Höhepunkt der Gewitteraktivität aus Südostasien verbunden ist; eine um 14 UT, die mit dem Höhepunkt der afrikanischen Blitzaktivität verbunden ist; und eine um 20 UT, die mit dem Höhepunkt der südamerikanischen Blitzaktivität verbunden ist. Die Zeit und Amplitude der Gipfel variieren während des ganzen Jahres, abhängig von saisonalen Veränderungen der Blitzaktivität.,

Rangfolge“ Schornstein “

Im Allgemeinen ist der afrikanische Gipfel der stärkste und spiegelt den Hauptbeitrag des afrikanischen „Schornsteins“ zur globalen Blitzaktivität wider. Die Rangfolge der beiden anderen Gipfel-asiatisch und amerikanisch-ist Gegenstand eines heftigen Streits unter Schumann-Resonanzwissenschaftlern. Schumann Resonanz Beobachtungen aus Europa zeigen einen größeren Beitrag aus Asien als aus Südamerika, während Beobachtungen aus Nordamerika zeigen, dass der dominierende Beitrag aus Südamerika kommt.,

Williams und Sátori vorschlagen, dass, um zu erhalten „richtigen“ Asien-Amerika-Schornstein-ranking, ist es notwendig, um den Einfluss der Tag – /Nacht-Schwankungen der ionosphärischen Leitfähigkeit (Tag-Nacht-Asymmetrie Einfluss) von der Schumann-Resonanz records. Die „korrigierten“ Aufzeichnungen in der Arbeit von Sátori et al. zeigen Sie, dass der asiatische Beitrag auch nach der Entfernung des Tag-Nacht-Asymmetrieeinflusses von Schumann Resonance Records größer bleibt als der amerikanische.

Ähnliche Ergebnisse wurden von Pechony et al., wer hat Schumann-Resonanzfelder aus Satellitenblitzdaten berechnet? Es wurde angenommen, dass die Verteilung des Blitzes in den Satellitenkarten ein guter Proxy für Schumann-Erregungsquellen war, obwohl Satellitenbeobachtungen überwiegend den Wolkenblitz messen und nicht den Wolkenblitz, der die primären Erreger der Resonanzen darstellt. Beide Simulationen-diejenigen, die die Tag-Nacht-Asymmetrie vernachlässigten, und diejenigen, die diese Asymmetrie berücksichtigten—zeigten das gleiche Asien-Amerika-Ranking., Auf der anderen Seite deuten einige optische Satelliten-und klimatologische Blitzdaten darauf hin, dass das südamerikanische Gewitterzentrum stärker ist als das asiatische Zentrum.

Der Grund für die unterschiedliche Rangfolge asiatischer und amerikanischer Schornsteine in Schumann Resonance Records ist weiterhin unklar und Gegenstand weiterer Untersuchungen.

Einfluss der Tag-Nacht-Asymmetrie

In der frühen Literatur wurden die beobachteten tagaktiven Variationen der Schumann-Resonanzleistung durch die Variationen der Quell-Empfänger-Geometrie (Blitz-Beobachter) erklärt., Es wurde der Schluss gezogen, dass keine systematischen Abweichungen von der Ionosphäre (der dient als die Obere waveguide Grenze) benötigt werden, erklären sich diese Abweichungen. Nachfolgende theoretische Studien unterstützten die frühen Schätzungen des geringen Einflusses der Tag-Nacht-Asymmetrie der Ionosphäre (Differenz zwischen tag-und nachtseitiger Ionosphärenleitfähigkeit) auf die beobachteten Schwankungen der Schumann-Resonanzfeldintensitäten.,

