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Ressonância de Schumann

A chamada “ressonância de Schumann” é uma série de picos eletromagnéticos de freqüências extremamente baixas (ELF) do campo eletromagnético da Terra, sua presença é global e está compreendida em comprimentos de onda entre 100 000 quilômetros a 10 000 quilômetros, ou freqüências entre 3 Hz até 30 Hz. Os picos são causados pela excitação gerada a partir de descargas elétricas (Relâmpagos, raios, etc) entre a superfície da Terra e a ionosfera. Este fenômeno eletromagnético foi descoberto através de modelos matemáticos desenvolvidos pelo físico Winfried Otto Schumann em 1952. O efeito ocorre porque o espaço entre a superfície da Terra e a ionosfera, neste caso condutiva, atua como um guia de ondas, cujas dimensões são delimitadas. Assim é formado um tipo de cavidade ressonante para ondas eletromagnéticas em freqüências extremamente baixas que é excitada naturalmente pela energia desprendida através da propagação dos relâmpagos e raios. Observa-se também como um ruído de fundo eletromagnético natural, como picos separados em freqüências extremamente baixas nas freqüências em torno de 8, 14, 20, 26 e 32 hertz.

A Ressonância de Schumann pode ser considerada como uma espécie de “onda que se propaga em linha reta” dentro da cavidade formada entre a Terra e a ionosfera numa guia de onda igual à circunferência do planeta. A intensidade mais elevada ocorre numa freqüência de aproximadamente 7.8 hertz. O nono harmônico encontra-se em torno de 60 hertz. Os harmônicos detectáveis se estendem para freqüências mais altas, chegando inclusive a atingir até alguns quilohertzes. O fenômeno podem ser usado para o mapeamento da atividade global de eletricidade atmosférica. Devida conexão entre descargas elétricas e o clima da terra, pode também ser utilizado para monitorar as variações globais da temperatura e do vapor na alta atmosfera. Descargas em outros planetas também podem ser detectadas e estudadas através do monitoramento da ressonância de Schumann. Esta foi utilizada na pesquisa e monitoração da ionosfera em suas camadas inferiores da Terra, de outros corpos celestes e para observar distúrbios geomagnéticos. Mais recentemente estão sendo monitorados eventos luminosos como transientes, sprites, duendes, jatos, e outros tipos de descargas na atmosfera superior. Acredita-se que é possível a predição de terremotos, embora estudos ainda se mostrem inconclusivos. Seu estudo foi além dos limites da física, da medicina, levantando o interesse de artistas e músicos, chegando ao campo inclusive da psicobiologia.

Sabe-se que a primeira sugestão da ionosfera ser capaz de propagar ondas eletromagnéticas foi feita por Heaviside e por Kennelly em 1902, vinte anos antes de Edward Appleton e Barnett em 1925 provarem experimentalmente a existência daquela importante região da atmosfera. As primeiras observações documentadas de ressonâncias eletromagnéticas globais foram feitas por Nikola Tesla em 1905 e deram forma à base para a transmissão de radiofreqüência. As ferramentas matemáticas que tratam das guias de ondas esféricas foram desenvolvidas por Watson em 1918. Winfried Otto Schumann e Köning estudaram os aspectos teóricos das ressonâncias globais do sistema da terra ionosfera entre 1952-1954. Balser e Wagner entre 1960-1963 trouxeram as técnicas adequadas da análise para extrair informação do ruído de fundo.

As descargas atmosféricas podem ser consideradas como a fonte natural preliminar do fenômeno de ressonância de Schumann. Os “canais” formados pelos relâmpagos comportam-se como uma espécie de antena que irradia energia eletromagnética em freqüências de aproximadamente 100 quilohertz devido comprimento elétrico dos arcos voltaicos. Os sinais são muito fracos, mas a guia de onda Terra-Ionosfera se comporta como um ressonador de baixa freqüência que os amplifica. Numa cavidade ideal, esta é determinada pelo raio da terra e pela velocidade da luz. Mas a guia real formada não é uma cavidade eletromagnética perfeita. As perdas devida condutividade elétrica do meio ionosférico finito, fazem o sistema ressonar em freqüências mais baixas do que se poderia esperar num caso ideal, assim, os picos observados são bastante largos. Também há um número de assimetrias horizontais na transição dia/noite. As mudanças latitudinais do campo magnético da Terra, os distúrbios ionosféricos repentinos, a absorção polar, etc. também alteram e diversificam a conformação do espectro da energia irradiada.

