A Föld felszíne és az ionoszféra által határolt gömbréteg elektromágneses sajátfrekvenciáit leírójáról Schumann-rezonanciáknak nevezzük (Schumann, 1952). A Föld−ionoszféra üregrezonátor gerjesztő forrása a világ zivatartevékenysége, amely elsősorban a kontinensek trópusi régióira koncentrálódik. A villámok széles frekvenciatartományban sugároznak ki elektromágneses hullámokat, s a Föld kerületével összemérhető hullámhosszakon az elektromos és mágneses tér ún. rezonancia-módusokba rendeződik, amelyek frekvenciája sorrendben: ~8 Hz, ~14 Hz, ~20 Hz stb. A Schumann-rezonancia (SR) jelenségkör természetes és olcsó eszközként szolgál globális változások vizsgálatára. Integráló képessége robusztus becslést ad a Föld troposzférájában lejátszódó globális időjárási folyamatokról a világ zivatartevékenységének idő- és térbeli változásán keresztül, valamint a Föld−ionoszféra üregrezonátor felső határoló régióját (ionoszferikus D-tartomány) érő extraterresztrikus hatásokról, és azokról a közel két évtizede felfedezett magaslégköri, nagy kiterjedésű elektrooptikai emissziókról, amelyek a zivataros területek felett következnek be egészen az ionoszféra D-tartományának magasságáig.

Az első hazai megfigyelések a Schumann-rezonanciák frekvenciatartományában a Nagycenk melletti Geofizikai Obszervatóriumban már az 1960-as évek elején megtörténtek (Ádám − Bencze, 1963). Évtizedekkel később, a számítástechnika ugrásszerű fejlődése tette lehetővé a Schumann-rezonanciák folyamatos észlelését. Ez 1993-ban valósult meg a később Széchenyi István nevét felvevő Geofizikai Obszervatóriumban. A kvázi real-time digitális mérő-feldolgozó rendszer a Schumann-rezonanciák első három módusának pillanatnyi frekvenciáját és az ahhoz tartozó amplitúdót határozza meg a komplex demoduláció mint spektrális eljárás alkalmazásával (Sátori et al., 1996). Az elektromos tér vertikális komponensének mérésére egy két méter magasságú szigetelő lábazaton álló 45 cm átmérőjű alumínumöntvény gömb szolgál (1. ábra).

1. ábra • Gömbantenna a Schumann-rezonanciák mérésére a Széchenyi István Geofizikai Obszervatóriumban (MTA GGKI)

A horizontális mágneses tér észak–déli és kelet–nyugati komponensének mérését egy megfelelően kiképzett betonágyban egymásra merőlegesen elhelyezett két indukciós szonda végzi. A mágneses tér folyamatos mérése 1996-ban vált lehetővé. A vertikális elektromos térre vonatkozó adatsor nemzetközi viszonylatban is egyedülálló mind hosszúságában és teljességében, mind az adatok minőségében. A 90-es évek közepéig csupán néhány olyan állomás működött a világon (Magyarország, USA, Antarktisz), ahol folyamatos volt a Schumann-rezonancia megfigyelése, és ez elsősorban − tőlünk eltérően − inkább a mágneses térkomponens esetében volt sikeres.

A Föld−ionoszféra üregrezonátor alacsony jósági tényezővel (4–8) jellemezhető. Ez azt jelenti, hogy a szomszédos SR-módusoknak megfelelő spektrális csúcsok nem különülnek el élesen egymástól, és a térkomponensek minimumhelyeinél („csomóvonalainál”) a szomszédos módusok fáziscsúszási kölcsönhatása következtében frekvenciaváltozás lép fel. Az elektromos és mágneses tér rezonancia-módusokba rendeződött struktúrái követik a gerjesztő forrás(ok) mozgását, és a napszaktól, évszaktól függően kialakul egy többé-kevésbé bonyolult, időben változó SR-topográfia. Az elektromos, illetve mágneses tér minimum­helyeihez kapcsolódó frekvenciaváltozások jó indikátorai a gerjesztő forrás(ok), azaz a zivatargócok egy adott észlelőhelyhez viszonyított mozgásának. A zivatartevékenység általában helyi időben délután maximális, ezért a Schumann-rezonanciák napi amplitúdóváltozásában a három fő trópusi zivatarrégió (Délkelet-Ázsia, Afrika, Dél-Amerika) jól elkülöníthető világidőben (2. ábra), s jellegzetes napi frekvenciaváltozás alakul ki, amely más és más minden egyes térkomponensre és rezonancia-módusra vonatkozóan (3. ábra).

A Schumann-rezonancia hazai mérésein alapuló eredmények számos nemzetközi együttműködést alapoztak meg, többek között a következő intézményekkel: Massachusetts Institute of Technology (USA), Usikov Institute for Radio Physics and Electronics (Ukrajna), Tel Aviv University (Izrael), University of München (Németország), Geofizikai Intézet, Varsó (Lengyelország) vagy nemzetközi programokhoz történő csatlakozást tettek lehetővé. (SPECIAL, E-STAR, COST P18, ASIM). A téma több nemzetközi (MAKA, NATO) és hazai (OTKA: T4395, T023111, T034309, K72474 és MŰI: TP201, TP224) pályázaton sikeresen szerepelt.

