Pola ELF-ULF

Rezonans Schumanna

Ekscesy

Rezonans fal Alfvena

W wyniku wielu badań ustalono, że głównym źródłem energii pobudzającym rezonator są wyładowania elektryczne, powstające w atmosferze ziemskiej [1, 2, 3, 4]. Atmosferyczne wyładowanie elektryczne (błyskawica) jest krótkotrwałym, kilkakrotnie przerywanym przepływem prądu. Prąd ten wzbudza drgania w rezonatorze, podobnie jak prąd płynący w antence klasycznej wnęki mikrofalowej. Widmo spektralne pola wytwarzanego przez pojedyncze wyładowanie atmosferyczne jest szerokie, maksimum gęstości spektralnej występuje jednak w zakresie ELF [5, 6]. Zapewnia to efektywne zasilanie rezonatora globalnego w energię.

	(1)
	(2)
	(3)
	(4)

 

Przykłady ekscesów rezonansu Schumanna obserwowanych w Bieszczadach

(1) - przebieg amplitudy pola magnetycznego i widma amplitudy ekscesu pojedynczego, tzw. Q - burst’u, zarejestrowanego 9 sierpnia 1995 r. o godz. 12:01:20 UT.

(2) - przykład ekscesu podwójnego, zarejestrowanego 2 maja 1996 r. o godz. 12:47:27 UT, drugie pobudzenie miało miejsce po czasie równym ok. 180 ms.

(3) - przykład ekscesu wielokrotnego, zarejestrowanego 2 maja 1996 r. o godz 4:30:38 UT.

(4) - przykład ekscesu typu ciągłego, zarejestrowanego 2 maja 1996 r. o godz. 10:01:43 UT, czas trwania zjawiska ok. 10 s. Widmo ekscesu jest prawie monochromatyczne.

W komórkach burzowych w całej atmosferze ziemskiej powstaje średnio 100 wyładowań atmosferycznych w ciągu sekundy. Momenty wyładowań są przypadkowe, stąd elektryczne pobudzanie można uznać za przypadkowy ciąg impulsów prądowych, generowanych w przypadkowo położonych punktach rezonatora. Częstość pobudzeń jest na tyle duża w porównaniu z okresem drgań własnych rezonatora, że pompowanie atmosferyczne można uważać za quasi ciągły proces szumowy.

Obraz komplikuje się gdy uwzględni się, że burzowe impulsy prądowe pobudzające rezonator nie mają jednakowych amplitud. Częstość wyładowań o małych energiach jest znacznie większa niż o dużych. Konsekwencją zmienności amplitud sygnału wymuszającego powinno być naruszenie gaussowskośći rozkładu amplitudy pola w rezonatorze w taki sposób, że fluktuacje amplitudy pola stają się znacznie większe niż należałoby oczekiwać w przypadku rozkładu normalnego.

Własności statystyczne pola mierzonego na powierzchni Ziemi odbiegają od przewidywań prostego modelu. Rezonansowy szum pseudogaussowski stanowi jedynie składową sygnału o małej amplitudzie. Na tle szumu pojawiają się krótkotrwałe wzrosty amplitudy pola rezonansowego - ekscesy (ELF resonance bursts), o energiach kilkadziesiąt do kilkuset razy przekraczających poziom średni, a także krótkie impulsy (ELF pulses) o szerokim widmie [7]. Ekscesy, ze względu na małą częstość występowania, stanowią wyraźnie odrębną grupę zjawisk obserwowanych w rezonatorze globalnym.

Przyczyną powstawania ekscesów są pobudzenia rezonatora globalnego wywołane krótkimi impulsami, ciągami impulsów lub paczkami falowymi o wielkiej energii. Charakter ekscesu zależy od przebiegu pobudzenia w czasie a także od odległości pomiędzy punktem pobudzenia a punktem na powierzchni Ziemi, w którym eksces jest rejestrowany. W przypadku małej odległości pomiędzy źródłem a punktem rejestracji do obserwatora dochodzi bezpośrednio pole wytwarzane w strefie bliskiej źródła. Rejestrowane pole jest wówczas superpozycją pola przychodzącego bezpośrednio i pola odpowiedzi rezonatora globalnego na pobudzenie. W przypadku bardzo małej odległości od źródła amplituda pola dochodzącego bezpośrednio może być tak duża, że pole odpowiedzi rezonatora staje się trudne do zauważenia. Obserwowany wówczas eksces nie ma znamion ekscesu schumannowskiego.

Jednym ze zidentyfikowanych źródeł ekscesów są wielkie wyładowania dodatnich ładunków elektrycznych pomiędzy komórkami burzowymi a powierzchnią Ziemi [8, 9], powiązane z występowaniem w mezosferze zjawisk optycznych typu “sprite” [10, 11]. Nie należy wykluczać możliwości istnienia innych źródeł, takich jak fale magnetohydrodynamiczne, przenikające z zewnętrznego obszaru magnetosfery poprzez jonosferę do rezonatora Ziemia - jonosfera.

Ze względu na nie do końca wyjaśnioną naturę ekscesów wymagają one dalszych badań. Częstotliwość występowania ekscesów jest na tyle mała, że możliwe jest szczegółowe badanie każdego zaobserwowanego przypadku. Analiza przebiegów tych zdarzeń ujawnia dużą różnorodność ekscesów. Powstaje zatem potrzeba klasyfikacji ekscesów, ułatwiająca podjęcie badań statystycznych mogących ujawnić ich powiązania z innymi zjawiskami geofizycznymi, magnetosferycznymi lub heliofizycznymi.

 

Pola ELF-ULF

Rezonans Schumanna

Ekscesy

Rezonans fal Alfvena