Atualmente o fenômeno e seus efeitos são monitorados por muitas estações da Terra. Os sensores eletromagnéticos usados consistem em duas antenas horizontais para receber o campo magnético no sentido norte-sul e leste-oeste e uma antena vertical para observar o campo elétrico vertical. Uma vez que as freqüências são extremamente baixas, as antenas práticas teriam que ser de centenas ou de milhares de quilômetros. O campo elétrico é da ressonância de Schumann é muito menor que o campo elétrico da Terra, e o campo magnético segue o mesmo princípio, ou seja, também é menor que campo magnético do Planeta, isso propicia uma certa dificuldade de medição e observação e conseqüentemente receptores e antenas especiais são necessários para medi-las. 

O componente elétrico é medido geralmente com uma antena esférica, conforme sugerido por Ogawa et al em 1966, esta é conectada a um amplificador de alta impedância. O campo magnético é medido com bobinas de indução magnética que consistem em dezenas de milhares de espiras em torno de material com permeabilidade magnética muito elevada.

A ressonância de Schumann inicialmente foi utilizada para monitorar a atividade global de descargas elétricas seguindo mudanças em intensidades de campo, pois ocorrem aproximadamente 2.000 tempestades em torno do globo por hora, produzindo cerca de 50 descargas por segundo, assim, as tempestades criam sinais de fundo. Determinar a distribuição espacial de descargas é um problema complexo, para estimar corretamente a intensidade é necessário determinar a distância das descargas fonte. Há a possibilidade de fazer uma suposição preliminar na sua distribuição espacial tomando por base as propriedades da climatologia da região de onde provém o ruído de fundo. Uma aproximação razoável é determinar o posicionamento de uma antena receptora na orientação norte ou sul, assim é possível descobrir a orientação dos centros principais do das tempestades durante o dia. Outro método de determinação da distribuição de descargas, é baseado na decomposição dos espectros médios da ressonância de Schumann de fundo, utilizando relações entre os espectros elétricos e magnéticos médios e entre suas combinações lineares. As características melhor documentadas e as mais debatidas do fenômeno são as variações diurnas do ruído de fundo, cujo registro característico reflete as propriedades conhecidas da atividade global das descargas atmosféricas. O campo elétrico vertical, que é igualmente sensível em todos os sentidos e mede conseqüentemente o nível global, mostra três máximos dominantes, associados com três “pontos quentes” da atividade planetária: Pico 9:00 UT (Tempo universal), ligado à atividade aumentada de tempestades, de 3:00 para o Sudeste Asiático; 14:00 associados aos picos na atividade africana de descargas; e o pico de 20:00 UT, resultando para o aumento na atividade na América do Sul. A época e a amplitude dos picos variam durante todo o ano, refletindo as mudanças sazonais nas atividades eletromagnéticas.

Geralmente, o pico africano é mais forte, refletindo na contribuição principal do “canal africano” à atividade. Os outros picos, o Asiático e o Americano seguem provavelmente o mesmo padrão. Dados experimentais da ressonância de Schumann mostram uma contribuição maior da região Asiática em relação da atividade na América do Sul. Isto contradiz muitas vezes o observado através de satélites ópticos e dados climatológicos de descargas atmosféricas que mostram o centro de tempestades da América do Sul mais forte do que do centro Asiático, a razão desta anomalia ainda é desconhecida. Williams e Satori sugerem que a diferença de parâmetros entre a Ásia e América do Sul, para ser entendida, precisaria ter removida a influência das variações do dia/noite no condutividade ionosférica (influência da assimetria dia-noite) dos registros da ressonância de Schumann. Tais correções poderiam acertar os registros apresentados no trabalho de Satori et al. Mesmo depois da remoção da influência da assimetria dia-noite dos registros, verificou-se que a contribuição Asiática permanece maior do que a Americana. Os resultados similares foram obtidos por Pechony et al que calcularam os campos a partir de dados de satélites específicos para leitura e monitoramento de descargas. Ambas simulações e exames da assimetria mostraram a mesma quantidade de ruído de fundo Ásia-América. A razão para “inverter” as estatísticas e medições entre a Ásia, América ainda são desconhecidas e necessitam de mais pesquisas.

Na literatura especializada nota-se que há uma tendência de predomínio das noturnas sobre as variações diurnas observadas, esta foi explicada pelas variações da geometria da região fonte e da região de recepção. Concluiu-se que nenhuma variação sistemática particular da ionosfera serve como o limite superior da guia de ondas, isso é devida a “corrugação superficial” da região que não é absolutamente uniforme. Estudos teóricos supõe que as estimativas da influência da assimetria dia-noite da ionosfera entre a diferença entre o lado diurno e a condutividade ionosférica do lado noturno, influem nas variações observadas nas intensidades de campo da ressonância de Schumann.