A Schumann-rezonanciákkal kapcsolatos kutatások reneszánszukat élik. Ez elsősorban Earle Williams (1992) nagy nemzetközi visszhangot kiváltó cikkének köszönhető, amelyben a Schumann-rezonanciákat, mint globális trópusi hőmérőt mutatja be. Feltevését arra a tapasztalati tényre alapozta, hogy a trópusokon a villámaktivitás nagymértékben (nemlineárisan) megnövekszik egészen kicsiny, esetenként néhány tized fokos hőmérsékletnövekedés hatására. Napéjegyenlőségi hónapokban a trópusi régióban az egységnyi felületre juttatott többlet napsugárzási energia egy kb. 1,5 °C féléves hőmérsékleti hullám­ban jelentkezik. Ezen hőmérsékletváltozásnak a megnövekedett villámaktivitáson keresztül a Schumann-rezonanciák intenzitásváltozásában is tükröződnie kell. Ezt elsőként a nagycenki SR-adatsor segítségével sikerült igazolni (Sátori − Zieger, 1996). Az adatsor ennél is kisebb hőmérsékletváltozást indikáló képességét az az SR-intenzitás anomália bizonyítja, amelynek hátterében egy mindössze 0,2 °C hőmérséklet-növekedés állt Dél-Amerika trópusi térségében, 1995 decemberében (Sátori − Zieger, 1998). Ez már olyan kis hőmérsékletváltozás indikálását jelentette, amely a módszer alkalmasságát bizonyítja globális

 éghajlati folyamatok kimutatására. A SR-jelenség sokoldalú alkalmazhatóságának bizonyítéka, hogy a nagycenki SR-adatokból a passzátszélnek a Csendes-óceán egyenlítői térségére vonatkozó, 1996 januárjában érvényes átlagos sebességét és irányát le lehetett vezetni az 1995. decemberi dél-amerikai SR-anomália nyugati irányba történő szisztematikus elfordulása alapján (Sátori − Zieger, 1998). Ez a két hónap éppen a Csendes-óceán térségének ENSO (El Niño Southern Oscillation) időskáláján (két–ötéves ciklikusság) egy meleg időszak (El Niño fázis) hideg időszakkal (La Niña) történő felváltásával esett egybe, amelynek egyik ismérve éppen a keleti passzátszelek uralkodóvá válása. A Csendes-óceán térségétől nagyon távol eső, hazai SR-megfigyelések helyességét független in situ szélmérések igazolták.

SR-frekvenciák módusonkénti napi ingadozásának mértékéből a zivataros területek nagyságára lehet következtetni. A világ zivatarokkal lefedett területében éves és féléves változás mutatható ki. Az éves területi változás maximuma az északi félteke nyarára esik, összefüggésben a szárazföldek északi féltekére eső túlsúlyával. A féléves területi maximumok április (május) és október (november) hónapban következnek be, hasonlóan az SR-amplitúdók/intenzitások féléves maximumaihoz. A féléves területi változás mind a féléves trópusi hőmérsékletváltozással (intenzív vertikális konvekciók), mind a tavaszi–őszi átmenetekkel kapcsolatos területi hőmérsékleti instabilitásokkal összefügg.

A hazai SR-mérések a világ zivatartevékenységének éves és féléves területi változásá­ban egy, a tizenegy éves napciklussal összefüggésbe hozható szignifikáns modulációt mutatnak. A fizikai láncszemet a felhőképződést vagy a villámlást befolyásoló, a naptevékenységgel összefüggésbe hozható folyamatokban (galaktikus kozmikus sugárzás tizenegy éves modulációja) kell keresni.

Az elektromos tér vertikális komponensének harmadik módusa esetén a hazai SR-észlelőhely speciális szögtávolságban, „csomóvonalon” helyezkedik el az afrikai zivatargóchoz képest, ha a zivatargóc hipotetikus centruma közel esik a 8° északi szélességhez. Az afrikai zivatarrégió meridionális pozíciójában bekövetkező változásra a harmadik SR-módus jelentős frekvenciaváltozással reagálhat, ahogy az az ENSO-időskálán, annak egymást követő meleg (El Niño) és hideg (La Niña) fázisaiban megtörtént 1994 és 1998 között. Az ENSO-időskálán a világ zivatartevékenysége szisztematikus meridionális átrendeződést mutat: a zivatarok a hidegebb La Niña időszakban néhány fokkal északabbra, melegebb El Niño periódusban pedig ismét délebbre migrálnak (Sátori − Zieger, 1999). Ezt később műholdas mérések megerősítették Közép-Amerika térségére vonatkozóan.

