Ce este și cum se măsoară rezonanţa Schumann? Posibile explicații științifice pentru un fenomen bizar

Rezonanța Schumann este un fenomen care apare la nivel global și care și-a primit numele după descoperitorul său, fizicianul de origine germană Winfried Otto Schumann (20 mai 1888 – 22 septembrie 1974).

Potrivit calculelor efectuate de Schumann, straniul fenomen este generat de o serie de rezonanțe de frecvență joasă, cauzate de descărcările electrice din atmosferă. Fulgerele produc valuri de unde sonore care înconjoară suprafața planetei. 

Propagarea undelor este posibilă datorită faptului că spațiul dintre suprafața Pământului și ionosferă (stratul superior al atmosferei) acționează ca o „cameră închisă” capabilă să susțină undele electromagnetice perioade mari de timp (asemeni unor ecouri).

Ce este rezonanța Schumann?

Rezonanța Schumann este un fenomen fizic deosebit de complex care și astăzi, la câteva decenii de la descoperirea lui, încă ridică numeroase semne de întrebare în interiorul comunității științifice. 

O descriere simplificată a fenomenului ar fi aceasta: rezonanța Schumann este un set de frecvențe joase care apar ca rezultat al propagării undelor electromagnetice în ionosfera inferioară a Pământului. 

Frecvențele, create de furtuni și descărcările electrice, variază de la 7,83 Hz (o frecvență specifică care mai este cunoscută și ca „ritmul inimii Pământului”), până la 33,8 Hz. 

În ultimele decenii, efectul undelor Schumann a fost intens studiat în încercarea de a explica ciudatele efecte ale acestor frecvențe asupra planetei, precum și asupra oamenilor și animalelor.

Scurt istoric

În 1893, George Francis FitzGerald – academician și fizician irlandez care a ocupat funcția de profesor de filosofie naturală și experimentală la Trinity College din Dublin, din 1881 până în 1901 – a descoperit că straturile superioare ale atmosferei sunt bune conducătoare a undelor electromagnetice. 

Presupunând că aceste straturi se află la aproximativ 100 km deasupra nivelului solului, FitzGerald a estimat că oscilațiile produse de undele electromagnetice (care în acest caz generează frecvențe reduse specifice rezonanțelor Schumann) ar avea o perioadă de 0,1 secunde. 

Însă descoperirile lui FitzGerald nu au fost recunoscute pe scară largă. Majoritatea conferințelor la care FitzGerald a participat s-au desfășurat în cadru restrâns sub patronajul Asociației Britanice pentru Avansarea Științei iar, mai apoi, au fost urmate de o simplă mențiune într-un număr al revistei Nature.

Prin urmare, descoperirea unei ionosfere capabilă să reflecte unde electromagnetice, este atribuită matematicianului și fizicianului englez Oliver Heaviside (18 mai 1850 – 3 februarie 1925) și inginerului de origine indiană Arthur E. Kennelly (17 decembrie 1861 – 18 iunie 1939). 

Au fost însă nevoie de încă douăzeci de ani pentru ca, în 1925, Edward Appleton și Barnett, să demonstreze experimental existența ionosferei.

Deși unele dintre cele mai importante instrumente matematice pentru analiza undelor sferice au fost dezvoltate de G. N. Watson în 1918, Winfried Otto Schumann a fost cel care a studiat mai întâi aspectele teoretice ale sistemului de unde electromagnetice pământ/ionosferă, cunoscut astăzi sub numele de rezonanță Schumann. 

În 1952-1954, Schumann, împreună cu H. L. König, au încercat să măsoare frecvențele de rezonanță. Cu toate acestea, abia după măsurătorile făcute de Balser și Wagner în 1960-1963 au fost disponibile tehnici de analiză adecvate pentru a separa și extrage datele relevante din multitudinea de interferențe din ionosferă.

Cum este măsurată rezonanța Schumann

Rezonanțe de tip Schumann sunt înregistrate permanent de toate stațiile de cercetare meteorologică, și nu numai, din întreaga lume. 

Însă, până de curând, măsurarea cu exactitate a frecvențelor Schumann a reprezentat o misiune imposibilă. 

Astăzi, stațiile de cercetare analizează și măsoară undele câmpului electromagnetic de la nord la sud și de la vest la est folosindu-se de senzori moderni capabili să identifice și să izoleze unde electromagnetice cu frecvențe cuprinse între 3 și 100 Hz.

