Schumann-Resonanz

Räumliche Ausdehnung ⓘ

Spektrale Verteilung ⓘ

Als Schumann-Resonanz (benannt nach dem deutschen Physiker und Elektroingenieur Winfried Otto Schumann) bezeichnet man das Phänomen, dass elektromagnetische Wellen bestimmter Frequenzen entlang des Umfangs der Erde stehende Wellen bilden. Die ausreichend leitfähige Erdoberfläche (größtenteils Salzwasser) und die gut leitfähige Ionosphäre darüber begrenzen einen kugelschalenförmigen Hohlraumresonator, aus dessen Abmessungen sich mögliche Resonanzfrequenzen berechnen lassen. Diese können durch Blitze angeregt werden, sind aber von so geringer Amplitude, dass sie nur mit sehr empfindlichen Instrumenten nachgewiesen werden können. ⓘ

Animation der Schumann-Resonanz in der Erdatmosphäre. ⓘ

Diagramm der Schumann-Resonanzen in der Erdatmosphäre ⓘ

Die Schumann-Resonanzen (SR) sind eine Reihe von Spektrumsspitzen im extrem niederfrequenten (ELF) Teil des elektromagnetischen Feldspektrums der Erde. Schumann-Resonanzen sind globale elektromagnetische Resonanzen, die durch Blitzentladungen in dem von der Erdoberfläche und der Ionosphäre gebildeten Hohlraum erzeugt und angeregt werden. ⓘ

Beschreibung

Dieses globale elektromagnetische Resonanzphänomen ist nach dem Physiker Winfried Otto Schumann benannt, der es 1952 mathematisch vorhersagte. Schumann-Resonanzen treten auf, weil der Raum zwischen der Erdoberfläche und der leitfähigen Ionosphäre wie ein geschlossener, wenn auch veränderlicher Wellenleiter wirkt. Die begrenzten Abmessungen der Erde bewirken, dass dieser Wellenleiter als Resonanzraum für elektromagnetische Wellen im ELF-Band wirkt. Der Hohlraum wird auf natürliche Weise durch elektrische Ströme in Blitzen angeregt. Schumann-Resonanzen sind der wichtigste Hintergrund in dem Teil des elektromagnetischen Spektrums von 3 Hz bis 60 Hz und treten als deutliche Spitzen bei extrem niedrigen Frequenzen (ELF) um 7,83 Hz (Grundton), 14,3, 20,8, 27,3 und 33,8 Hz auf. ⓘ

Bei der Beschreibung von Schumann-Resonanzen als Normalmode ist die Grundmode eine stehende Welle im Hohlraum zwischen Erde und Ionosphäre mit einer Wellenlänge, die dem Erdumfang entspricht. Der Modus mit der niedrigsten Frequenz hat die höchste Intensität, und die Frequenz aller Modi kann unter anderem aufgrund von sonnenbedingten Störungen der Ionosphäre (die die obere Wand des geschlossenen Hohlraums zusammendrücken) leicht variieren. Die höheren Resonanzmoden liegen in Abständen von etwa 6,5 Hz (wie durch Einsetzen von Zahlen in die Formel ersichtlich), ein Merkmal, das auf die kugelförmige Geometrie der Atmosphäre zurückzuführen ist. Die Spitzen weisen eine spektrale Breite von etwa 20 % auf, was auf die Dämpfung der jeweiligen Moden im dissipativen Hohlraum zurückzuführen ist. ⓘ

Die Beobachtung von Schumann-Resonanzen wurde genutzt, um die globale Blitzaktivität zu verfolgen. Aufgrund des Zusammenhangs zwischen der Blitzaktivität und dem Erdklima wurde vorgeschlagen, dass sie auch zur Überwachung der globalen Temperaturschwankungen und der Schwankungen des Wasserdampfs in der oberen Troposphäre verwendet werden könnten. Es wurde spekuliert, dass auch extraterrestrische Blitze (auf anderen Planeten) mit Hilfe ihrer Schumann-Resonanzsignaturen entdeckt und untersucht werden können. Schumann-Resonanzen wurden zur Untersuchung der unteren Ionosphäre auf der Erde verwendet, und es wurde vorgeschlagen, sie auch zur Erforschung der unteren Ionosphäre auf Himmelskörpern zu verwenden. Auswirkungen auf Schumann-Resonanzen wurden nach geomagnetischen und ionosphärischen Störungen berichtet. In jüngerer Zeit wurden diskrete Schumann-Resonanz-Anregungen mit vorübergehenden leuchtenden Ereignissen in Verbindung gebracht - Sprites, ELVES, Jets und andere Blitze in der oberen Atmosphäre. Ein neuer Bereich, in dem Schumann-Resonanzen zum Einsatz kommen, ist die Vorhersage kurzfristiger Erdbeben. Das Interesse an Schumann-Resonanzen wurde 1993 erneut geweckt, als E. R. Williams eine Korrelation zwischen der Resonanzfrequenz und den tropischen Lufttemperaturen nachwies, was darauf hindeutet, dass die Resonanz zur Überwachung der globalen Erwärmung genutzt werden könnte. Bei geophysikalischen Untersuchungen werden Schumann-Resonanzen zur Lokalisierung von Kohlenwasserstoffvorkommen vor der Küste eingesetzt. ⓘ