Az SR-frekvenciák napi menete, amit a forrásészlelő geometria határoz meg, azt mutatja, hogy a zivatarok északi és déli féltekék közötti évszakos migrációjának sebessége nem egyenletes. A migráció dinamikája követi az északi és déli félteke eltérő termális sajátságait, ami elsősorban a szárazföldek és a vízzel borított területek arányának lényeges különbségéből ered. A déli félteke nagyobb hőtehetetlenségéből következik, hogy a zivatarok hosszabb ideig (négy-öt hónap) tartózkodnak a déli féltekén annak meleg (nyári) periódusában. Az átmeneti (tavasz-ősz) évszakok a legrövidebbek, és eltérő az időtartamuk. A világ zivatartevékenységének súlypontja igen rövid idő (négy-hat hét) alatt tevődik át az északi féltekére, és ott marad június-július-augusztus folyamán, az északi félteke legmelegebb hónapjaiban. A déli féltekére történő visszamigrálás egyenletesebben zajlik le szeptember-október során. Az eredmények azt mutatják, hogy a zivatarok intenzitását elsősorban a zivatarok keletkezési helyének hőmérséklete befolyásolja (éves és féléves változás), tehát elsősorban a szárazföldek felszíni hőmérséklete, míg a zivatarok globális értelemben vett meridionális átrendeződésének dinamikájának a vezérlése a (trópusi) óceánok (Csendes-óceán) felől történik. Ezt támasztja alá mind az évszakos, mind az ENSO-időskálán bekövetkező meridionális átrendeződés dinamikája (Sátori et al., 2009).

Ezek az eredmények vezettek a termodinamikai szemlélet kialakulásához a Schumann-rezonancia méréseinek értelmezésében. Az SR-amplitúdók és frekvenciák kombinált használata esetén a Schumann-rezonanciák globális felszíni termodinamikai folyamatok jelzőrendszereként szolgálnak. Kicsiny hőmérsékletváltozás hatására nemcsak a Schumann-rezonanciákat gerjesztő zivatarok intenzitása változik meg, hanem a zivatarrégiók területében, földrajzi elhelyezkedésében is szisztematikus változás áll be. A Schumann-rezonancia paraméterei pedig alkalmasak mindegyik változás jelzésére.

Három, egymástól nagy távolságban elhelyezkedő állomáson − Nagycenk, Rhode Island (USA), Antarktisz − az SR-frekvencia mind a vertikális elektromos, mind a horizontális mágnesestér-komponens, és mindegyik rezonancia-módus esetében azonos értelmű változást mutat a tizenegy éves napciklus során, a naptevékenységgel azonos fázisban (Sátori et al., 2005). Ez egyértelműen a Föld-ionoszféra üregrezonátor „elhangolódását” jelzi, azaz a rezonátor felső határoló rétegének, az ionoszférának magassága és vezetőképessége változik a tizenegy éves napciklus során. Ez is globális változás, amely feltehetően semmilyen összefüggésben sincs a rezonátort gerjesz­tő mechanizmus, azaz a világ zivatartevékenységének a tulajdonságaival.
 

Kulcsszavak: Schumann-rezonancia, Föld-ionoszféra üregrezonátor, globális villámaktivitás, ENSO, globális éghajlatváltozás, napciklus
 

IRODALOM

Ádám Antal − Bencze Pál (1963): Kisfrekvenciás természetes elektromágneses energiaforrás vizsgálata. Magyar Geofizika. IV, 29–34.

Sátori Gabriella − Szendrői J. − Verő J. (1996): Monitoring Schumann resonances – I. Methodology. Journal of Atmospheric and Terrestial Physics. 58, 1475-1481

Sátori Gabriella − Zieger Bertalan (1996): Spectral Characteristics of Schumann Resonances Observed in Central Europe. Journal of Geophysical Research. 101, D23, 29663–29669.

Sátori Gabriella − Zieger Bertalan (1998): Anomalous Behaviour of Schumann Resonance during the Transition between 1995 and 1996, Journal of Geophysical Research. 103, 14147–14155.

Sátori Gabriella − Zieger Bertalan (1999): El Niño Related Meridional Oscillation of Global Lightning Activity. Geophysical Research Letters. 26, 10, 1365–1368.

Sátori Gabriella − Williams, E. R. − Mushtak, V. (2005): Response of the Earth-ionosphere Cavity Resonator to the 11-year Solar Cycle in X-radiation. Journal of Atmospheric and Solar-Terrestial Physics. 67, 6, 553–562.

Sátori Gabriella − Mushtak, V. − Williams, E. R. (2009): Schumann Resonance Signatures of Global Lightning Activity. In: Betz, Hans Dieter – Schumann, U. – Laroche P. (eds.): Lightning: Principles, Instruments and Applications. Springer, 347–386.

Schumann, Winfried Otto (1952): Über die strahlungs­losen Eigenschwingungen einer leitenden Kugel, die von einer Luftschicht und einer Ionosphärenhülle umgeben ist. Zeitschrift und Naturforschung. 7a, 149–154.

Williams, Earle R. (1992): The Schumann resonance: A Global Tropical Thermometer. Science, 256, 1184.