Резонанс Шумана – електромагнітні коливання Землі, що пульсують у такт планеті
- Ігор Сальниченко
- 6 вер.
- Читати 10 хв
Резонанс Шумана – це явище виникнення стоячих електромагнітних хвиль наднизької частоти (одиниці-десятки герц) у замкненому просторі між поверхнею Землі та іоносферою. Земля разом з низькопровідною іоносферою на висоті ~80–100 км утворюють гігантський сферичний резонатор, у якому блискавки збуджують глобальні електромагнітні коливання. Ці хвилі огинають земну кулю і при поверненні збігаються у фазі з самими собою – тобто входять у резонанс – утворюючи стоячі хвилі навколо планети. В результаті в атмосфері існує постійний фон низькочастотних коливань – резонанс Шумана, який часто називають електромагнітним «пульсом Землі» [2].
Історія відкриття резонансу Шумана
Ще наприкінці XIX століття виникли перші передбачення глобальних електромагнітних резонансів. Ірландський фізик Джордж Фіцджеральд (1851–1901) у 1893 році припустив, що верхні шари атмосфери добре проводять електрику, і розрахував, що Земля з іоносферою може мати власні електромагнітні коливання з періодом близько 0,1 с (≈10 Гц)[2]. Він навіть вказав на грози як можливе джерело збудження таких коливань. Незалежно від нього сербський винахідник Нікола Тесла (1856–1943) у своїх експериментах на початку 1900-х також дійшов ідеї, що Земля здатна резонувати на частотах порядку 8–10 Гц. У патенті 1905 року Тесла описував планету як провідну кулю, в якій можна збудити «стоячі хвилі» малої частоти; він оцінив найнижчу резонансну частоту Землі приблизно в 6 Гц. Таким чином, ідея глобального електромагнітного резонатора витала в наукових колах задовго до Шумана, хоча прямих доказів ще не було [1].
Для існування резонансу необхідна іоносфера – провідний шар в атмосфері. Її можливість передбачили англієць Олівер Хевісайд (1850–1925) та американець Артур Кенеллі (1861–1939) у 1902 році. Лише в 1925 році британський фізик Едуард В. Епплтон (1892–1965) експериментально підтвердив наявність іоносфери, за що отримав Нобелівську премію[2]. Поява цієї «покрівлі» дала теоретичне підґрунтя для розгляду земної атмосфери як хвилеводу.
Незважаючи на попередників, честь наукового відкриття резонансу дісталася німецькому фізику Вінфріду Отто Шуману (1888–1974). Шуман, який був спеціалістом з електрофізики, у 1952 році вперше математично обґрунтував існування власних коливань в системі Земля–іоносфера[3]. У серії статей 1952–1954 років він показав, що земна куля, оточена атмосферою і іоносферним шаром, повинна підтримувати стоячі електромагнітні хвилі ELF-діапазону[1]. Шуман і його аспірант Герберт Л. Кьоніг (1925–1996) намагалися експериментально зафіксувати ці резонанси – у 1954 році вони опублікували попередні дані про спостереження пікоподібних низькочастотних сигналів, що узгоджувалися з теорією. Однак їхні вимірювання були ускладнені сильними шумами та недосконалістю апаратури. Лише на початку 1960-х, коли з’явилися методи спектрального аналізу сигналів, американські дослідники М. Балсер і Ч. Вагнер змогли чітко виділити резонансні частоти з атмосферного радіошуму. У 1960–1963 роках вони опублікували серію робіт із спектрами шумів 5–100 Гц, де вперше однозначно продемонстрували наявність декількох різких піків – резонансів Шумана[2]. Відтоді це явище активно досліджується в різних галузях – від геофізики атмосфери до біології.