Geschichte

Im Jahr 1893 stellte George Francis FitzGerald fest, dass die oberen Schichten der Atmosphäre ziemlich gute Leiter sein müssen. Unter der Annahme, dass die Höhe dieser Schichten etwa 100 km über dem Boden beträgt, schätzte er, dass die Schwingungen (in diesem Fall die unterste Mode der Schumann-Resonanzen) eine Periode von 0,1 Sekunden haben. Aufgrund dieses Beitrags wurde vorgeschlagen, diese Resonanzen in "Schumann-FitzGerald-Resonanzen" umzubenennen. FitzGeralds Ergebnisse waren jedoch nicht allgemein bekannt, da sie nur auf einer Tagung der British Association for the Advancement of Science vorgestellt wurden, gefolgt von einer kurzen Erwähnung in einer Spalte in Nature. ⓘ

Der erste Hinweis auf die Existenz einer Ionosphäre, die in der Lage ist, elektromagnetische Wellen einzufangen, wird Heaviside und Kennelly (1902) zugeschrieben. Es dauerte weitere zwanzig Jahre, bis Edward Appleton und Barnett 1925 die Existenz der Ionosphäre experimentell nachweisen konnten. ⓘ

Obwohl einige der wichtigsten mathematischen Werkzeuge für den Umgang mit kugelförmigen Wellenleitern von G. N. Watson im Jahr 1918 entwickelt wurden, war es Winfried Otto Schumann, der als erster die theoretischen Aspekte der globalen Resonanzen des Erd-Ionosphären-Wellenleitersystems untersuchte, die heute als Schumann-Resonanzen bekannt sind. In den Jahren 1952-1954 unternahm Schumann zusammen mit H. L. König den Versuch, die Resonanzfrequenzen zu messen. Doch erst mit den Messungen von Balser und Wagner in den Jahren 1960-1963 standen geeignete Analysetechniken zur Verfügung, um die Resonanzinformationen aus dem Hintergrundrauschen zu extrahieren. Seitdem hat das Interesse an Schumann-Resonanzen in den verschiedensten Bereichen zugenommen. ⓘ

Grundlegende Theorie

Blitzentladungen gelten als die wichtigste natürliche Quelle für die Anregung von Schumann-Resonanzen; Blitzkanäle verhalten sich wie riesige Antennen, die elektromagnetische Energie bei Frequenzen unterhalb von etwa 100 kHz ausstrahlen. Diese Signale sind in großer Entfernung von der Blitzquelle sehr schwach, aber der Wellenleiter zwischen Erde und Ionosphäre verhält sich bei ELF-Frequenzen wie ein Resonator und verstärkt die Spektralsignale von Blitzen bei den Resonanzfrequenzen. ⓘ

In einem idealen Hohlraum ist die Resonanzfrequenz des $n$-ten Modus $f_{n}$ bestimmt durch den Erdradius $a$ und die Lichtgeschwindigkeit $c$. ⓘ

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

Der reale Erd-Ionosphären-Wellenleiter ist kein perfekter elektromagnetischer Resonanzraum. Verluste aufgrund der begrenzten elektrischen Leitfähigkeit der Ionosphäre verringern die Ausbreitungsgeschwindigkeit der elektromagnetischen Signale im Hohlraum, was zu einer Resonanzfrequenz führt, die niedriger ist als im Idealfall zu erwarten wäre, und die beobachteten Spitzen sind breit. Darüber hinaus gibt es eine Reihe von horizontalen Asymmetrien - Tag-Nacht-Unterschiede in der Höhe der Ionosphäre, Breitenänderungen des Erdmagnetfeldes, plötzliche Störungen in der Ionosphäre, Absorption durch die Polkappen, Schwankungen des Erdradius von ± 11 km vom Äquator zu den geografischen Polen usw. -, die weitere Effekte in den Leistungsspektren der Schumann-Resonanz hervorrufen. ⓘ

