Magyar
EnglishA Schumann-rezonanciáról (SR)
A Schumann-rezonancia olyan rezonancia jelenség, amelyet az alacsonyfrekvenciás rádióhullámok erősségében lehet megfigyelni a Föld körül. Leginkább a földfelszín és az ionoszféra alja között (60-100 km-es magasság alatt) észlelhető.
Ebben a térrészben, amely tulajdonképpen egy gömbhéj, az egészen alacsonyfrekvenciás rádióhullámok (kb. 100 Hz alatti frekvenciákon) akár többször is körbejárhatják a Földet, mielőtt az energiájuk hővé alakul és szétszóródik. E hullámok között bizonyos frekvenciák környékén tovább megmarad a hullámenergia a rendszerben, mint más frekvenciáknál. Ez a rezonanciajelenség alapja. Azok a frekvenciák az ún. rezonancia frekvenciák, amelyeknél a hullámenergia jellemzően tovább megmarad a rendszerben, mint más frekvenciákon. Hogy egy rendszernek hol vannak a rezonancia frekvenciái, az a rendszer (hullámvezető) méretétől és alakjától függ.
A Föld-ionoszféra hullámvezető gömbhéjon belül elsősorban a villámkisülések során keletkeznek alacsonyfrekvenciás rádióhullámok. (A villám minden frekvencián produkál rádiózajt, de a SR jelenség vonatkozásában az alacsonyfrekvenciás hullámoknak van fő szerepük.) A Földön a zivatartevékenység és a villámaktivitás is gyakorlatilag folyamatos. Átlagosan másodpercenként 50-100 villámkisülés következik be bolygószerte az aktív zivatarokban. A gyakori villámlásnak köszönhetően a Föld-ionoszféra hullámvezetőben mindenütt jelen van egy rádiózaj, amelyben a rezonancia frekvenciák környékén jellemzően nagyobb a hullámok amplitúdója, illetve az energiája/intenzitása. Ebben a hullámvezetőben a mérések igazolták, hogy a legalacsonyabb rezonancia frekvenciák 8 Hz, 14 Hz, és 20 Hz körül találhatók. Érzékenyebb mérések ezek fölött kb. 6 Hz-enként további rezonanciacsúcsokat is ki tudnak mutatni (26 Hz, 32 Hz, stb.). Ezek az ún. Schumann-rezonanciák, amelyeket W.O. Schumann német kutatóról neveztek el, aki először adott számszerű becslést az értékükre.
A rezonanciacsúcsok helye (csúcs frekvencia) és nagysága (amplitúdó vagy intenzitás) függ a globális hullámvezető méretétől, hogy mennyire kis veszteséggel tudja vezetni a rádióhullámokat, illetve a gerjesztő hullámforrások, azaz a villámokat produkáló zivatarok földrajzi eloszlásától és a kiváltott rádiózaj forráserősségétől is. Ez utóbbit a villámok energikussága határozza meg.
Ennek következtében a Schumann-rezonanciák frekvenciáinak és intenzitásának elemzésével következtetni tudunk a Föld-ionoszféra hullámvezető és összességében a zivataros területek tulajdonságaira is. A globális hullámvezető méretét és tulajdonságait alapvetően a Napsugárzás határozza meg, így a SR jelenség alkalmas néhány űridőjárási jelenség, pl. a napkitörések (flerek) földi légkörre gyakorolt hatásának a vizsgálatára. A zivatarok kialakulása meteorológiai tényezők függvénye, amelyek hosszabb távon a helyi éghajlatra jellemző előfordulási és intenzitás statisztikát mutatnak. Ebből adódóan a SR alkalmas az éghajlat jellemzésére egy sajátos vonatkozás, nevezetesen a légköri elektromosság nézőpontjából.
További információk:
Schumann-rezonancia a Wikipédiában
Bozóki Tamás: A Schumann-rezonancia mint kutatott jelenség és mint kutatási eszköz
Sátori Gabriella: Schumann-rezonancia, mint globális változások jelzőrendszere
A SR ábra értelmezése
Példa ábra:
Az ábrán angol nyelvű feliratok láthatók a nemzetközi bemutathatóság miatt.
Az ábra címe azonosítja a mérési helyet – itt a Jeli Arborétumot – valamint a bemutatott mérési adatok felvételének a napját (év-hónap-nap). Minden ábra egy napi regisztrátumot mutat be. A második sorban a mérőhely földrajzi koordinátái olvashatók.
