Клейменова Н.Г. e-mail: kleimen@ifz.ru
Шумановские резонансы
Шумановские резонансы это естественные электромагнитные колебания, возбуждающиеся в концентрической сферической полости, ограниченной поверхностью Земли и нижней ионосферой. На возможность возникновения глобальных резонансов впервые указал Шуман в 1952 г.. Он рассчитал спектр собственных частот сферического резонатора Земля-ионосфера в предположении идеальной проводимости его стенок и отметил, что источником волн являются грозовые разряды, которых на земном шаре наблюдается порядка 100 в каждую секунду. Такой резонатор характеризуется двумя геометрическими параметрами - радиусом Земли и высотой ионосферы. С учетом конечной проводимости стенок и влияния магнитного поля Земли значения резонансных частот несколько изменяются и, как показали многочисленные наблюдения, отмечаются на частотах порядка 8, 14, 20, и 26 Гц.
Шумановские резонансы - это стабильные, достаточно длительные , глобальные колебания, представляющие собой типичный естественный дневной фон биосферы. Интерес к этим колебаниям обусловлен тем, что их частоты попадают в диапазон собственных колебаний биотоков мозга: альфа-ритма (8-13 Гц) и бета-ритма (13-30 Гц) и поэтому могут быть биологически значимыми. Такая идея развивается в работе недавно умершего биолога Нейла Черри (слайд 1). На этом же слайде приведена ссылка на последнюю, вышедшую в Японии монографию А.П. Николаенко, посвященную анализу особенностей возбуждения и распространения шумановских резонансов. Ранее характеристики шумановских резонансов обсуждались в монографии: Блиох П.В., Николаенко А.П., Филиппов Ю.Ф. "Глобальные электромагнитные резонансы в полости Земля-ионосфера", Киев: Наукова Думка, 1977. Наблюдения показали [Владимиров, Клейменова, Изв.АН СССР. 1962], что граница между шумановскими резонансами и геомагнитными пульсациями приходится на полосу частот 3-5 Гц.
Слайд 2 демонстрирует пример типичного спектрального распределения горизонтальной компоненты магнитного поля шумановских резонансов по наблюдениям в Карелии. Четко видны резонансные пики, надежность которых возрастает с увеличением времени экспозиции (цифры справа от кривых). На слайде 3 приведены спектры (относительные единицы) колебаний, наблюдавшихся в авроральных (обс. Тикси и Ловозеро) и низких (обс. Гарм) широтах. Четко видно возрастание амплитуд с уменьшением широты.
Амплитуды шумановских резонансов не велики и составляют в средних широтах единицы пикотесла, а в низких могут увеличиваться до первых десятков пикатесла.
Электромагнитная энергия шумановских резонансов связана главным образом с излучением вертикальных грозовых разрядов (разряды облако-земля и внутриоблачные разряды). Молния представляет собой кратковременный электрический разряд, длина которого обычно составляет несколько км. В умеренных широтах высота грозового облака составляет 8-12 км, а в тропических районах наблюдаются грозовые облака, вершина которых достигает 20 км. Верхняя часть грозового облака несет, как правило, отрицательный электрический заряд, а нижняя - положительный. Молния обычно состоит из двух частей. Начинается она лидером, который движется вниз по пути наибольшей напряженности. После того, как лидер достигнет земли, происходит главный пробой промежутка облако-земля - возвратный разряд, движущийся вверх по ионизированному столбу с высокой скоростью (0.1-0.3 скорости света).
Если при грозовом разряде промежуток облако-земля пробивается только один раз, то такой разряд называют коротким. Такие разряды наблюдаются относительно редко и составляют 15-20% всех вертикальных разрядов. Как правило. Возвратный разряд состоит из нескольких последовательных пробоев длительностью около 100 мкс со средним интервалом порядка 40 мкс. Средний пиковый ток каждого из пробоев составляет 20 кА.
Энергия отдельных молний может сильно отличатся друг от друга. Не вся энергия молниевого разряда переходит в излучение. Большая часть её тратится на ионизацию и разогрев плазмы канала, часть идет на омические потери в земле, часть на возбуждение ударных звуковых волн (гром) и световых излучений.