Messungen

Schumann-Resonanzen werden heute an vielen verschiedenen Forschungsstationen in der ganzen Welt aufgezeichnet. Die zur Messung von Schumann-Resonanzen verwendeten Sensoren bestehen in der Regel aus zwei horizontalen magnetischen Induktionsspulen zur Messung der Nord-Süd- und Ost-West-Komponenten des Magnetfeldes und einer vertikalen elektrischen Dipolantenne zur Messung der vertikalen Komponente des elektrischen Feldes. Ein typischer Durchlassbereich der Instrumente ist 3-100 Hz. Die Amplitude des elektrischen Schumann-Resonanzfeldes (~300 Mikrovolt pro Meter) ist viel kleiner als das statische elektrische Schönwetterfeld (~150 V/m) in der Atmosphäre. Ebenso ist die Amplitude des Schumann-Resonanz-Magnetfeldes (~1 Pikotesla) um viele Größenordnungen kleiner als das Magnetfeld der Erde (~30-50 Mikrotesla). Um Schumann-Resonanzen aufzuspüren und aufzuzeichnen, werden spezielle Empfänger und Antennen benötigt. Die elektrische Komponente wird üblicherweise mit einer Kugelantenne gemessen, die 1966 von Ogawa et al. vorgeschlagen wurde und an einen Hochimpedanzverstärker angeschlossen ist. Die magnetischen Induktionsspulen bestehen in der Regel aus zehn- bis hunderttausenden von Drahtwindungen, die um einen Kern mit sehr hoher magnetischer Permeabilität gewickelt sind. ⓘ

Abhängigkeit von der globalen Blitzaktivität

Seit den Anfängen der Schumann-Resonanzstudien war bekannt, dass sie zur Überwachung der weltweiten Blitzaktivität eingesetzt werden können. Zu jeder Zeit gibt es rund um den Globus etwa 2000 Gewitterstürme. Diese Gewitter, die etwa fünfzig Blitze pro Sekunde erzeugen, stehen in direktem Zusammenhang mit dem Schumann-Resonanzsignal im Hintergrund. ⓘ

Die Bestimmung der räumlichen Blitzverteilung aus Schumann-Resonanz-Aufzeichnungen ist ein komplexes Problem: Um die Blitzintensität aus Schumann-Resonanz-Aufzeichnungen abzuschätzen, müssen sowohl die Entfernung zu den Blitzquellen als auch die Wellenausbreitung zwischen der Quelle und dem Beobachter berücksichtigt werden. Ein gängiger Ansatz besteht darin, eine vorläufige Annahme über die räumliche Verteilung der Blitze zu treffen, die auf den bekannten Eigenschaften der Blitzklimatologie beruht. Ein alternativer Ansatz ist die Platzierung des Empfängers am Nord- oder Südpol, die während des Tages ungefähr gleich weit von den Hauptgewitterzentren entfernt sind. Eine Methode, die keine vorläufigen Annahmen über die Blitzverteilung erfordert, basiert auf der Zerlegung der durchschnittlichen Hintergrund-Schumann-Resonanzspektren unter Verwendung von Verhältnissen zwischen den durchschnittlichen elektrischen und magnetischen Spektren und zwischen deren linearer Kombination. Bei diesem Verfahren wird davon ausgegangen, dass der Hohlraum sphärisch symmetrisch ist, so dass die bekannten Hohlraumasymmetrien, von denen angenommen wird, dass sie die Resonanz- und Ausbreitungseigenschaften der elektromagnetischen Wellen im System beeinflussen, nicht berücksichtigt werden. ⓘ

Tageszeitliche Schwankungen

Die am besten dokumentierten und am meisten diskutierten Merkmale des Schumann-Resonanz-Phänomens sind die tageszeitlichen Schwankungen des Schumann-Resonanz-Leistungsspektrums im Hintergrund. ⓘ

Eine charakteristische Schumann-Resonanz-Tagesaufzeichnung spiegelt die Eigenschaften sowohl der globalen Blitzaktivität als auch des Zustands des Erd-Ionosphären-Hohlraums zwischen der Quellregion und dem Beobachter wider. Das vertikale elektrische Feld ist unabhängig von der Richtung der Quelle relativ zum Beobachter und daher ein Maß für die globale Blitzaktivität. Das tageszeitliche Verhalten des vertikalen elektrischen Feldes zeigt drei ausgeprägte Maxima, die mit den drei "Hot Spots" der planetarischen Blitzaktivität in Verbindung stehen: eines um 9 UT (Universal Time), das mit der täglichen Spitze der Gewitteraktivität in Südostasien verbunden ist; eines um 14 UT, das mit der Spitze der afrikanischen Blitzaktivität verbunden ist; und eines um 20 UT, das mit der Spitze der südamerikanischen Blitzaktivität verbunden ist. Der Zeitpunkt und die Amplitude der Spitzenwerte variieren im Laufe des Jahres und hängen mit den saisonalen Veränderungen der Blitzaktivität zusammen. ⓘ

Rangfolge der "Schornsteine"