Az ábrán három panel látható. A paneleken a vízszintes tengely közös és a világidőt tartalmazza (UTC). A világidő gyakorlatilag a greenwichi-i téli időnek felel meg. A Közép-Európai idő = UTC + 2 óra (nyári időszámítás alatt, március utolsó vasárnapjától október utolsó vasárnapjáig) vagy UTC + 1 óra (téli időszámítás alatt, október utolsó vasárnapjától március utolsó vasárnapjáig).
A felső panel egy ún. spektrogram. Ezen minden időponthoz (a vízszintes tengely) egy függőleges szín oszlop tartozik. A pontok az oszlop mentén a különböző frekvenciájú jelkomponensek erősségét jelzik színekkel a pirostól a kékig (az intenzívtől a gyengéig). Az ábrán a 0 Hz és a 45 Hz közötti jelkomponensek egymáshoz viszonyított erősségét lehet megítélni. A spektrogram vízszintes szín sorai azt mutatják, hogy egy adottfrekvenciájú jelkomponens erőssége hogyan változott a nap folyamán. Az ábrán a légköri mágneses tér földfelszínnel párhuzamos, azaz vízszintes irányú erőssége (intenzitása) látható. A Schumann-rezonanciák a környező frekvenciákhoz képest intenzívebb, vízszintes sávokként jelennek meg a spektrogramon 8 Hz, 14 Hz, 20 Hz-nél illetve 6 Hz-enként magasabb frekvenciákon is.
A középső és az alsó ábrán az első három Schumann-rezonancia (rezonancia módus) csúcsfrekvenciájának és a hozzátartozó jelintenzitásnak a napi változása látható. Egy adott időpontban a spektrum első három rezonanciacsúcsát és a hozzátartozó paraméterek jelentését az alábbi ábra mutatja.
A 0 Hz (statikus komponens) felé közeledve (egyre hosszabb periódusú hullámkomponensek) az ábra aljánál a jel intenzitása növekszik. Ez részben a mérési elektronika saját zaja (ún. 1/f típusú zaj), másrészt mesterséges eredetű külső zajok is okozzák, harmadrészt itt az inkább már geomágneses, nem villámoktól eredő természetes jel erőssége is növekszik.
A mért jelek megerősödései alkalmanként időszakosan tapasztalhatók, ilyenkor a spektrogramon több piros színt láthatunk. A színkód normál (elektromágnesesen nyugodt) körülmények mellett mutatja jól a SR frekvenciáknál a jelek kierősödését. Erősebb jeleknél ezekkel a beállításokkal a SR struktúra nem látszik jól, azonban ez nem jelent természeti katasztrófát. A természetes SR frekvenciák és intenzitások jelentős és tartós megváltozása nem jellemző. Jelerősödések előfordulhatnak (de nem feltétlen jelennek meg) pl. viszonylag közeli (párszáz km-en belüli) zivatartevékenység következtében is. A jelek kisebb megerősödése a nappali órákban természetes jelenség, amit a nappali ionoszféra alacsonyabban elhelyezkedő alsó határa okoz. Mesterséges és széles frekvenciatartományt lefedő zavarok oka lehet a mérés közelében működő elektromos motor vagy más berendezés, de elektromos gyújtógyertyával (szikrával) működő benzinmotor is. A mesterséges eredetű zavarok közös jellemzője, hogy hirtelen maradnak abba. Megjegyezzük, hogy a spektrogram 6 perces időfelbontásban készül és az egymás utáni adatsorok nem fednek át egymással. Egy órában ezért 10 szín oszlop jelenik meg és a 6 percnél rövidebb változásokat az ábra nem tudja megjeleníteni. Az ábrán fehér oszlopok vagy függőleges fehér sávok jelzik a rövidebb-hosszabb adatkimaradásokat. Ezek oka lehet pl. a mérőrendszer meghibásodása, de előfordulhat kimaradás az időjel (GPS) vételi problémája miatt is.
A középső és az alsó ábrán az első három Schumann-rezonancia (rezonancia módus) csúcsfrekvenciájának (alsó panel) és a hozzátartozó jelintenzitásoknak a napi változása látható.
Egy adott időpontban a spektrum első három rezonanciacsúcsát és a hozzátartozó paraméterek jelentését az alábbi ábra mutatja.
