Schumann resonances

The Schumann resonances (SR) are a set of spectral peaks in the extremely low frequency portion of the Earth's electromagnetic field spectrum. They are global electromagnetic resonances generated and excited by lightning discharges in the cavity formed by the Earth's surface and the ionosphere.^[1]

The global electromagnetic resonance phenomenon is named after physicist Winfried Otto Schumann, who predicted it mathematically in 1952. Schumann resonances are the principal background in the part of the electromagnetic spectrum^[2] from 3 Hz through 60 Hz^[3] and appear as distinct peaks at extremely low frequencies around 7.83 Hz (fundamental), 14.1, 20.3, 26.3, and 32.5 Hz.^[4] These correspond to wavelengths of 38000, 21000, 14000, 11000 and 9000 km.^[5]

Schumann resonances occur because the space between the surface of the Earth and the conductive ionosphere acts as a closed, although variable-sized, waveguide. The limited dimensions of the Earth cause this waveguide to act as a resonant cavity for electromagnetic waves in the extremely low frequency band. The cavity is naturally excited by electric currents in lightning.

In the normal mode descriptions of Schumann resonances, the fundamental mode is a standing wave in the Earth–ionosphere cavity with a wavelength equal to the circumference of the Earth. The lowest-frequency mode has the highest intensity, and the frequency of all modes can vary slightly owing to solar-induced perturbations to the ionosphere (which compress the upper wall of the closed cavity) amongst other factors. The higher resonance modes are spaced at approximately 6.5 Hz intervals (as may be seen by feeding numbers into the formula), a characteristic attributed to the atmosphere's spherical geometry. The peaks exhibit a spectral width of approximately 20% due to the damping of the respective modes in the dissipative cavity.

シューマン共鳴の観測は、地球規模の雷活動を追跡するために使用されてきました。雷活動と地球の気候との関連性から、シューマン共鳴は地球規模の気温変動や対流圏上部の水蒸気変動を監視するために使用できる可能性があると示唆されています。シューマン共鳴は地球の下部電離層を研究するために使用されており、天体の下部電離層を調査する1つの方法として提案されています。^{[ 6 ] [ 7 ]}他の惑星の雷は、それらの惑星のシューマン共鳴シグネチャによって検出および研究できる可能性があると提案している人もいます。^{[ 6 ] [ 7 ]}

シューマン共振への関心は、1993年にER ウィリアムズが共振周波数と熱帯の気温との相関関係を示し、共振が地球温暖化の監視に利用できる可能性を示唆したことで再び高まった。^{[ 6 ] [ 7 ]}地球物理学的調査では、シューマン共振は沖合の炭化水素鉱床の位置特定に利用されている。^{[ 8 ]}

1893年、ジョージ・フランシス・フィッツジェラルドは、大気の上層部がかなり良好な導体であるに違いないと指摘した。これらの層の高さが 地上約100kmであると仮定すると、振動（この場合はシューマン共鳴の最低次モード）の周期は0.1秒になると推定した。 ^{[ 9 ]}この貢献により、これらの共鳴を「シューマン・フィッツジェラルド共鳴」と改名することが提案されている。^{[ 10 ]}しかし、フィッツジェラルドの発見は、英国科学振興協会の会議で発表され、その後ネイチャー誌のコラムで簡単に触れられただけであったため、広く知られることはなかった。^{[ 11 ]}

電磁波を捕捉できる電離層が存在するという最初の提案は、ヘヴィサイドとケネリー（1902年）によるものとされている。 ^{[ 12 ] [ 13 ]}エドワード・アップルトンとバーネットが電離層の存在を実験的に証明できたのは、それからさらに20年後の1925年のことだった。 ^{[ 14 ]}

球状導波管を扱うための最も重要な数学的ツールのいくつかは1918 年にGN ワトソンによって開発されましたが^{[ 15 ]} 、地球-電離層導波管システムのグローバル共振の理論的側面を最初に研究したのはウィンフリート・オットー・シューマンであり、これは今日シューマン共振として知られています。1952～1954 年にシューマンはHL ケーニッヒとともに共振周波数の測定を試みました^{[ 16 ] [ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]}しかし、1960～1963 年にバルザーとワグナーが行った測定まで^{[ 20 ] [ 21 ] [ 22 ] [ 23 ] [ 24 ]}、背景ノイズから共振情報を抽出するための適切な解析技術は利用できませんでした。それ以来、さまざまな分野でシューマン共振への関心が高まっています。