O interesse na influência da assimetria dia-noite na condutividade ionosférica, ganhou força nos anos 1990, após a publicação de um trabalho por Sentman e Fraser. Estes desenvolveram uma técnica para separar as contribuições globais e locais às variações observadas nas intensidades de campos usando os registros obtidos simultaneamente em duas estações, assim mapearam a variação da altura da ionosfera. Seu trabalho convenceu muitos cientistas na importância da assimetria ionosférica dia-noite e inspirou estudos experimentais numerosos. De qualquer modo recentemente mostrou-se que os resultados obtidos podem ser simulados com um modelo uniforme e não podem conseqüentemente ser interpretados nos termos da variação da altura do ionosférica.

Os registros da amplitude de Schumann mostram variações diurnas e sazonais significativas que coincidem com os tempos de transição dia-noite. Esta suposição parece suportar a sugestão de uma influência significativa da assimetria da ionosfera na transição dia-noite em amplitudes da ressonância de Schumann. Há registros que mostram que alguns pulsos disparados têm a exatidão das mudanças diurnas de amplitude. Há dias em que as amplitudes não aumentam no nascer do Sol nem diminuem no pôr do sol. Há estudos que mostram que o comportamento geral de registros da amplitude podem ser resultantes da migração diurna e sazonal das tempestades, sem provocar variações ionosféricas, o que demonstra uma tendência de variações independentes. 

Dois estudos teóricos independentes recentes mostraram que as variações de campo da ressonância de Schumann relacionadas à transição da dia-noite são muito menores do que aquelas associadas com os picos da atividade global de descargas atmosféricas, e conseqüentemente a atividade de descargas elétricas global tem muita importância nas variações de campo, outros estudos são necessários para realizar o mapeamento dos campos elétrico e magnéticos locais da ressonância com a atividade solar e também correlaciona-los à abertura e fechamento de propagação em HF.

A importância relativa da assimetria dia-noite em registros de amplitude é ainda estudada e não existem análises conclusivas. A monitoração bem sucedida da atividade global de tempestades através do monitoramento da ressonância de Schumann pode ser obtida a partir da interpretação apropriada de dados experimentais. Conseqüentemente é vital compreender para interpretar corretamente as suas características principais.
Um dos problemas interessantes nos estudos da ressonância e fenômenos correlatos, está determinando as características das fontes das descargas atmosféricas. Verificar cada descarga individual é impossível, mas há eventos transientes de baixa freqüência suficientemente intensos, chamados surtos “Q”. Estes são provocados pelas descargas de relâmpago, raios, etc, bastante intensos, associadas com a transferência grande carga e uma corrente elevada. O nível do sinal de fundo num fator de 10 aparece com intervalos de 10 segundos, que propicia a detecção da posição da descarga fonte. A posição desta é determinada com técnicas de triangulação. Estas são mais exatas, embora extremamente caras e trabalhosas.

Acredita-se que muitos dos transientes das ressonâncias de Schumann estão relacionados aos eventos luminosos das descarga atmosféricas. Boccippio 1995 et all, sugeriu que os sprites são produzidos por descargas positivas nuvem-terra que ocorrem nas regiões estratiformes de um sistema de tempestades, e são acompanhados por surtos Q na faixa da ressonância. Observações recentes revelam que as ocorrências dos sprites e surtos estão correlacionadas, os dados podem possivelmente ser usados para estimar a taxa global da ocorrência dos sprites.

A mudança global do clima pode ser compreendida com o desenvolvimento de ferramentas e de técnicas que permitiriam a monitoração contínua e a longo prazo dos processos de monitoração em todos os comprimentos de onda, desde as baixas freqüências na ordem de alguns Hertz até as altas freqüências na ordem de MHz. As ressonâncias de Schumann são algumas das poucas ferramentas que podem fornecer tal informação global confiável e barata. Williams (1992) sugeriu que a temperatura global pode ser monitorada pela técnica de observação de ruído de fundo, pois está diretamente relacionada à taxa de flashs de relâmpagos, que aumenta não-linearmente com a temperatura. A relação da relâmpago e temperatura fornece um sistema de observação natural das mudanças climáticas. Além disso, as partículas de gelo, que se acredita participarem nos processos de eletrificação da atmosfera, resultam em descargas elétricas e têm um papel importante nos efeitos radiativos que influenciam a temperatura da atmosfera. O monitoramento das ressonâncias de Schumann pode conseqüentemente ajudar-nos compreender estes efeitos.

