La risonanza Schumann, in fisica, è un gruppo di picchi di risonanza avvertibili nella porzione di spettro elettromagnetico nelle frequenze estremamente basse (ELF), presenti nell'atmosfera terrestre. Si tratta di risonanze elettromagnetiche globali, eccitate dalle scariche elettriche dei fulmini, nella cavità formata tra la superficie terrestre e la ionosfera. Questo fenomeno prende il nome dal fisico tedesco Winfried Otto Schumann, che nel 1952 ne scrisse una previsione matematica. Storia I primi avvisi dell'esistenza di una ionosfera, capace di intrappolare le onde elettromagnetiche, fu fatta da Oliver Heaviside e Kennelly nel 1902. Ci vollero altri venti anni prima che Edward Appleton e Barnett nel 1925, fossero in grado di provare sperimentalmente l'esistenza della ionosfera. Tuttavia, anche prima di questo, le prime osservazioni documentate delle risonanze elettromagnetiche globali furono fatte da Nikola Tesla nel 1905«In pratica un grande condensatore che Tesla riuscì a far vibrare con l'energia elettrica.» Cfr. Vittorio Baccelli, Nikola Tesla - un genio volutamente dimenticato, Edizioni della Mirandola, maggio 2007, p. 55.Nickolaenko, Alexander, and Masashi Hayakawa: "Schumann Resonance for Tyros", Springer, 2014. e formarono la base del suo schema per la trasmissione energetica senza fili. Anche se alcuni dei più importanti strumenti matematici per affrontare le guide d'onda sferiche furono sviluppati da Watson nel 1918, fu Winfried Otto Schumann che studiò per primo gli aspetti teorici della risonanza globale del sistema di guida d'onda tra terra e ionosfera. Tra il 1952 e il 1954 Schumann, assieme a Köning, tentò di misurare le frequenze risonanti. Tuttavia non fu possibile fino alle misure fatte da Balser e Wagner nel 1960-1963, in cui furono disponibili tecniche di analisi adeguate all'estrazione dell'informazione della risonanza dal rumore di fondo. Da allora c'è stato un sempre più grande interesse nelle risonanze di Schumann in un'ampia varietà di campi.
Descrizione La risonanza di Schumann avviene perché lo spazio atmosferico tra la superficie della Terra e la ionosfera conduttiva, agisce come una guida d'onda di dimensioni limitate, facendola comportare come una cavità di risonanza per le onde elettromagnetiche nella banda ELF (con lunghezza d'onda di svariati kilometri). La cavità è naturalmente eccitata dall'energia delle scariche dei fulmini. Le risonanze di Schumann sono osservabili nello spettro di potenza del rumore elettromagnetico naturale di fondo, come picchi separati nelle frequenze estremamente basse (ELF) attorno alla fondamentale di 7,83 Hz e alle seguenti armoniche 14,3 - 20,8 - 27,3 - 33,8 Hz.
La frequenza fondamentale delle risonanze di Schumann è un'onda stazionaria nella cavità Terra-ionosfera con una lunghezza d'onda uguale alla circonferenza della Terra. Questa frequenza fondamentale più bassa (e di maggiore intensità) della risonanza di Schumann è pari a circa 7,83 Hz, tuttavia può variare a causa di svariati fattori, come le perturbazioni della ionosfera indotte dal Sole, che comprimono la parete superiore della cavità. Le frequenze superiori sono divise da intervalli di circa 6,5 Hz, caratteristica che viene attribuita alla geometria sferica dell'atmosfera. L'ottavo ipertono si colloca a circa 60 Hz.