Електромагнітні коливання Землі та іоносфера: фізична сутність резонансу
Основним джерелом збудження резонансу Шумана є атмосферні грози. В будь-який момент часу на Землі вирує близько 2000 гроз, що спричиняють приблизно 50 блискавок щосекунди. Кожен удар блискавки випромінює електромагнітні хвилі в широкому діапазоні частот, зокрема й у ELF-діапазоні нижче ~100 кГц[2]. Земна куля та іоносфера утворюють замкнений хвилевід, який вибірково підсилює хвилі з тими частотами, на яких виконується умова резонансу. Для основної моди резонансу довжина хвилі приблизно дорівнює довжині кола Землі (~40 000 км), тож хвиля «поміщається» один раз між поверхнею і іоносферою[2]. Вищі моди мають коротші довжини – вони вписуються цілочисельну кількість разів уздовж екватора (друга мода – ~2 довжини на коло, третя – ~3 і т.д.). У результаті встановлюється стояча хвиля: вузли такої хвилі залишаються на фіксованих широтах, а амплітуда коливається в часі з певною резонансною частотою.
Земля та іоносфера поводяться як оболонки величезного сферичного конденсатора. Іоносфера – верхня «пластина» – складається з розрідженої плазми на висотах десятків кілометрів, яка має скінченну електропровідність і може відбивати низькочастотні радіохвилі. Нижньою пластиною є поверхня Землі (суходіл і океан), яка теж проводить струм. Між ними – діелектрик (атмосфера тропосфери і стратосфери). Коли блискавка б’є, струм у каналі блискавки раптово створює електромагнітний імпульс, що розповсюджується в усі сторони вздовж хвилеводу Земля–іоносфера. Цей імпульс багаторазово огинає Землю, відбиваючись від іоносфери і земної поверхні. На певних частотах фазові умови сприятливі для інтерференції хвиль – тоді вони накладаються одна на одну і підсилюються, породжуючи стійкі резонансні коливання. Весь «білий шум» грозових розрядів таким чином перетворюється на набір дискретних спектральних ліній – частоти Шумана, характерні для даного планетарного резонатора[3]. Підтримувані постійними грозовими збудженнями, ці хвилі можуть існувати дуже довго, затухаючи лише на ~20% за один оберт навколо земної кулі[2]. Саме тому резонанс Шумана присутній у фоновому електромагнітному спектрі атмосфери постійно, трохи змінюючись протягом доби і року залежно від грозової активності та стану іоносфери.
Математичні аспекти: частоти резонансу та моди
Для ідеалізованого випадку абсолютно провідної Землі та іоносфери резонансні частоти можна оцінити аналітично. У найпростішій моделі сферичного резонатора основна мода відповідає хвилі, що пробігає по колу Землі один раз: її частота приблизно дорівнює відношенню швидкості світла c до довжини кола L=2πR. Підставляючи радіус Землі R ≈ 6,37·10⁶ м м і c ≈3·10⁸ м/с, отримаємо: f ≈ c/(2πR) ≈ 7,5 Гц. Це близько до реально спостережуваної основної частоти ~7,8 Гц[4]. Більш точно розрахувати частоти дозволяє розгляд сферичного хвилеводу. У такому підході для n-тої моди (гармоніки) резонансна частота визначається формулою:
fₙ = c·2πR·√(n(n+1))
де n=1,2,3...[2]. Ця формула дає дещо вищі значення, ніж на практиці, адже реальна іоносфера – не ідеальний провідник. Вона поглинає енергію і тим самим ефективно знижує швидкість поширення хвилі. Якщо врахувати кінцеву провідність (σ ≈10⁻⁵–10⁻³ См/м на висотах ~70–90 км), то швидкість vсигналу в резонаторі зменшується приблизно на 20% порівняно зі c. Тому фактичні резонансні частоти виходять на ~20% меншими за ідеальні теоретичні. Наприклад, для основної моди формула дає ~7,5 Гц, а виміряне значення ~7,83 Гц; для 2-ї моди теорія ~14,7 Гц, а спостереження ~14,1 Гц тощо.
Експериментально сьогодні відомо вісім перших резонансних гармонік. Їхні усереднені частоти: приблизно 7,8; 14,3; 20,8; 27,3; 33,8; 39; 45; 50 Гц. Найпотужнішою є основна частота ~7,8 Гц, оскільки атмосфера найліпше «налаштована» саме на хвилю завдовжки в коло планети. Вищі моди мають дедалі меншу інтенсивність. Частоти резонансів не є абсолютно сталими: вони трохи дрейфують через зміни параметрів іоносфери (день/ніч, сонячна активність, геомагнітні збурення тощо). Зокрема, частота 7,8 Гц може добово коливатися в межах ~±0,2 Гц[4]. Але загалом набір резонансних частот стабільний і повторюваний, що і було підтверджено у перших вимірюваннях 1960-х років.