O vapor d’água troposférico é um elemento chave do clima da terra, que tem efeitos diretos como um gás de estufa, o efeito indireto com a interação com nuvens, aerossóis e a química atmosférica tropoférica. O vapor de água da atmosfera superior tem um impacto muito maior no efeito da estufa do que o vapor de água na atmosfera mais baixa, mas se este impacto é positivo, ou negativo ainda não se tem dados conclusivos. O desafio principal das pesquisas de monitoramento das ressonâncias de Schumann é a dificuldade em adquirir dados que mostrem o excesso de vapor global na alta atmosfera por muito tempo. As tempestades e o ruído de fundo continentais produzem a maioria das descargas elétricas na terra. Transportam uma grande quantidade vapor de água para a troposfera superior. As mudanças no vapor da alta atmosfera podem ser derivadas dos registros do ruído de fundo nas mais diversas freqüências, o que pode ser investigado mediante a prospecção por receptores que captam o ruído de fundo nas mais diversas freqüências e comprimentos de onda. Baixos valores de umidade em altas altitudes e aumento de condutividade ionosférica devida presença de elétrons livres, a condutividade da atmosfera e da ionosfera se alterarem na presença de uma camada de elevada condutividade, os gases na alta atmosfera dos planetas sofrem interações provindas do Cosmo, do Sol, ou deles mesmos. A escala de energia eletromagnética aumenta em função da excitação produzida pelas descargas elétricas. 

O modelamento das ressonâncias de Schumann nos planetas e luas do sistema solar é dificultado ainda pela falta do conhecimento dos parâmetros das guias de onda superior-solo locais, assim, ainda não existe possibilidade para validar os resultados. Não obstante, é possível modelar efeitos teóricos dos resultados para estimar a possibilidade de detectar resonances de Schumann fora da Terra.

A evidência a mais forte do fenômeno ocorrer fora da Terra são os relâmpagos em Vênus, pois daquele planeta provém ondas eletromagnéticas impulsivas detectadas pelas Venera 11 e 12. As ressonâncias de Schumann em Vênus foram estudadas por Nickolaenko e Rabinowicz (1982) e Pechony (2004). Ambos os estudos renderam resultados muito próximos, indicando que naquele planeta de fato ocorrem as ressonâncias de Schumann.

Nos relâmpago de Marte a atividade não foi detectada, acredita-se que isso ocorreu devida baixa densidade da atmosfera, e que muitas da tempestades eram de poeira e sem descargas elétricas. As ressonâncias de Schumann globais de Marte foram modeladas por Sukhorukov (1991), Pechony e outros (2004), e Molina-Cuberos e outros (2006). Os resultados dos três estudos são diferentes, mas aparentemente as primeiras duas modalidades de ressonâncias podem ser detectáveis.

Sugeriu-se por muito tempo a ocorrência de descargas em Titan, mas dados recentes da nave Cassini-Huygens parecem indicar que não há muita atividade elétrica no maior satélite de Saturno, estas foram estudadas por Besser e outros (2002), Morente e outros. (2003), Molina-Cuberos e outros. (2004), Nickolaenko e outros (2003), Pechony (2004). Aparentemente dos inúmeros tipos que poderiam existir de ressonâncias, somente a primeira modalidade pôde ser detectável naquela lua.

Jupiter é o único planeta onde a atividade de descargas elétricas é perfeitamente detectável. A existência de tempestades naquele planeta foi predita por Nun (1975) complementada pelos dados das naves Galileo, Voyagers 1 e 2, Pioner 10 e 11 e Cassini. De Saturno espera-se também ter uma atividade intensa de descargas elétricas, porém três naves espaciais, Pioner 11 em 1979, Voyager 1 em 1980 e Voyager 2 em 1981, não forneceram nenhuma evidência convincente. Mesmo uma tempestade forte monitorada em Saturno pela nave espacial de Cassini não produziu nenhum flash visível de relâmpagos. Pouco se sabe sobre os parâmetros elétricos do interior de Júpiter e de Saturno. Acredita-se que não haja a formação do fenômeno da guia de onda pelo fato dos planetas serem gasosos, contudo este raciocínio pode não ser correto pelo fato de que pode haver a formação de dutificação entre diferentes camadas ionosféricas à exemplo da Terra.

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