Производимые молниями волны выскальзывают из атмосферы Земли в космос
Меньше чем каждую секунду на Земле происходят приблизительно 2 000 гроз и производится приблизительно 50 вспышек молний. Каждая такая вспышка создает электромагнитные волны, которые начинают циркулировать вокруг Земли, между поверхностью и ионосферой, верхняя граница которой находится на расстоянии приблизительно 100 км над Землей. Некоторые из волн, если они имеют «правильную» длину, объединяются, становятся более мощными и создают повторяющиеся атмосферные импульсы, известные как резонанс Шумана. Этот феномен является полезным инструментом, который помогает анализировать погоду Земли, ее электрическую среду и даже помогает определить, какие типы атомов и молекул существуют в атмосфере Земли. И до сих пор считалось, что резонанс Шумана «заперт» в пределах атмосферы Земли.
Но сегодня векторный прибор НАСА, измеряющий электрическое поле (VEFI), который располагается на борту метеоспутника C/NOFS, обнаружил проявления резонанса Шумана в космосе. Это обнаружение шокировало ученых. Текущие модели резонанса Шумана предсказывают, что стоячие волны, которые образовываются в результате феномена, должны сдерживаться на относительно низкой высоте между Землей и слоем атмосферы Земли, называемым ионосферой.
«Исследователи не ожидали увидеть эти резонансы в космосе, - говорит Фернандо Симоуз (Fernando Simoes), ученый из Центра космических полетов НАСА имени Годдарда в Гринбелт, Мэриленд. - Но оказывается, что энергия просачивается в космос, и это открывает много других возможностей, чтобы изучать нашу планету «сверху».
Волны, созданные вспышками молний – здесь обозначенные синим, зеленым и красным цветом, – проходят вокруг Земли, создавая то, что называется резонансом Шумана
Симоуз - первый автор, который написал об этих наблюдениях, его статья будет опубликована в декабрьском номере журнала Geophysical Research Letters. Автор объясняет, что концепция резонанса вообще довольно проста: добавление энергии в нужное время заставляет данное явление становиться сильнее. Как на качелях – чем больше усилие, тем больше скорость. Но резонанс происходит тогда, когда серия накладывающихся друг на друга волн синхронизируется таким образом, что гребни выстраиваются в линию с другими гребнями и желоба выстраиваются в линию с другими желобами. Это создает значительно более мощную волну, чем та, где гребни и желоба уравновешивают друг друга.
Волны, созданные молнией, не похожи на океанские волны, но свое название они оправдывают - в них есть участки большей и меньшей энергии. Эти волны остаются в «атмосферной клетке», создаваемой нижним пределом ионосферы - это часть атмосферы, заполненная заряженными частицами. Для появления резонанса необходимо, чтобы волна была такой же длины (или в два, в три раза длиннее и т. д.), что и окружность Земли. Это – низко- или сверхнизкочастотная волна, около 8 герц (Гц), что в сто тысяч раз ниже, чем самые низкие радиоволны. После того как эта волна проходит вокруг Земли, она снова совпадает с собственной фазой таким образом, что гребни и желоба выравниваются друг с другом. Получается, действующие в резонансе друг с другом волны усиливают первоначальный сигнал.
Впервые стоячие волны были описаны Н. Тесла; через пять десятков лет эффект был исследован подробнее, в 1952 году профессор Мюнхенского университета В.О. Шуман предположил существование резонанса в ионосфере; достоверно изучены резонансы Шумана были в начале 1960-х годов. С тех пор ученые обнаружили, что изменения в резонансах соответствуют сезонным изменениям, колебаниям солнечной активности, изменениям в магнитной среде Земли, в количестве водных аэрозолей в атмосфере и т. д.
«Есть сотни, возможно, тысячи, исследований этого явления и того, как оно влияет на атмосферу Земли, - говорит ученый из Годдарда Роб Пфафф (Rob Pfaff), научный руководитель VEFI и соавтор статьи GRL. - Но они все основаны на измерениях, сделанных на Земле».
Основанная на исследованиях резонанса Шумана, разработанная в США метеорологическая система обнаружила электрическую сигнатуру Калифорнийского землетрясения 25 июня 2011 года почти за 3,5 часа до того, как это произошло физически
C/NOFS, конечно, измерил их намного выше – на расстоянии 400-800 километров от поверхности. В то время как модели предлагают, что резонансы «заперты» ионосферой, оказалось, что эта энергия может выскальзывать из земной оболочки. Таким образом, команда начала искать волны соответствующей низкой частоты в наблюдениях VEFI – этот инструмент был построен в Годдарде, его чувствительность достаточно высока, чтобы обнаружить эти слабые волны. Команда была вознаграждена. Они нашли резонанс, находимый C/NOFS почти каждый раз, когда он облетал Землю. Результат составил, в целом, приблизительно 10 000 примеров.
Обнаружение резонанса Шумана в космосе обеспечивает возможность лучше понять нижнюю ионосферу, которая окружает Землю, говорит Симоуз.
«Объединив это открытие с земными измерениями, мы получим возможность лучше изучить молнию, грозы и нижнюю атмосферу, - говорит он. – Следующее, что мы должны понять - как лучше всего использовать резонанс Шумана с этой новой точки зрения».
Комментарии читателей