Le risonanze di Schumann vengono utilizzate per tracciare l'attività globale dei fulmini. A causa della connessione tra l'attività dei fulmini e il clima terrestre, queste possono anche essere usate per monitorare le variazioni della temperatura globale e del vapore acqueo presente nell'atmosfera. Con le risonanze di Schumann potrebbero essere rilevati e studiati anche i fulmini extraterrestri. La risonanza di Schumann è stata usata per la ricerca e il controllo della bassa ionosfera sulla Terra e fu suggerita per l'esplorazione dei parametri della bassa ionosfera sui corpi celesti. Possono anche essere usate per tracciare disturbi geomagnetici e ionosferici. Recentemente, le risonanze di Schumann vengono sfruttate per monitorare eventi luminosi transitori – sprite, getti, elfi, e altri fulmini dell'alta atmosfera. Un altro campo di interesse nell'uso della risonanza di Schumann è relativo alla previsione a breve termine di terremoti. La risonanza di Schumann è andata oltre ai limiti della fisica, invadendo la medicina, interessando artisti e musicisti, e guadagnando interesse in frange come la psicobiologia.
Teoria di base Le scariche dei fulmini sono considerate la prima sorgente naturale delle risonanze di Schumann. I canali dei fulmini si comportano come un'enorme antenna che irradia energia elettromagnetica come segnali impulsivi a frequenze sotto i 100 kHz. Questi segnali sono molto deboli, ma la guida d'onda Terra-ionosfera si comporta come un risonatore alle frequenze ELF e amplifica i segnali spettrali dei fulmini alle frequenze di risonanza.
In una cavità ideale, la frequenza di risonanza del modo ennesimo è determinata dal raggio terrestre e dalla velocità della luce .
La guida d'onda Terra-ionosfera reale non è una cavità elettromagnetica perfetta. Perdite dovute alla conduttività elettrica finita della ionosfera fanno risonare il sistema a frequenze più basse di quelle attese nel caso ideale, e i picchi osservati sono larghi. Inoltre ci sono una serie di asimmetrie orizzontali – transizione giorno-notte, cambiamenti latitudinali nel campo magnetico terrestre, disturbi improvvisi nella ionosfera, assorbimento nella calotta polare, ecc. che complicano lo spettro di potenza della risonanza di Schumann.
Misure Oggi le risonanze di Schumann sono registrate da molte stazioni attorno al mondo. I sensori elettromagnetici usati per misurarle consistono in due antenne orizzontali per ricevere il campo magnetico nelle direzioni nord-sud ed est-ovest e un'antenna verticale per osservare il campo elettrico verticale. Siccome le frequenze di risonanza di Schumann sono estremamente basse, antenne pratiche dovrebbero misurare centinaia di chilometri. Inoltre, il campo elettrico di risonanza di Schumann è molto più piccolo del campo elettrico statico nell'atmosfera e il campo magnetico di risonanza di Schumann è inferiore di diversi ordini di grandezza rispetto a quello terrestre. Quindi servono ricevitori speciali per misurare le risonanze di Schumann. La componente elettrica viene di solito misurata con un'antenna sferica, suggerita da Ogawa et al. nel 1966, collegata a un amplificatore ad alta impedenza. Il campo magnetico viene misurato con spire di induzione consistenti in decine di migliaia di avvolgimenti attorno a materiali con una altissima permeabilità magnetica.
Applicazioni Attività globale dei fulmini Inizialmente gli studi di Schumann sulla risonanza furono utilizzati per monitorare l'attività globale dei fulmini seguendo i cambiamenti nell'intensità dei campi di risonanza di Schumann. In un qualsiasi momento nel mondo ci sono circa 2 000 tempeste di fulmini. Producendo circa 50 scariche al secondo, queste tempeste creano il segnale di risonanza di Schumann di fondo.
Determinare la distribuzione spaziale dei fulmini dalle registrazioni della risonanza di Schumann è un problema complesso: per poter stimare correttamente l'intensità dei fulmini da tali rilevazioni è necessario tener conto della distanza delle sorgenti dei fulmini. Il metodo comune è fare assunzioni preliminari sulla distribuzione spaziale dei fulmini, basandosi sulle proprietà conosciute della climatologia dei fulmini. Un metodo alternativo è mettere un ricevitore al polo nord o al polo sud, che rimarrebbe approssimativamente equidistante dai centri principali delle tempeste di fulmini durante il giorno.