Математично резонансні коливання Земля–іоносфера відповідають так званим TM-модам (transverse magnetic) сферичного хвилеводу. Вектори електричного поля таких хвиль спрямовані радіально (вертикально), а магнітного – горизонтально. Кожна мода характеризується також добротністю Q (яка ~5 для основної частоти, тобто затухання ~20% за цикл) та шириною спектрального піку (~1–2 Гц)[2]. Детальний розрахунок і обґрунтування резонансів було вперше виконано самим Шуманом у його роботах 1952 року[4], а згодом розвинуто багатьма дослідниками у галузі радіофізики та атмосферної електрики.
Сучасні методи вимірювання резонансу Шумана
У наш час резонанси Шумана рутинно реєструються на численних наукових станціях по всьому світу – від Антарктики до Європи, Америки й Азії. Для їхнього детектування потрібна дуже чутлива апаратура, адже сигнали резонансу надзвичайно слабкі. Амплітуда електричного поля резонансних хвиль складає всього близько 0,3 мВ/м, що на п’ять порядків менше за типове статичне електрополе атмосфери (~150 В/м). Амплітуда магнітного поля – приблизно 1 пікотесла, тобто в мільйони разів менша за геомагнітне поле Землі (~50 мкТл). Щоб «вловити» такі малі коливання, використовують спеціальні антени і приймачі: як правило, два взаємно перпендикулярні індукційні магнітометри (спіральні котушки з десятків тисяч витків дроту) для реєстрації горизонтальних компонент магнітного поля та вертикальну антену для вимірювання коливань електричного поля[2]. Весь тракт захищають від промислових завад: прилади розміщують далеко від ліній електропередач та міст, приймачі екранують, а сигнал фільтрують, відсікаючи частоти 50/60 Гц (мережевий фон). Оцифрований сигнал накопичують протягом тривалого часу (зазвичай 5–15 хвилин), адже резонансний «відгук» проявляється лише статистично на фоні випадкових імпульсів блискавок. Потім до даних застосовують швидке перетворення Фур’є (FFT) для отримання спектру: в спектральній щільності й з’являються чіткі піки на частотах ~8, ~14, ~20 Гц тощо. Параметри резонансних піків (точні частоти, амплітуди, добротність) можна визначити, апроксимуючи спектр сумою лоренціанів – таким методом аналізують варіації грозової активності та властивостей іоносфери[7].
На ранкових і нічних записах частоти та амплітуди Шуманових резонансів спостерігаються регулярні добові зміни, пов’язані з переміщенням грозових осередків по планеті. Наприклад, денні грози над Африкою, Південною Америкою та Азією формують характерні максимуми сигналу на різних компонентах полів у різний час доби[7]. Сезонні зміни теж помітні – влітку (коли більше гроз на північній півкулі) загальний рівень резонансів зростає. Сучасні мережі станцій відстежують ці коливання в режимі реального часу.
Зокрема, дані Шуманових резонансів використовуються як індикатор глобальної грозової активності та навіть кліматичних змін. Відома робота Е. Р. Вільямса (1992), що показала кореляцію частоти основного резонансу зі змінами середньої температури в тропіках – на основі цього було запропоновано метод моніторингу глобального потепління за параметрами резонансу Шумана. Крім того, вимірювання варіацій спектру резонансів слугують для дистанційного зондування низів іоносфери (наприклад, під час сонячних спалахів або після ядерних вибухів ці варіації відображають реакцію іоносферного плазмового шару)[2]. Сьогодні дослідники навіть шукають аналогічні резонанси на інших планетах – скажімо, на Титані чи Марсі – як спосіб дізнатися про електропровідність їх атмосфери і наявність блискавок[7].