雷放電はシューマン共振励起の主要な自然発生源と考えられており、雷放電路は100kHz以下の周波数で電磁エネルギーを放射する巨大なアンテナのように振る舞います。^{[ 25 ]}これらの信号は雷源から遠く離れると非常に弱くなりますが、地球-電離層導波管は極めて低い共振周波数で共振器のように振る舞います。^{[ 25 ]} 

理想的な空洞では、${\displaystyle n}$-th モード${\displaystyle f_{n}}$地球の半径によって決まる${\displaystyle a}$そして光の速度${\displaystyle c}$[ ^{16 ]​}

${\displaystyle f_{n}={\frac {c}{2\pi a}}{\sqrt {n(n+1)}}}$

実際の地球・電離層導波路は、完全な電磁共振空洞ではありません。電離層の電気伝導率が有限であるため、損失によって空洞内の電磁信号の伝搬速度が低下し、理想的な場合よりも低い共振周波数となり、観測されるピークは幅広くなります。さらに、電離層の高さの昼夜差、地球磁場の緯度方向の変化、電離層の突然の擾乱、極冠吸収、赤道から地理上の極までの地球半径の±11kmの変動 など、多くの水平方向の非対称性があり、シューマン共振パワースペクトルに他の影響をもたらします。

今日、シューマン共振は世界中の多くの独立した研究ステーションで記録されています。シューマン共振の測定に使用されるセンサーは、通常、磁場の南北成分と東西成分を測定するための2つの水平磁気誘導コイルと、電場の垂直成分を測定するための垂直電気双極子アンテナで構成されています。機器の典型的な通過帯域は3～100 Hzです。シューマン共振の電場振幅（約300マイクロボルト/メートル）は、大気中の静的な晴天時の電場（約150 V/m）よりもはるかに小さいです。^{[ 26 ]} 

同様に、シューマン共鳴磁場の振幅（約1ピコテスラ）は、地球の磁場（約30～50マイクロテスラ）よりも何桁も小さい。 ^{[ 26 ]}シューマン共鳴を検出および記録するには、特殊な受信機とアンテナが必要である。電気成分は、一般的に、1966年に小川らによって提案されたボールアンテナ^{[ 27 ]}を高インピーダンス増幅器に接続して測定する。磁気誘導コイルは通常、非常に高い透磁率のコアの周りに数万から数十万の巻線で構成されている。

シューマン共鳴のような現象の存在は、主に2つの要因によって左右される。

1. 導電性の下部境界と上部境界が絶縁媒体によって隔てられた、惑星サイズの楕円形の閉じた空洞。地球の場合、導電性の下部境界は地表であり、上部境界は電離層である。他の惑星も同様の電気伝導性の形状を持つ可能性があり、同様の共鳴挙動を示すと推測されている。
2. 極めて低い周波数帯域の電磁波を電気的に励起する発生源。

太陽系内には、地球の他に、シューマン共振の検出候補として金星、火星、木星、土星、そして土星最大の衛星タイタンの5つが存在する。太陽系の惑星や衛星におけるシューマン共振のモデリングは、導波管のパラメータに関する知識が不足しているため複雑である。現状では、その結果を検証するための現地観測能力は存在しない。

1998年の日本のサイバーパンクアニメシリーズ『シリアルエクスペリメンツ・レイン』では、この概念は人間の潜在意識と機械との間のグローバルなコミュニケーションを確立するための基礎となっている。

• サイマティクス
• ハム
• プラズマ（物理学）
• 放射エネルギー
• 地電流
• シューマン共鳴の陰謀論

一般的な参考文献

• NASA ADSデータベースの記事一覧|全文
• スプライト研究ビデオ：交流グローバル回路のシューマン共振は毎秒わずか8サイクルで振動する

ウェブサイト

• 「アイオワ州におけるシューマン共振の研究のための超低周波受信機の構築と展開」2023年1月27日にWayback Machineにアーカイブされたアントン・クルーガー著 ― アイオワ大学による図解豊富な研究
• グローバル・コヒーレンス・イニシアチブ（スペクトログラム・カレンダー）シューマン共鳴ライブデータ
• 宇宙観測システム（2024年11月9日、Wayback Machineにアーカイブ済み）シューマン共鳴ライブデータ
• シューマン共鳴の発見
• Dunning, Brian (2013年3月5日). 「Skeptoid #352: シューマン共鳴の事実と虚構」 . Skeptoid .

アニメーション

• シューマン共鳴アニメーション（NASAゴダード宇宙飛行センター提供、​​2022年12月4日アーカイブ、Wayback Machine保存）