Variazioni diurne Le caratteristiche meglio documentate e dibattute del fenomeno della risonanza di Schumann sono le variazioni diurne dello spettro di potenza di fondo della risonanza di Schumann.
Una caratteristica che le registrazioni diurne della risonanza di Schumann riflettono sono le proprietà conosciute dell'attività globale dei fulmini. Il campo elettrico verticale, il quale è egualmente sensibile in tutte le direzioni e quindi misura i fulmini nel mondo, mostra tre massimi dominanti, associati con tre "hot spot" dell'attività planetaria dei fulmini: 9 picchi UT (Tempo universale), collegati alla incrementata attività elettrica del Sud-est asiatico; 14 picchi UT associati con il picco nell'attività dai fulmini in Africa; e i 20 picchi UT risultati nell'incremento dell'attività elettrica nel Sudamerica. Il tempo e l'ampiezza dei picchi varia durante l'anno, riflettendo i cambiamenti stagionali nell'attività elettrica.
Classifica dei "camini" In generale il picco africano è il più forte, riflettendo il maggior contributo del "camino" africano all'attività globale dei fulmini. La posizione degli altri due picchi – asiatico e americano – è soggetta a vigorose dispute tra gli scienziati che studiano la risonanza di Schumann. Osservazioni condotte in Europa mostrano un contributo maggiore dall'Asia, rispetto al Sudamerica. Questo contraddice i dati climatologici e quelli ottenuti tramite satelliti ottici sui fulmini, che mostrano che il centro dei temporali sudamericano è più forte di quello asiatico. La ragione di tale disparità non è chiara, ma potrebbe essere in relazione con la frequenza di 60 Hz dell'elettricità usata nel Nord America (60 Hz è una delle risonanze di Schumann). Williams e Sátori suggeriscono che, per ottenere una classifica "corretta" dei camini asiatici e americani, è necessario rimuovere l'influenza data dalle variazioni giorno/notte sulla conduttività della ionosfera (l'influenza dell'asimmetria tra il giorno e la notte) dalle registrazioni della risonanza di Schumann.
D'altra parte, queste registrazioni "corrette" presentate nel lavoro di Sátori et al. mostrano che anche dopo la rimozione dell'influenza dell'asimmetria tra il giorno e la notte dai tracciati della risonanza di Schumann, il contributo asiatico rimane maggiore di quello americano. Risultati simili sono stati ottenuti da Pechony et al., che hanno calcolato i campi di risonanza di Schumann da dati sui fulmini presi dai satelliti. Si era assunto che la distribuzione dei fulmini nelle mappe satellitari fosse una buona rappresentazione delle fonti d'eccitazione, anche se le osservazioni satellitari misurano prevalentemente i fulmini fra nube e nube, piuttosto che quelli fra nubi e terra, che sono i principali eccitatori delle risonanze. Entrambe le simulazioni – quelle che trascuravano l'asimmetria giorno-notte e quelle che tenevano conto di tale asimmetria – mostravano i camini asiatici e americani nello stesso ordine. A oggi, il motivo delle posizioni "invertite" dei camini di Asia e America nei tracciati della risonanza di Schumann rimane poco chiaro, e l'argomento richiede un'ulteriore, più mirata ricerca.
Influenza della asimmetria tra giorno e notte Nella letteratura iniziale le variazioni diurne osservate nella potenza della risonanza di Schumann furono spiegate con la variazione della geometria del sistema sorgente-ricevitore (fulmine-osservatore). Fu concluso che nessuna particolare variazione sistematica della ionosfera (che serve da limite superiore per la guida d'onda) era necessaria a spiegare queste variazioni. Studi teorici successivi supportavano le prime stime della piccola influenza data dall'asimmetria giorno-notte della ionosfera (la differenza tra la conduttività diurna e notturna della ionosfera) sulle variazioni osservate nelle intensità dei campi di risonanza di Schumann.