Резонанс Шумана і біоритми людини
Несподівано, але глобальні електромагнітні коливання Землі можуть мати зв’язок із біологічними ритмами живих істот, зокрема людини. Ще у 1960-х роках німецький хронобіолог Рютгер Вевер (1923–2010) провів знамените дослідження впливу земних електромагнітних полів на людські добові ритми. Він побудував підземний бункер, екранований від природних коливань геомагнітного поля та резонансів Шумана, і селив туди добровольців на кілька тижнів без зовнішніх сигналів часу. Результати виявилися разючими: у повній ізоляції внутрішній циркадний ритм людини починав «пливти» – цикл сон-неспання збільшувався до ~25–26 годин, а окремі фізіологічні ритми (температура, гормони) розсинхронізувалися. Але варто було непомітно для учасників подати в екрановане приміщення слабке змінне поле частотою ~7–10 Гц (імітуючи резонанс Шумана), як біоритми гармонізувалися: добовий цикл скоротився ближче до нормальних 24 годин, а розлади між різними фізіологічними ритмами зникали. Вевер дійшов висновку, що природні електромагнітні поля на частотах резонансу Шумана справляють помітний вплив на людський організм, виконуючи роль «синхронізуючого агента» для внутрішнього годинника[5]. Цей ефект особливо актуальний для космічних польотів: у далекому космосі немає звичних земних ELF-полів, і це може бути однією з причин порушення біоритмів у космонавтів. Нині у проєктуванні космічних станцій розглядають можливість штучного генерування «шумановського» фону, щоб підтримувати здорові ритми життя екіпажу.
Інший можливий біологічний резонанс – накладання частот Шумана і мозкових ритмів людини. Ще у 1920-х німецький нейрофізіолог Ганс Бергер (1873–1941) відкрив так званий α-ритм мозку – електроенцефалографічні коливання з частотою близько 8–13 Гц, які характерні для стану спокою та розслаблення. Цікаво, що базова частота Землі 7,8 Гц дуже близька до нижньої межі альфа-ритму. Більше того, вищі гармоніки резонансу (14, 20, 26 Гц) теж потрапляють у діапазони електричної активності мозку (α- та β-ритми). Це наштовхнуло вчених на гіпотезу про можливу синхронізацію між діяльністю мозку і «пульсом Землі».
У 1970-х учень Шумана д-р Кьоніг повідомив, що спектри електроенцефалограм (ЕЕГ) людей дійсно показують піки на частотах, близьких до резонансів Шумана. Сучасні дослідження із застосуванням квантового електроенцефалографічного аналізу підтвердили: у спектрі мозкових хвиль присутні перші три гармоніки ~8, ~14 та ~20 Гц, а їх амплітуда і фазові коливання статистично збігаються з варіаціями відповідних резонансів Шумана[6]. Іншими словами, людський мозок може «відлунювати» слабкі електромагнітні пульсації навколишнього середовища. Щоправда, механізм цього явища поки що неясний. Існує гіпотеза, що еволюційно живі організми адаптувалися до фону Шумана як до своєрідного «годинникового сигналу»планети, тож тривала відсутність цього сигналу або аномальні його зміни здатні викликати стрес у біологічних системах[5].
Окрім циркадної регуляції і нейродинаміки, вивчається вплив резонансу Шумана на серцево-судинну систему та інші аспекти здоров’я. Дослідження 1980-х–2000-х років (наприклад, група проф. М. Персінгера та ін.) показали, що підвищення інтенсивності резонансів (наприклад, під час магнітних бурь) корелює зі змінами в варіабельності серцевого ритму людини[7][3]. Висловлюється припущення, що живі організми через резонансні механізми «відчувають» зміни геофізичних полів. Наприклад, при підвищенні сонячної активності і збуренні іоносфери можуть спостерігатися статистично значущі зміни кров’яного тиску, пульсу, частоти інфарктів та інсультів у популяції[3]. Нещодавній огляд 2025 року відзначає, що найбільш достовірно на сьогодні доведено взаємозв’язок коливань Шумана з роботою нервової системи та серця: зокрема, низькочастотні резонанси (8–14 Гц) здатні знижувати ризик гострого інфаркту міокарда, тоді як довготривале підвищення рівня резонансів може сприяти деяким хронічним захворюванням (наприклад, нирок)[3][4]. Хоч ці ефекти ще потребують детальніших досліджень, уже зараз очевидно: організм людини – тонкий «прилад», налаштований і реагуючий на найменші коливання навколишнього електромагнітного середовища.