Im Allgemeinen ist der afrikanische Peak der stärkste, was den großen Beitrag des afrikanischen "Schornsteins" zur globalen Blitzaktivität widerspiegelt. Die Rangfolge der beiden anderen Spitzen - der asiatischen und der amerikanischen - ist Gegenstand eines heftigen Streits unter Schumann-Resonanz-Wissenschaftlern. Schumann-Resonanz-Beobachtungen aus Europa zeigen einen größeren Beitrag aus Asien als aus Südamerika, während Beobachtungen aus Nordamerika darauf hindeuten, dass der Hauptbeitrag aus Südamerika kommt. ⓘ

Williams und Sátori schlagen vor, dass die Schumann-Resonanzaufzeichnungen um den Einfluss der Tag-Nacht-Schwankungen in der ionosphärischen Leitfähigkeit (Einfluss der Tag-Nacht-Asymmetrie) bereinigt werden müssen, um eine "korrekte" Einstufung des asiatisch-amerikanischen Schornsteins zu erhalten. Die in der Arbeit von Sátori et al. vorgestellten "korrigierten" Aufzeichnungen zeigen, dass auch nach Entfernung des Einflusses der Tag-Nacht-Asymmetrie aus den Schumann-Resonanz-Aufzeichnungen der asiatische Beitrag größer ist als der amerikanische. ⓘ

Zu ähnlichen Ergebnissen kamen Pechony et al., die Schumann-Resonanzfelder aus Satellitenblitzdaten berechneten. Dabei wurde davon ausgegangen, dass die Verteilung der Blitze in den Satellitenkarten ein guter Näherungswert für die Quellen der Schumann-Resonanzen ist, obwohl die Satellitenbeobachtungen überwiegend Blitze in der Wolke und nicht die Blitze von der Wolke zum Boden messen, die die Resonanzen hauptsächlich auslösen. Beide Simulationen - diejenige, bei der die Tag-Nacht-Asymmetrie vernachlässigt wird, und diejenige, bei der diese Asymmetrie berücksichtigt wird - ergaben die gleiche Rangfolge der Schornsteine zwischen Asien und Amerika. Andererseits deuten einige optische Satelliten- und klimatologische Blitzdaten darauf hin, dass das südamerikanische Gewitterzentrum stärker ist als das asiatische Zentrum. ⓘ

Der Grund für die unterschiedliche Einstufung asiatischer und amerikanischer Schornsteine in den Schumann-Resonanz-Aufzeichnungen bleibt unklar und ist Gegenstand weiterer Untersuchungen. ⓘ

Einfluss der Tag-Nacht-Asymmetrie

In der frühen Literatur wurden die beobachteten tageszeitlichen Schwankungen der Schumann-Resonanzleistung durch die Variationen in der Quelle-Empfänger-Geometrie (Blitz-Beobachter) erklärt. Man kam zu dem Schluss, dass keine besonderen systematischen Schwankungen der Ionosphäre (die als obere Wellenleitergrenze dient) erforderlich sind, um diese Schwankungen zu erklären. Nachfolgende theoretische Studien bestätigten die frühen Schätzungen des geringen Einflusses der Tag-Nacht-Asymmetrie der Ionosphäre (Unterschied zwischen der Leitfähigkeit der Tag- und der Nachtseite der Ionosphäre) auf die beobachteten Schwankungen der Schumann-Resonanzfeldstärken. ⓘ

Das Interesse am Einfluss der Tag-Nacht-Asymmetrie in der Leitfähigkeit der Ionosphäre auf die Schumann-Resonanzen gewann in den 1990er Jahren nach der Veröffentlichung einer Arbeit von Sentman und Fraser neuen Auftrieb. Sentman und Fraser entwickelten eine Technik zur Trennung der globalen und lokalen Beiträge zu den beobachteten Schwankungen der Feldleistung anhand von Aufzeichnungen, die gleichzeitig an zwei weit voneinander entfernten Stationen gewonnen wurden. Sie interpretierten die an jeder Station beobachteten tageszeitlichen Schwankungen als eine Kombination aus einer tageszeitlich variierenden globalen Anregung, die durch die lokale Höhe der Ionosphäre moduliert wird. Ihre Arbeit, die sowohl Beobachtungen als auch Argumente der Energieerhaltung kombinierte, überzeugte viele Wissenschaftler von der Bedeutung der Tag-Nacht-Asymmetrie in der Ionosphäre und inspirierte zahlreiche experimentelle Studien. Kürzlich wurde jedoch gezeigt, dass die von Sentman und Fraser erzielten Ergebnisse mit einem einheitlichen Modell (ohne Berücksichtigung der Tag-Nacht-Schwankungen der Ionosphäre) annähernd simuliert werden können und daher nicht eindeutig nur in Bezug auf die Höhenschwankungen der Ionosphäre interpretiert werden können. ⓘ