Грозовые разряды тесно связаны с климатическими и погодными условиями. При одинаковых погодных условиях имеется ряд географических особенностей, благоприятных для концентрации грозовых разрядов, например, горные хребты, вытянутые определенным образом относительно направления господствующих ветров, широкие влажные речные долины, а также группы островов в океане.
Области экстремально большой грозовой активности (свыше 2500 разрядов на 100 кв. км в год) называют мировыми грозовыми центрами. Для сравнения в областях повышенной грозовой активности, например, на юге Европы это число в среднем составляет 350-400. Выделяются следующие мировые центры гроз - Центральная Африка (4000-5000 разрядов на 100 кв. км в год), Южная и Центральная Америка (3000-3500 разрядов) и Юго-Восточная Азия (5000-5500 разрядов). На слайде 4 показана зависимость активности африканского, азиатского и американского мировых грозовых центров от мирового времени (UT).
Наблюдения выявили наличие регулярных суточных (около 5% относительно средних значений) вариаций резонансных частот, амплитуд и добротности. Одной из причин этих вариаций является зависимость формы спектра от углового расстояния между приемником и источником. Так, например, для угла 90 в спектре подавляются нечетные моды. Реальный резонатор Земля-ионосфера возбуждается не одним источником, а множеством грозовых разрядов, пространственное расположение которых меняется в течение суток. Суточные вариации расстояния источник-приемник приводят к регулярным изменениям спектров резонансных колебаний.
Параметры ионосферы на дневном и ночном полушариях сильно различаются, однако эта асимметрия сама по себе не может вызвать изменения резонансных частот в течение суток, так как неоднородное распределение ионосферной плазмы в целом, в масштабах всей Земли, в течение суток остается постоянным. Ситуация существенно изменится, если одновременно учесть как неоднородность ионосферы "день-ночь", так и эксцентриситет геомагнитного поля, т.е. смещение оси магнитного диполя относительно оси вращения Земли, что проявляется синфазно (в мировом времени) на всей поверхности Земли.
На слайде 5 показан типичный суточный ход амплитуд (левые графики) и частоты первого резонансного тона (Венгрия) в январе и декабре 1994-1997г.г. Четко видна стабильность суточного хода пиковой частоты в разные годы. На слайде 6 приведен пример суточных вариаций амплитуд и частот четырех первых тонов шумановских резонансов в г. Томске в январе 2004 г. Видно, что максимальные вариации частоты не превышают 0.5 Гц. Заметим, что приведенные на слайде 2 спектры свидетельствуют о относительно широкой частотной полосе (даже на уровне 0.7 это порядка 2 Гц). Слайд 7 показывает типичные динамические спектры трех первых резонансных тонов (Карелия) в Нх и Ну компонентах поля. Видно, что максимум в Нх обусловлен африканской грозовой активностью, а в Ну – грозовой активностью мировых центров Азии и Америки.
Слайд 8 взят из работы Н.Черри. На нем приведены суточные вариации интенсивности 0-20 Гц (с максимумом на центральной частоте 8 Гц) в Калифорнии и вариации Кр в марте 1999 г. Виден четкий суточный ход интенсивности колебаний. По мнению автора, корреляция 3-х часовых осредненных данных показывает 6-ти часовую задержку с коэф корреляции 0.312, что может быть подтверждением связи вариаций амплитуд волн с геомагнитной активностью. Однако, этот вывод скорее подтверждает отсутствие такой связи.

Neil Cherry развивает следующую гипотезу.
Известно, что стабильность биологических (особенно циркадных) ритмов живых организмов во многом определяется мелатонин/серотонин (М/С) балансом, который влияет на все функции и органы, включая кровяное давление, дыхательную, имунную, сердечно-сосудистую и нервную системы. Мелатонин оказывает непосредственное влияние на имунную систему благодаря наличию специфических клеточных рецепторов [например, Poon et al., 1994; Currrier et al., 2000]. Уменьшение мелотонина способствует развитию сердечно-сосудистых и нервологических заболеваний [Reiter and Robinson, 1995]. Основным биологическим механизмом влияния солнечно-геомагнитной активности на живые организмы, по мнению Н.Черри, является детектирование мозгом шумановских резонансов, которые нелинейно взаимодействуют с осциллирующими в том же диапазоне частот ионами кальция в нейронах, изменяя уровень мелатонина и М/С баланс. На слайде 9 приведены два графика из работы Черри, подтверждающие возможную биоэффективность шумановских резонансов