Deoarece amplitudinea câmpului electric de rezonanță Schumann (~300 microvolți pe metru) este mult mai mică decât amplitudinea câmpului electric static pe vreme bună (~150 V/m) din atmosferă și cu multe ordine de magnitudine mai mică decât câmpul magnetic al Pământului (~30-50 microtesla), pentru a înregistra rezonanțele Schumann este nevoie de receptoare și antene specializate.

Legătura cu fronturile de furtună

De la începutul cercetărilor s-a bănuit că ar exista o legătură între rezonanța Schumann și fronturile atmosferice de furtună de pe glob.

În orice moment, pe glob se produc aproximativ 2.000 de furtuni, care la rândul lor product aproximativ 50 de descărcări electrice pe secundă. S-a demonstrat că aceste fronturi de furtună sunt strâns legate de apariția undelor de rezonanță Schumann.

Variații între zi și noapte

Printre cele mai documentate și dezbătute trăsături ale fenomenului de rezonanță Schumann se regăsesc variațiile diurne/nocturne (sau diferențele dintre zi și noapte) ale spectrului de putere Schumann.

Interesant este că tocmai aceste diferențe sunt cele care au deschis drumul studiului descărcărilor electrice de pe glob. 

De exemplu, o rezonanță Schumann înregistrată în timpul zilei reflectă atât proprietățile descărcării electrice, cât caracteristici ale zonei de pe glob unde aceasta s-a produs. Câmpul electric vertical este independent de locația sursei în raport cu observatorul și, prin urmare, permite identificarea și măsurarea fulgerelor la nivel global. 

Citește și: Ce este Efectul Mandela? Teorii intrigante dar și posibile explicații științifice

Comportamentul diurn al câmpului electric vertical arată trei maxime distincte, asociate cu cele trei „puncte fierbinți” ale activității fulgerelor planetare. Maximele apar întotdeauna în același interval orar, astfel: 

– Ora 9:00 UTC (Coordinated Universal Time), în legătură directă cu activității furtunilor din Asia de Sud-Est;

– Ora 14:00 UTC, pentru activitățile atmosferice din Africa de Sud;

– Ora 20:00 UTC, pentru apogeul descărcărilor electrice din America de Sud. 

Maximele variază de-a lungul anului în funcție de variațiile sezoniere ale fronturilor de furtună care generează respectivele descărcări electrice.

Un clasament al punctelor fierbinți

În general, vârful african este cel mai puternic, reflectând contribuția majoră a așa numitului „horn” african la activitatea atmosferică globală. 

Clasamentul celorlalte două vârfuri – asiatic și american – este subiectul unei dispute aprige între specialiștii în rezonanță Schumann.

Curios este că observațiile efectuate în cadrul centrelor de cercetare meteorologică din Europa arată o contribuție mai mare din Asia decât din America de Sud, în timp ce observațiile făcute de centrele din America de Nord indică America de Sud ca și contribuție dominantă.

Cercetătorii și autorii E.R. Williams și G. Sátori sugerează că, pentru a obține o ierarhizare corectă a „punctelor fierbinți” din Asia și America de Sud, este necesară înlăturarea influenței variațiilor zi/noapte din ecuațiile undelor Schumann. 

Rezultatul analizelor efectuate de către cei doi cercetători a fost unul neașteptat. Calculele „corectate” din cercetarea publicată ulterior de Sátori, arată că, deși asimetria zi/noapte a fost înlăturată din ecuație, contribuția asiatică a rămas, în continuare, mai mare decât cea americană.

Rezultate similare a obținut și O. Pechony care a calculat intensitatea câmpurilor de rezonanță Schumann folosind date furnizate de sateliți. 

Însă concluziile oferite de Pechony au fost intens disputate din prisma faptului că sateliții măsoară, în mod predominant, caracteristicile descărcărilor electrice din interiorul norilor și nu ale fulgerelor îndreptate către sol, care sunt excitatorii primari ai rezonanțelor. 

Citește și: Cum influențează rezonanța Schumann comportamentul uman

Ambele simulări – cele care ignoră asimetria zi/noapte și cele care țin cont de această asimetrie – au arătat același clasament al „punctelor fierbinți” din Asia și America de Sud. 

Pe de altă parte, datele parvenite de la sateliți și cele din centrele de cercetare climatologică sugerează că centrul furtunii din America de Sud este mai puternic decât centrul asiatic.

Motivul disparității dintre clasamentele „punctelor fierbinți” din Asia și cele din America de Sud rămâne, în continuare, un mister.