Die Aufzeichnungen der Schumann-Resonanz-Amplituden zeigen erhebliche tages- und jahreszeitliche Schwankungen, die im Allgemeinen zeitlich mit den Zeiten des Tag-Nacht-Übergangs (Terminator) zusammenfallen. Diese zeitliche Übereinstimmung scheint die Vermutung eines signifikanten Einflusses der Tag-Nacht-Asymmetrie der Ionosphäre auf die Schumann-Resonanzamplituden zu unterstützen. Es gibt Aufzeichnungen, die eine fast uhrmacherische Genauigkeit der tageszeitlichen Amplitudenänderungen zeigen. Andererseits gibt es zahlreiche Tage, an denen die Schumann-Resonanzamplituden bei Sonnenaufgang nicht zunehmen und bei Sonnenuntergang nicht abnehmen. Es gibt Studien, die zeigen, dass das allgemeine Verhalten von Schumann-Resonanz-Amplitudenaufzeichnungen aus der tages- und jahreszeitlichen Gewitterwanderung nachgebildet werden kann, ohne dass man sich auf ionosphärische Schwankungen beruft. Zwei neuere unabhängige theoretische Studien haben gezeigt, dass die Schwankungen der Schumann-Resonanzleistung im Zusammenhang mit dem Tag-Nacht-Übergang viel kleiner sind als die Schwankungen, die mit den Spitzen der globalen Blitzaktivität verbunden sind, und dass daher die globale Blitzaktivität eine wichtigere Rolle bei den Schwankungen der Schumann-Resonanzleistung spielt. ⓘ

Es ist allgemein anerkannt, dass Quelle-Beobachter-Effekte die Hauptursache für die beobachteten tageszeitlichen Schwankungen sind, aber es gibt nach wie vor erhebliche Kontroversen darüber, inwieweit Tag-Nacht-Signaturen in den Daten vorhanden sind. Ein Teil dieser Kontroverse rührt von der Tatsache her, dass die Schumann-Resonanz-Parameter, die aus den Beobachtungen extrahiert werden können, nur eine begrenzte Menge an Informationen über die Geometrie des gekoppelten Systems aus Blitzquelle und Ionosphäre liefern. Das Problem der Invertierung von Beobachtungen zur gleichzeitigen Ableitung der Funktion der Blitzquelle und der ionosphärischen Struktur ist daher extrem unterbestimmt, was zu nicht eindeutigen Interpretationen führen kann. ⓘ

"Inverses Problem"

Eines der interessanten Probleme bei der Untersuchung von Schumann-Resonanzen ist die Bestimmung der Eigenschaften der Blitzquelle (das "inverse Problem"). Es ist nicht möglich, jeden einzelnen Blitz zeitlich aufzulösen, da die mittlere Anregungsrate von Blitzen, ~50 Blitze pro Sekunde weltweit, die einzelnen Beiträge miteinander vermischt. Gelegentlich treten jedoch extrem große Blitze auf, die unverwechselbare Signaturen erzeugen, die sich von den Hintergrundsignalen abheben. Sie werden als "Q-Bursts" bezeichnet und entstehen durch intensive Blitzeinschläge, bei denen große Mengen an Ladung von den Wolken auf den Boden übertragen werden und die oft hohe Spitzenströme aufweisen. Q-Bursts können die Amplitude des Hintergrundsignals um den Faktor 10 oder mehr übersteigen und treten in Abständen von ~10 s auf, was es ermöglicht, sie als isolierte Ereignisse zu betrachten und die Blitzquelle zu lokalisieren. Der Ort der Blitzquelle wird entweder mit Mehrstations- oder Einzelstationsverfahren bestimmt, wobei ein Modell für den Hohlraum zwischen Erde und Ionosphäre angenommen werden muss. Die Mehrstationsverfahren sind genauer, erfordern aber kompliziertere und teurere Einrichtungen. ⓘ

Forschung über transiente leuchtende Ereignisse

Man geht heute davon aus, dass viele der transienten Schumann-Resonanzen (Q-Bursts) mit den transienten leuchtenden Ereignissen (TLEs) zusammenhängen. Im Jahr 1995 zeigten Boccippio et al., dass Sprites, die häufigsten TLE, durch positive Wolken-Boden-Blitze in der stratiformen Region eines Gewittersystems erzeugt werden und von Q-Bursts im Schumann-Resonanzband begleitet werden. Jüngste Beobachtungen zeigen, dass das Auftreten von Sprites und Q-Bursts stark korreliert ist und Schumann-Resonanzdaten möglicherweise zur Schätzung der globalen Häufigkeit von Sprites verwendet werden können. ⓘ