Das Interesse am Einfluss der Tag-Nacht-Asymmetrie in der Leitfähigkeit der Ionosphäre auf Schumann-Resonanzen gewann in den 1990er Jahren nach Veröffentlichung eines Werkes von Sentman und Fraser neue Stärke. Sentman und Fraser entwickelten eine Technik, um die globalen und lokalen Beiträge zu den beobachteten Feldleistungsschwankungen unter Verwendung von Datensätzen zu trennen, die gleichzeitig an zwei Stationen erhalten wurden, die in der Länge weit voneinander getrennt waren., Sie interpretierten die an jeder Station beobachteten Tagesschwankungen in Form einer Kombination einer täglich variierenden globalen Erregung, die durch die lokale Ionosphärenhöhe moduliert wurde. Ihre Arbeit, die sowohl Beobachtungen als auch Argumente zur Energieeinsparung kombinierte, überzeugte viele Wissenschaftler von der Bedeutung der ionosphärischen Tag-Nacht-Asymmetrie und inspirierte zahlreiche experimentelle Studien., Kürzlich wurde jedoch gezeigt, dass die von Sentman und Fraser erhaltenen Ergebnisse mit einem einheitlichen Modell ungefähr simuliert werden können (ohne Berücksichtigung der Tag-Nacht-Variation der Ionosphäre) und daher nicht nur hinsichtlich der Ionosphärenhöhenvariation eindeutig interpretiert werden können.

Schumann – Resonanz-Amplitudenaufzeichnungen zeigen signifikante tages-und saisonale Schwankungen, die im Allgemeinen zeitlich mit den Zeiten des Tag-Nacht-Übergangs (Terminator) übereinstimmen., Diese Zeitanpassung scheint den Vorschlag eines signifikanten Einflusses der Tag-Nacht-Ionosphären-Asymmetrie auf Schumann-Resonanzamplituden zu unterstützen. Es gibt Aufzeichnungen, die fast uhrähnliche Genauigkeit der täglichen Amplitudenänderungen zeigen. Andererseits gibt es zahlreiche Tage, an denen Schumann-Resonanzamplituden bei Sonnenaufgang nicht zunehmen oder bei Sonnenuntergang nicht abnehmen. Es gibt Studien, die zeigen, dass das allgemeine Verhalten von Schumann-Resonanzamplitudenaufzeichnungen aus der täglichen und saisonalen Gewittermigration wiederhergestellt werden kann, ohne ionosphärische Variationen aufzurufen., Zwei kürzlich durchgeführte unabhängige theoretische Studien haben gezeigt, dass die Schwankungen der Schumann-Resonanzleistung im Zusammenhang mit dem Tag-Nacht-Übergang viel geringer sind als die Schwankungen, die mit den Spitzen der globalen Blitzaktivität verbunden sind, und daher spielt die globale Blitzaktivität eine wichtigere Rolle bei der Variation der Schumann-Resonanzleistung.

Es ist allgemein anerkannt, daß die beobachteten tageszeitlichen Schwankungen von den Beobachtern aus beobachtet werden, doch gibt es erhebliche Kontroversen darüber, inwieweit Tag-Nacht-Signaturen in den Daten vorhanden sind., Ein Teil dieser Kontroverse beruht auf der Tatsache, dass die aus Beobachtungen extrahierbaren Schumann-Resonanzparameter nur eine begrenzte Menge an Informationen über die gekoppelte Blitzquellen-ionosphärische Systemgeometrie liefern. Das Problem der Invertierung von Beobachtungen zur gleichzeitigen Ableitung sowohl der Blitzquellenfunktion als auch der ionosphärischen Struktur ist daher äußerst unterbestimmt, was zu der Möglichkeit nicht eindeutiger Interpretationen führt.,