Гіпотези щодо впливу резонансу Шумана на біосферу
Глобальний характер резонансу Шумана дає підстави припускати, що він може відігравати певну екологічну та еволюційну роль. Всі живі істоти Землі мільйони років розвивалися під фоновий «шум» 8-герцових пульсацій. Деякі вчені висувають ідею, що цей фон міг стати своєрідним біорегулятором для біосфери. Приміром, відомий випадок масового вимкнення гроз на всій планеті – після виверження вулкана Пінатубо (1991) грози стихли на кілька днів, і відповідно резонанс Шумана практично зник з атмосфери[4]. Дослідники помітили тоді сплеск дезорієнтації у мігруючих птахів та тварин, що можливо пов’язано з раптовим зникненням звичного електромагнітного тла. Хоча це лише спостереження, воно підживлює гіпотезу про вплив резонансу на поведінку тварин.
Ще сміливіша гіпотеза була висунута для пояснення глобальних катаклізмів минулого. Зокрема, астрофізик Зураб Сілагадзе у 2020 р. припустив, що падіння астероїда, яке поклало край епосі динозаврів ~65 млн років тому, могло викликати надзвичайно сильні коливання типу Шумана. Розрахунки показують, що удар астероїда (Чиксулуб) порушив іоносферу та збудив потужні електромагнітні хвилі, амплітуда яких перевищила сучасний фон у десятки тисяч разів[6]. Якщо резонанс Шумана має біологічне значення (як вказують деякі сучасні роботи), то настільки різка його зміна могла стати додатковим стрес-фактором для біоти. Таким чином, поряд з кліматичними наслідками удару, «перевантаження» електромагнітного середовища теж могло внессти свій внесок у масове вимирання видів. Звісно, подібні ідеї наразі спекулятивні, але вони демонструють, наскільки широко резонанс Шумана вплітається в систему «планета–життя».
На сучасному етапі дослідження тривають, щоб краще зрозуміти роль цих резонансів у природі. Чи впливають вони на загальне самопочуття людей? Чи можуть служити раннім індикатором змін в кліматичній системі або в геофізичних процесах (напряму їх пов’язують навіть із передвісниками землетрусів, хоча переконливих доказів немає)? На ці питання наука поки не дала остаточних відповідей. Проте очевидно одне: резонанс Шумана більше не сприймається як суто академічна цікавина. Це – фундаментальна властивість нашої планети, тло, на якому протікає все життя. «Серцебиття Землі» – так поетично називають частоту 7,83 Гц – є постійним невидимим ритмом, у такт з яким, можливо, працюють і ритми живих істот. Від відкриття Шумана минуло вже понад 70 років, але його резонанси й надалі залишаються об’єктом міждисциплінарних досліджень – від геофізики до нейробіології – розкриваючи перед нами нові грані взаємозв’язку планети та біосфери[4].
Список використаних джерел:
1. Besser, B. P. Synopsis of the historical development of Schumann resonances. Radio Science, 2007, vol. 42, RS2S02. DOI: spirit-science.fr.
2. Wikipedia contributors. Schumann resonances. In: Wikipedia [online]. URL: en.wikipedia.org.
Polk C. Schumann Resonances // Handbook of Atmospheric Electrodynamics, Vol. 1 / Ed. H. Volland. – Boca Raton: CRC Press, 1982. – P. 111–178mdpi.com.
Price C. ELF electromagnetic waves from lightning: The Schumann resonances // Atmosphere. – 2016. – 7 (9). – P. 116 (15 p.)mdpi.com
Wever R. The effects of electric fields on circadian rhythmicity in men // Life Sci. Space Res. – 1970. – 8. – P. 177–187pubmed.ncbi.nlm.nih.gov
König H. L. et al. Biological effects of Schumann resonances and low-frequency electromagnetic fields // Journal of Biological Physics. – 1981. – 9 (1). – P. 93–98researchgate.net
Nevoit G. et al. Schumann Resonances and the Human Body: A review // Applied Sciences. – 2025. – 15(1). – P. 449 (38 p.)mdpi.com
Коментарі