Globale Temperatur

Williams [1992] schlug vor, dass die globale Temperatur mit Hilfe der Schumann-Resonanzen überwacht werden kann. Das Bindeglied zwischen Schumann-Resonanz und Temperatur ist die Blitzschlagrate, die nichtlinear mit der Temperatur ansteigt. Die Nichtlinearität des Verhältnisses zwischen Blitz und Temperatur stellt einen natürlichen Verstärker der Temperaturänderungen dar und macht die Schumann-Resonanz zu einem empfindlichen "Thermometer". Außerdem spielen die Eispartikel, von denen man annimmt, dass sie an den Elektrifizierungsprozessen beteiligt sind, die zu einer Blitzentladung führen, eine wichtige Rolle bei den Strahlungsrückkopplungseffekten, die die Temperatur der Atmosphäre beeinflussen. Schumann-Resonanzen können uns daher helfen, diese Rückkopplungseffekte zu verstehen. Im Jahr 2006 wurde eine Arbeit veröffentlicht, in der die Schumann-Resonanz mit der globalen Oberflächentemperatur in Verbindung gebracht wurde, und 2009 folgte eine weitere Studie. ⓘ

Wasserdampf in der oberen Troposphäre

Wasserdampf in der Troposphäre ist ein Schlüsselelement des Erdklimas, das sowohl direkte Auswirkungen als Treibhausgas als auch indirekte Auswirkungen durch die Interaktion mit Wolken, Aerosolen und der troposphärischen Chemie hat. Der Wasserdampf in der oberen Troposphäre (UTWV) hat einen weitaus größeren Einfluss auf den Treibhauseffekt als der Wasserdampf in der unteren Atmosphäre, aber ob es sich dabei um eine positive oder negative Rückkopplung handelt, ist noch ungewiss. Die größte Herausforderung bei der Beantwortung dieser Frage ist die Schwierigkeit, UTWV global über lange Zeiträume zu überwachen. Kontinentale, tief konvektive Gewitter erzeugen den Großteil der Blitzentladungen auf der Erde. Außerdem transportieren sie große Mengen an Wasserdampf in die obere Troposphäre, was die Schwankungen der globalen UTWV dominiert. Price [2000] schlug vor, dass Veränderungen in der UTWV aus Aufzeichnungen von Schumann-Resonanzen abgeleitet werden können. ⓘ

Auf anderen Planeten und Monden

Die Existenz von Schumann-ähnlichen Resonanzen ist in erster Linie durch zwei Faktoren bedingt:

1. Ein geschlossener, planetengroßer und ellipsoidischer Hohlraum, bestehend aus einer leitenden unteren und oberen Begrenzung, die durch ein isolierendes Medium getrennt sind. Bei der Erde ist die leitende untere Begrenzung die Oberfläche und die obere Begrenzung die Ionosphäre. Andere Planeten könnten eine ähnliche Geometrie der elektrischen Leitfähigkeit aufweisen, so dass spekuliert wird, dass sie ein ähnliches Resonanzverhalten aufweisen sollten.
2. Eine Quelle für die elektrische Anregung elektromagnetischer Wellen im ELF-Bereich.

Im Sonnensystem gibt es neben der Erde fünf weitere Kandidaten für den Nachweis von Schumann-Resonanzen: Venus, Mars, Jupiter, Saturn und der größte Mond des Saturns, Titan. Die Modellierung von Schumann-Resonanzen auf den Planeten und Monden des Sonnensystems wird durch die mangelnde Kenntnis der Wellenleiterparameter erschwert. Heute gibt es keine Möglichkeit, die Ergebnisse in situ zu überprüfen. ⓘ

Venus

Die stärksten Hinweise auf Blitze auf der Venus stammen von den elektromagnetischen Wellen, die erstmals von den Landegeräten Venera 11 und 12 entdeckt wurden. Theoretische Berechnungen der Schumann-Resonanzen auf der Venus wurden von Nickolaenko und Rabinowicz [1982] und Pechony und Price [2004] vorgelegt. Beide Studien kamen zu sehr ähnlichen Ergebnissen, was darauf hindeutet, dass Schumann-Resonanzen auf diesem Planeten leicht nachweisbar sein sollten, wenn eine Blitzanregungsquelle und ein geeignet platzierter Sensor vorhanden sind. ⓘ

Mars

Im Falle des Mars wurden terrestrische Beobachtungen von Radioemissionsspektren gemacht, die mit Schumann-Resonanzen in Verbindung gebracht wurden. Bei den gemeldeten Radioemissionen handelt es sich nicht um die primären elektromagnetischen Schumann-Moden, sondern um sekundäre Modulationen der nichtthermischen Mikrowellenemissionen des Planeten bei ungefähr den erwarteten Schumann-Frequenzen, und es wurde nicht unabhängig bestätigt, dass sie mit Blitzaktivitäten auf dem Mars zusammenhängen. Es besteht die Möglichkeit, dass künftige Landemissionen Instrumente zur Durchführung der erforderlichen Messungen vor Ort mitführen könnten. Theoretische Studien sind in erster Linie darauf ausgerichtet, das Problem für künftige Planetenforscher zu parametrisieren. ⓘ