A SR frekvenciák változásának napi menete normál körülmények esetén (jelentősen nem változó ionoszféra, nincs közeli természetes vagy mesterséges zajforrás) jellemző az évszakra, és a különböző SR módusokban eltérő. A frekvenciák változását ilyenkor a Földön a zivatartevékenység eloszlásának természetes napi változása okozza, ahogy a zivataraktivitás általában követi a Nap földi talppontját. A Nap a különböző évszakokban különböző földrajzi szélességen mozog a ráktérítő és a baktérítő között, és eltérő arányban halad óceánok illetve szárazföldek fölött, ami a zivataraktivitás jellemző napi menetének módosulásában és így a SR napi frekvenciamenetekben is megjelenik.
A SR globális jelenség. Egyetlen helyi mérés alapján nem állapítható meg egyértelműen, hogy a jelek vagy a SR paraméterek valamely megváltozása globális vagy csak helyi változásokat tükröz. Ehhez a jeleket össze kell vetni más SR mérőállomások adataival. Pl. a Széchenyi István Geofizikai Obszervatórium (Nagycenk/Fertőboz), Tomsk, Cumiana, HeartMath
A Jeli SR mérésről
A SR mérést 2024 szeptemberében telepítették a HUN-REN Földfizikai és Űrtudományi Kutatóintézet Légkörfizikai kutatási egységének munkatársai a Jeli Arborétumba.
A mérőállomás létesítése az NKFIH OTKA K1338824. sz. projektje keretében történt. A projekt célja villámok extrém alacsonyfrekvenciás sugárzásán alapuló új módszerek kidolgozása a földközeli térség elektromos folyamatainak megismeréséhez.
A rádióhullámoknak elektromos és mágneses terük is van. A Jeli Arborétumban végzett előzetes felmérés alapján a SR jelenség az arborétumban a mágneses térben mérhető megbízhatóan. A Föld-ionoszféra hullámvezetőben terjedő alacsonyfrekvenciás jelek a légköri mágneses tér földfelszínnel párhuzamos (vízszintes, horizontális) komponensében észlelhetők a legjobban. A légköri elektromágneses tér elektromos komponensében a SR jelenséget a Nagycenk melletti Széchenyi István Geofizikai Obszervatóriumban folyó mérésekkel észlelik a kutatók, ott azonban a mágneses tér helyi zajossága miatt a mágneses SR mérések nem kiértékelhetők. A Jeli mágneses és a Nagycenk melletti elektromos SR mérések ezért egymást kiegészítik.
A mágneses teret vízszintesen elhelyezett, nagy menetszámú tekercsekkel észleljük, amelyek leginkább a tekercs tengelyének irányában érzékenyek a mágneses tér változásaira. A mágneses tér változása áramot indukál a tekercsekben. Minél nagyobb a menetszám, annál érzékenyebbek a tekercsek. Erre szükség is van, mert a Föld kvázi-állandó mágneses terénél a SR jelek több milliószor kisebbek.
A teljes horizontális mágneses teret két tekercs segítségével mérhetjük meg. A nyitó oldalon látható, rendszeresen frissülő ábrán a spektrogram a két tekercs jelének összegét, a vízszintes mágneses tér teljes intenzitását mutatja a különböző frekvenciájú hullámokra az idő függvényében.
A két tekercset az észak-déli és a kelet-nyugati irányokban tájolva helyeztük el néhány 10 cm-re a földfelszín alá, hogy óvjuk őket a rázkódástól amennyire lehetséges. A mérőrendszer nem is látható, csak az elektronikát tápláló napelem és az akkumulátorokat tartalmazó mérőláda van a föld felszíne felett.
Kérjük, hogy maradjanak a sétautakon és ne menjenek 100 m-nél közelebb a mérőállomáshoz, hogy az érzékeny mérés zavartalanul folyhasson és a tudományos munkához használható, jó minőségű felvételek készülhessenek. A mérés folyamatos.
Köszönjük megértésüket és együttműködésüket!
Köszönetnyilvánítás
Köszönjük a Szombathelyi Erdészet Zrt. támogatását és hogy helyet biztosítottak a méréshez a Jeli Arborétumban. A mérőhely kialakítása az NKFIH OTKA K138824. sz. projektjének keretében valósult meg.