Rezonanțe similare pe alte planete și luni

Existența rezonanțelor de tip Schumann este condiționată în primul rând de doi factori:

1. O cavitate elipsoidală, de dimensiune planetară, cu limitele inferioare și superioare conducătoare, separate de un mediu izolator. Pentru Pământ, limita inferioară conducătoare este suprafața sa, iar limita superioară este ionosfera. Alte planete pot avea o geometrie similară a conductivității electrice, așa că se speculează că ar trebui să aibă un comportament rezonant similar.
2. O sursă de excitație electrică a undelor electromagnetice. În cazul Terrei, această sursă este dată de descărcările electrice.

În sistemul solar, în afară de planeta noastră, mai există cinci corpuri cerești pe care ar putea exista unde electromagnetice de tip Schumann: Venus, Marte, Jupiter, Saturn și cea mai mare lună a lui Saturn, Titan. 

Venus

Cea mai puternică dovadă a existenței fulgerelor pe Venus provine din undele electromagnetice detectate de sondele spațiale Venera 11 și Venera 12. 

Primele calcule teoretice ale rezonanțelor Schumann de pe Venus au fost făcute în 1982 de Nikolaenko și Rabinowicz, iar rezultatele obținute de cei doi fizicieni au fost demonstrate și mai târziu, în 2004, de Pechony și Price. 

Ambele ecuații au dat rezultate identice, indicând că unde electromagnetice de tip Schumann ar trebui să fie ușor de detectat pe acea planetă, Venus întrunind toate cerințele ca astfel de semnale să se poată propaga.

Marte

În cazul lui Marte, sondele de cercetare trimise pe această planetă au detectat unde electromagnetice de joasă intensitate care au fost asociate cu cele de tip Schumann. Însă nu există o relație directă între aceste unde sonore secundare și rezonanțele Schumann, așa cum sunt ele înregistrate pe Pământ.

Există însă posibilitatea ca viitoarele misiuni pe Marte să implice și instalarea unor senzori speciali care să studieze, mai bine, undele electromagnetice de pe această planetă.

Citește și: Misterul exploziei din Tunguska. Incredibilele descoperiri ale lui Leonid Kulik

Un lucru este însă cert: pe Marte există activitate atmosferă propice formării fulgerelor. Această teorie a fost demonstrată de mai mulți oameni de știință, printre care îi amintim pe H. F. Eden și B. Vonnegut (1973), A. I. Sukhorukov (1991), O. Pechony și C. Price (2004), G. J. Molina (2006) și C. Ruf (2009).

Titan

Cel mai mare satelit al planetei Saturn, Titan, reprezintă un caz mai aparte. Până recent, s-a crezut că atmosfera uriașului satelit este brăzdată de fulgere uriașe, generate de furtuni stratosferice extrem de violente.

Însă datele înregistrate de sonda Cassini-Huygens în anul 2005 contrazic ceea ce oamenii de știință credeau despre atmosfera de pe Titan. Sonda Cassini-Huygens a efectuat zeci de zboruri în atmosfera lui Titan fără a detecta însă nici descărcări electrice și nici furtuni.

Cu toate acestea, datele trimise de sondă către centrul NASA au indicat existența unor unde electromagnetice de tip Schumann.

Prin urmare, oamenii de știință au propus o altă sursă de excitație electrică: mișcarea curenților ionosferici rezultați din apropierea de gigantul Saturn.

Jupiter și Saturn

Jupiter și Saturn rămân cele mai misterioase planete ale sistemului solar. 

Existența furtunilor și a fulgerelor pe Saturn a fost prezisă de A. Bar-Nun în 1975 și este acum susținută de date de la sondele Galileo, Voyagers 1, Voyagers 2, Pioneers 10, Pioneers 11 și Cassini. 

Deși primele trei sonde spațiale care au vizitat planeta (Pioneer 11 în 1979, Voyager 1 în 1980 și Voyager 2 în 1981) n-au reușit să ofere nicio dovadă convingătoare a descărcărilor electrice în straturile superioare ale atmosferei gigantului gazos, în iulie 2012, sonda spațială Cassini a detectat fulgere vizibile.

Până în prezent, a existat o singură încercare de a modela rezonanțe Schumann pe Jupiter. Aici, profilul de conductivitate electrică din atmosfera gazoasă a lui Jupiter a fost calculat folosind metode similare cu cele utilizate pentru modelarea interioarelor stelare și s-a subliniat că aceleași metode ar putea fi ușor extinse și la ceilalți giganți gazoși Saturn, Uranus și Neptun.