Über den Nachweis von Blitzaktivität auf dem Mars wurde von Ruf et al. berichtet [2009]. Der Nachweis ist indirekt und erfolgt in Form von Modulationen des nichtthermischen Mikrowellenspektrums bei ungefähr den erwarteten Schumann-Resonanzfrequenzen. Es wurde nicht unabhängig bestätigt, dass diese mit elektrischen Entladungen auf dem Mars in Verbindung stehen. Sollte dies durch direkte Beobachtungen vor Ort bestätigt werden, würde dies die von Eden und Vonnegut [1973] und Renno et al. [2003] gemachte Vermutung der Möglichkeit von Ladungstrennung und Blitzen in den Marsstaubstürmen bestätigen. Globale Resonanzen auf dem Mars wurden von Sukhorukov [1991], Pechony und Price [2004] und Molina-Cuberos et al. [2006] modelliert. Die Ergebnisse der drei Studien sind etwas unterschiedlich, aber es scheint, dass zumindest die ersten beiden Schumann-Resonanzmoden nachweisbar sein sollten. Hinweise auf die ersten drei Schumann-Resonanzmoden finden sich in den Spektren der Radioemission der Blitze, die in den Staubstürmen auf dem Mars nachgewiesen wurden. ⓘ

Titan

Vor langer Zeit wurde vermutet, dass es auf Titan zu Blitzentladungen kommen könnte, aber die jüngsten Daten von Cassini-Huygens scheinen darauf hinzuweisen, dass es auf diesem größten Satelliten des Saturn keine Blitzaktivität gibt. Aufgrund des jüngsten Interesses an Titan im Zusammenhang mit der Cassini-Huygens-Mission wird seine Ionosphäre heute vielleicht am gründlichsten modelliert. Schumann-Resonanzen auf Titan haben in Arbeiten von Besser et al. [2002], Morente et al. [2003], Molina-Cuberos et al. [2004], Nickolaenko et al. [2003] und Pechony und Price [2004] mehr Aufmerksamkeit erhalten als auf jedem anderen Himmelskörper. Es scheint, dass nur die erste Schumann-Resonanzmode auf Titan nachweisbar sein könnte. ⓘ

Seit der Landung der Huygens-Sonde auf der Titan-Oberfläche im Januar 2005 gibt es zahlreiche Berichte über Beobachtungen und Theorien zu einer atypischen Schumann-Resonanz auf Titan. Nach mehreren Dutzend Vorbeiflügen von Cassini wurden weder Blitze noch Gewitter in der Titanatmosphäre festgestellt. Die Wissenschaftler schlugen daher eine andere Quelle elektrischer Erregung vor: die Induktion ionosphärischer Ströme durch die mitrotierende Magnetosphäre des Saturns. Alle Daten und theoretischen Modelle stimmen mit einer Schumann-Resonanz überein, deren zweite Eigenmode von der Huygens-Sonde beobachtet wurde. Das wichtigste Ergebnis ist der Nachweis eines vergrabenen Ozeans aus flüssigem Wasser und Ammoniak unter einigen Dutzend Kilometern der eisigen Untergrundkruste. ⓘ

Jupiter und Saturn

Auf dem Jupiter wurden Blitze optisch nachgewiesen. Das Vorhandensein von Blitzen auf diesem Planeten wurde von Bar-Nun [1975] vorhergesagt und wird nun durch Daten von Galileo, Voyager 1 und 2, Pioneer 10 und 11 sowie Cassini bestätigt. Auch auf dem Saturn gibt es nachweislich Blitze. Obwohl drei besuchende Raumsonden (Pioneer 11 im Jahr 1979, Voyager 1 im Jahr 1980 und Voyager 2 im Jahr 1981) keine überzeugenden Beweise durch optische Beobachtungen liefern konnten, entdeckte die Raumsonde Cassini im Juli 2012 sichtbare Blitze, und elektromagnetische Sensoren an Bord der Raumsonde entdeckten Signaturen, die für Blitze charakteristisch sind. Über die elektrischen Parameter im Inneren von Jupiter oder Saturn ist wenig bekannt. Selbst die Frage, was als untere Wellenleitergrenze dienen soll, ist im Falle der Gasplaneten nicht trivial. Es scheint keine Arbeiten zu geben, die sich mit Schumann-Resonanzen auf dem Saturn beschäftigen. Bislang gibt es nur einen Versuch, Schumann-Resonanzen auf dem Jupiter zu modellieren. Hier wurde das elektrische Leitfähigkeitsprofil in der Gasatmosphäre des Jupiters mit ähnlichen Methoden berechnet, wie sie für die Modellierung des Sterninneren verwendet werden, und es wurde darauf hingewiesen, dass die gleichen Methoden leicht auf die anderen Gasriesen Saturn, Uranus und Neptun ausgedehnt werden könnten. In Anbetracht der intensiven Blitzaktivität auf dem Jupiter sollten die Schumann-Resonanzen mit einem Sensor, der in der planetarischen Ionosphäre positioniert ist, leicht zu erkennen sein. ⓘ

