Результаты исследования опубликованы в научном журнале Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics. Резонансом Шумана называют явление образования стоячих электромагнитных волн сверхнизких частот между поверхностью Земли и ионосферой – верхним слоем атмосферы, который отличается высокой концентрацией свободных электронов и ионов. Источником стоячих волн сверхнизких частот чаще всего выступают разряды молний.
Резонанс Шумана считается эффективным инструментом для изучения окружающей среды – например, с его помощью можно вести мониторинг всемирной грозовой активности. Конвекции атмосферы над нагретой землей создает облака, а мощная конвекция приводит к их электризации и возникновению гроз. Так, чем выше температура поверхности земли, тем сильнее конвекция над ней и тем сильнее электризуются возникающие облака.
Наблюдающийся в настоящее время рост температуры на планете может привести к увеличению интенсивности гроз и, соответственно, к возрастанию энергии колебаний глобального электромагнитного резонанса – резонанса Шумана.
Физики Санкт-Петербургского университета изучили, как можно использовать резонанс Шумана для дистанционного зондирования полевых источников вулканогенного происхождения – ударов молнии над вулканом Тонга в Полинезии во время его извержения 15 января 2022 года. Это извержение стало самым сильным на Земле за время проведения спутниковых наблюдений.
Как пояснил заведующий учебной лабораторией компьютерного моделирования СПбГУ Юрий Галюк, этот объект показателен, поскольку во время извержения вулкана рядом была зафиксирована так называемая «грязная гроза» – погодное явление, при котором в облаке пепла, поднимающегося из жерла вулкана, образуются молнии. Во время извержения Тонга была зафиксирована самая мощная молниевая активность за всю историю наблюдений и самая высокая частота разрядов – более 2600 вспышек в минуту, то есть более 40 вспышек за одну секунду. При этом в обычных условиях над океанами, где и расположен вулкан Тонга, грозы замечают примерно в десять раз реже, чем над континентами, и они менее мощные.
Исследователи сравнили данные, собранные во время извержения вулкана двумя наблюдательными пунктами в Италии, с компьютерной моделью полости «поверхность Земли – ионосфера», основанной на данных Всемирной сети локализации молний. Ученые проанализировали электромагнитное излучение в полосе резонанса Шумана, используя для этого вектор Умова – Пойнтинга – физическую величину, которая показывает направление движения потока энергии в электромагнитном поле.
Наблюдения показали, что электромагнитная волна, зафиксированная во время основной фазы извержения Тонга, исходила из компактной области вокруг вулкана – вулканического облака, в котором активно били молнии. Судя по полученным данным, извержение и сопровождавшая его «грязная гроза» увеличили наблюдаемый уровень мощности потока сверхнизких частот в шесть раз по сравнению со спокойным состоянием. Это означает, что уровень локальной грозовой активности в вулканическом облаке оказался значительно выше уровня грозовой активности, наблюдавшейся на всей остальной планете до взрывной фазы извержения и после ее окончания.
Исследователи пришли к выводу, что глобальный электромагнитный резонанс Шумана может служить эффективным инструментом для дистанционного зондирования катастрофических явлений, так как позволяет однозначно определить местонахождение компактных зон грозовой активности. При этом на наблюдаемые параметры глобального электромагнитного резонанса способны повлиять практически любые события, происходящие на планете – например, землетрясения, которые сказываются на физических свойствах тонкого слоя атмосферы между Землей и нижней ионосферой. Грозы в этом контексте рассматриваются учеными как источник естественного радиоизлучения.
«Изучать электромагнитные колебания на сверхнизких частотах – практически искусство, поскольку для приема таких волн требуется очень чувствительная аппаратура и соответствующая окружающая обстановка. Для наблюдений шумановского резонанса необходимо не только создать высокоточную аппаратуру, но и найти место для обсерватории с достаточно низким уровнем природных и индустриальных помех. Так, на показания может повлиять даже движение деревьев, животных или людей рядом с приемником, а добиться полного спокойствия в природных условиях практически невозможно», – пояснил радиофизик СПбГУ Юрий Галюк.
В исследовании приняли участие сотрудники Санкт-Петербургского государственного университета и Института физики Земли РАН, Института радиофизики и электроники имени А. Я. Усикова НАНУ, Харьковского национального университета имени В. Н. Каразина, Института сейсмоэлектромагнетики Хаякавы, Исследовательского центра по созданию устойчивых обществ b Исследовательского центра передовых беспроводных технологий и коммуникаций в Токио, Бергенского университета, Неаполитанского университета и Национального института ядерной физики, а также независимый исследователь из Кумьяна.
Один из старейших, крупнейших и ведущих классических университетов и один из важнейших центров науки, образования и культуры в России.
Показать больше