„Inverses Problem“ Bearbeiten

Eines der interessanten Probleme in Schumann-Resonanzstudien ist die Bestimmung der Blitzquellencharakteristik (das „inverse Problem“). Das zeitliche Auflösen jedes einzelnen Blitzes ist unmöglich, da die mittlere Erregungsrate durch Blitz, ~50 Blitzereignisse pro Sekunde weltweit, die einzelnen Beiträge miteinander vermischt. Gelegentlich treten jedoch extrem große Blitze auf, die markante Signaturen erzeugen, die sich von den Hintergrundsignalen abheben., Sie werden als „Q-Bursts“ bezeichnet und werden durch intensive Blitzeinschläge erzeugt, die große Ladungsmengen von Wolken auf den Boden übertragen und oft einen hohen Spitzenstrom tragen. Q-Bursts können die Amplitude des Hintergrundsignalpegels um den Faktor 10 oder mehr überschreiten und mit Intervallen von ~10 s auftreten, wodurch sie als isolierte Ereignisse betrachtet und der Ort des Quellblitzes bestimmt werden können. Der Quellenort wird entweder mit Multi-Station-oder Single-Station-Techniken bestimmt und erfordert die Annahme eines Modells für die Erde–Ionosphärenhöhle., Die Multi-Station-Techniken sind genauer, erfordern aber kompliziertere und teurere Einrichtungen.

Transiente Lichtereignisse Forschungedit

Es wird nun angenommen, dass viele der Schumann-Resonanzen Transienten (Q-Bursts) mit den transienten Lichtereignissen (TLEs) zusammenhängen. 1995 Boccippio et al. zeigte, dass Sprites, das häufigste TLE, durch positive Wolke-zu-Boden-Blitze erzeugt werden, die im stratiformen Bereich eines Gewittersystems auftreten, und werden von Q-Burst im Schumann-Resonanzband begleitet., Jüngste Beobachtungen zeigen, dass Vorkommen von Sprites und Q-Bursts stark korreliert sind und Schumann-Resonanzdaten möglicherweise zur Schätzung der globalen Vorkommen von Sprites verwendet werden können.

Globale Temperaturedit

Williams schlug vor, die globale Temperatur mit den Schumann-Resonanzen zu überwachen. Die Verbindung zwischen Schumann-Resonanz und Temperatur ist die Blitzgeschwindigkeit, die nichtlinear mit der Temperatur zunimmt., Die Nichtlinearität der Blitz-Temperatur-Beziehung liefert einen natürlichen Verstärker der Temperaturänderungen und macht Schumann Resonance zu einem empfindlichen „Thermometer“. Darüber hinaus spielen die Eispartikel, von denen angenommen wird, dass sie an den Elektrifizierungsprozessen teilnehmen, die zu einer Blitzentladung führen, eine wichtige Rolle bei den Strahlungsrückkopplungseffekten, die die Atmosphärentemperatur beeinflussen. Schumann-Resonanzen können uns daher helfen, diese Rückkopplungseffekte zu verstehen., 2006 wurde ein Papier veröffentlicht, in dem die Schumann-Resonanz mit der globalen Oberflächentemperatur in Verbindung gebracht wurde, dem eine Studie aus dem Jahr 2009 folgte.

Obertroposphärischer Wasserdampf

Troposphärischer Wasserdampf ist ein Schlüsselelement des Erdklimas, das direkte Auswirkungen als Treibhausgas sowie indirekte Auswirkungen durch Wechselwirkung mit Wolken, Aerosolen und troposphärischer Chemie hat., Der obere troposphärische Wasserdampf (UTWV) hat einen viel größeren Einfluss auf den Treibhauseffekt als Wasserdampf in der unteren Atmosphäre, aber ob dieser Einfluss eine positive oder eine negative Rückkopplung ist, ist noch ungewiss. Die Hauptherausforderung bei der Beantwortung dieser Frage ist die Schwierigkeit, UTWV global über lange Zeiträume zu überwachen. Kontinentale tiefkonvektive Gewitter produzieren die meisten Blitzentladungen auf der Erde. Darüber hinaus transportieren sie eine große Menge Wasserdampf in die obere Troposphäre und dominieren die Variationen des globalen UTWV., Price schlug vor, dass Änderungen im UTWV aus Aufzeichnungen von Schumann-Resonanzen abgeleitet werden können.