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Le risonanze di Schumann e la cavità risonante Terra-Ionosfera

Le risonanze di Schumann e la cavità risonante Terra-Ionosfera. Mario Giuseppe Guarcello. Introduzione. Nel 1952, W.O. Schumann afferma che tra Terra ed ionosfera si crea un campo magnetico pulsante alla frequenza di circa 10 Hz (Risonanza di Schumann)*

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Le risonanze di Schumann e la cavità risonante Terra-Ionosfera

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Presentation Transcript

  1. Le risonanze di Schumann e la cavità risonanteTerra-Ionosfera Mario Giuseppe Guarcello

  2. Introduzione • Nel 1952, W.O. Schumann afferma che tra Terra ed ionosfera si crea un campo magnetico pulsante alla frequenza di circa 10 Hz (Risonanza di Schumann)* • Fenomeno generato dal fatto che il sistema Terra-ionosfera si comporta come una cavità risonante, eccitata principalmente dai fulmini *Schumann W. O. (1952) “Über die strahlungslosen Eigenschwingungen einer leitenden Kugel, die von einer Luftsschicht und einer Ionosphärenhülle umgeben ist”. Zeitschrift und Naturfirschung 7a: 149-154

  3. Ampiezza media nello spettro tra 2 a 100 Hz, rilevata in tre diverse località: • Arrival Heights, Antartica (AH) • Sondrestromfjord, Greenland (SS) • Stanford, California (SU) • Sono distinguibili: • I primi 8 modi risonanti per la cavità Terra-Ionosfera • Segnali dovuti a sistemi di comunicazione (ad es: a 60 Hz, oppure a circa 30 e 90 Hz per lo spettro SU) • Segnale a 82 Hz prodotto dai sistemi di comunicazione di sottomarini russi

  4. INTRODUZIONE A GUIDE D’ONDA E CAVITA’ RISONANTI • Pareti perfettamente conduttrici • Mezzo uniforme non dissipativo (μ, ε) • EQUAZIONI DI MAXWELL CON DIPENDENZA ARMONICA DAL TEMPO: 1 2 3 4 1, 2

  5. Assumiamo: Sostituendo: con: (Laplaciano trasverso) Separiamo la componente dei campi trasversa da quella assiale: Ad esempio:

  6. Componenti trasverse ed assiali delle equazioni di Maxwell: 1 Analogamente: 2 3 4 5 6 Ottenendo Et da 2 e sostituendo in 1: Analogamente:

  7. Prima soluzione: modo TEM (trasverso elettromagnetico) } E elettrostatico (in due dimensioni) • Legame tra E e B di un’onda piana • Impossibile in un singolo conduttore (può esistere in diverse configurazioni, come ad esempio i cavi coassiali) • Condizioni al contorno sulla superficie S del conduttore:

  8. Onde Trasverse Magnetiche (modi TM) con condizione al contorno: • Onde Trasverse Elettriche (modi TE) con condizione al contorno: • Cavità risonanti (guide d’onda a cavità terminali) Dipendenza da z di onde stazionarie:

  9. Ad esempio, campi TM: dove:

  10. CAVITA’ RISONANTE TERRA-IONOSFERA: Livello suolo terrestre: r = a  => infinita Raggio della Terra= 6400 km Altitudine ionosfera=100 km r+h a Cavità vuota Ionosfera a r = a+h  => infinita • Approssimazioni: • Terra e ionosfera ottimi conduttori (regime ELF). • Superfici sferiche perfette (modi a frequenza più bassa • Nessun campo magnetico statico

  11. Approssimazioni: • Solo modi TM (nessun B radiale): • le scariche dei fulmini generano campi elettrici radiali; • A basse altitudini il campo elettrico trasverso è molto debole • Nessuna dipendenza da Φ (campi presenti: Er, Eθ, BΦ) Componente Φ: Parte Angolare

  12. La parte angolare è l’equazione di Legendre generalizzata: Con: e P = polinomi di Legendre: Soluzione per il campo magnetico: da cui:

  13. u(r) è soluzione di: Eθ= 0 per Modi a frequenza più bassa per n=0 → q=0 → u(r) = cost. Risonanze di Schumann per

  14. Con a=6400 km, le prime 5 frequenze sono:

  15. PRINCIPALI APPLICAZIONI • Limite superiore alla massa del fotone: • Legame con l’attività temporalesca mondiale: • possibilità di misurare la distanza delle zone più attive; • 3 picchi giornalieri (~9UT, 14UT, 20UT) legatiai picchi di attività temporalesca (Sud-Est asiatico, Africa, Sud America); • picco africano più intenso; • Picchi asiatico ed americano simili, anche se i satelliti misurano una maggiore attività americana (?).

  16. Variazioni periodiche della conduttività della ionosfera. • Controllo della temperatura globale: • attività temporalesca principalmente lungo i tropici, con dipendenza dalla temperature; • relazione non lineare tra intensità dei picchi di risonanza con la temperatura: Coefficiente di Cross-correlazione ~ 0.9 Sekiguchi M., Hayakawa M., Nickolaenko A. P., Hobara, Y., 2006, Annales Geophysicae, 24, 1809-1817

  17. Studio dell’attività temporalesca nei corpi celesti del sistema solare: • Venere: attività individuata (missioni Venera 11 e 12), risonanza studiate(RIF). • Marte: teoricamente ipotizzata ma mai individuata. • Titano: ionosfera ben modellata, prevista solamente l’esistenza del primo modo risonante. • Saturno e Giove: attività poco studiata. RIF: Nickolaenko A. P., Rabinowicz L. M., 1982, “On the possibility of existence of global electromagnetic resonances on the planet of Solar system”; Space Res. 20: 82-89 Pechony O., Price C., 2004, “Schumann resonance parameters calculated with a partially uniform knee model on Earth, Venus, Mars and Titan”; Radio Science, 39(5)

  18. FINE

  19. COMPLEMENTI

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