Siehe auch

• Kymatik
• Der Brummton
• Plasma (Physik)
• Strahlungsenergie
• Tellurischer Strom ⓘ

Externe Artikel und Referenzen

Allgemeine Referenzen

• Artikel in der NASA ADS-Datenbank: Vollständige Liste | Volltext
• Sprite-Forschungsvideo: Der A.C.-Globalschaltkreis Schumann-Resonanzen schwingen mit nur acht Zyklen pro Sekunde ⓘ

Webseiten

• "Construction and Deployment of an ULF Receiver for the Study of Schumann Resonance in Iowa" von Anton Kruger - Gut illustrierte Studie der University of Iowa
• Globale Kohärenzinitiative (Spektrogrammkalender) Schumann-Resonanz-Live-Daten
• Die Entdeckung der Schumann-Resonanz
• Dunning, Brian (5. März 2013). "Skeptoid #352: Fakten und Fiktion der Schumann-Resonanz". Skeptoid. ⓘ

Animation .

• Schumann-Resonanz-Animation vom NASA Goddard Space Flight Center ⓘ

Berechnung der Frequenzen

Der mittlere Erdumfang beträgt a = 39.985.427 m (am Äquator 40.075 km, Polumfang 39.940 bzw. 40.007,863 km). Bei einer Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichts von c = 299.792.458 m/s (im Vakuum) ergeben sich für den mittleren Erdumfang dabei rechnerisch c/a = 7,5 Hz für die niedrigste Frequenz. Für einen Hohlraumresonator mit ideal leitenden Wänden führen genauere Berechnungen (siehe Literatur: Jackson, Elektrodynamik) auf die Formel:

$\omega _{n}={\frac {c}{a}}{\sqrt {n(n+1)}}$ ⓘ

für die n-te Frequenz (mit n = 1, 2, 3 …). ⓘ

Da die Erde aber keine ideal leitenden Wände besitzt, muss obige Formel für die beobachteten Werte mit 0,78 multipliziert werden und führt dann für n = 1, 2, 3 … auf 7,83 (fundamental), 14,3; 20,8; 27,3 und 33,8 Hz. Durch Dispersion, Ionosphäreneffekte und andere nicht-ideale Eigenschaften des Systems weichen die Messwerte geringfügig von den theoretischen Werten ab und schwanken abhängig von den Jahreszeiten. Schumann-Resonanzfrequenzen von 3 Hz bis 30 Hz gehören in den Frequenzbereich, der international als Extremely Low Frequency bezeichnet wird. ⓘ

Anregung

Durch Blitze und andere Vorgänge wird in der Atmosphäre und der Ionosphäre ein breites Spektrum elektromagnetischer Wellen ausgesendet, die auch als Sferics bezeichnet werden. Niederfrequente Wellen breiten sich hauptsächlich in der nur wenig leitfähigen Atmosphäre zwischen dem Erdboden und der Ionosphäre aus, die beide elektrisch ausreichend gut leiten. Wellen, die sich nach einer Erdumrundung wieder in der gleichen Phase befinden (d. h. der Erdumfang ist ein ganzzahliges Vielfaches der Wellenlänge) werden verstärkt, andere löschen sich aus. Dadurch ergibt sich eine tiefste Resonanzfrequenz von durchschnittlich etwa 7,8 Hz. ⓘ

Entdeckung

Das Phänomen wurde 1952 von Winfried Otto Schumann und Herbert L. König entdeckt und 1960 experimentell untersucht. Bereits früher war die Existenz derartiger Resonanzen postuliert und u. a. von Nikola Tesla beschrieben worden, ohne dass dieser sie allerdings systematisch einzuordnen vermochte. In einer Serie von Artikeln in den Jahren 1952 bis 1957 schließlich behandelte Schumann das Phänomen unter Berücksichtigung von Dämpfung und Anregung der Resonanzen durch Blitze weiter. ⓘ

Die elektromagnetischen Wellen werden lokal leicht durch künstlich erzeugte Wechselfelder verdeckt. Bei der Vermessung des Frequenzspektrums in diesem niederfrequenten Bereich kann man auch stärkere künstlich erzeugte Wellen beobachten, z. B. die Frequenzen des europäischen und des amerikanischen Stromnetzes (50 Hz bzw. 60 Hz) und amerikanischer bzw. russischer U-Boot-Kommunikationssysteme (76 Hz bzw. 82 Hz). ⓘ