Schumann-Resonanz

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Räumliche Ausdehnung
Spektrale Verteilung
Tesla in seinem Labor in Colorado Springs, Dezember 1899. Die Aufnahme stellt eine Mehrfachbelichtung dar: Während der Blitzentladungen befand sich Tesla nicht im Raum.

Als Schumann-Resonanz bezeichnet man das Phänomen, dass elektromagnetische Wellen bestimmter Frequenzen entlang des Umfangs der Erde stehende Wellen bilden. Die ausreichend leitfähigige Erdoberfläche (größtenteils Salzwasser) und die gut leitfähige Ionosphäre darüber begrenzen einen Hohlraumresonator, aus dessen Abmessungen sich mögliche Resonanzfrequenzen berechnen lassen. Diese können durch Blitze angeregt werden, sind aber von so geringer Amplitude, dass sie nur mit sehr empfindlichen Instrumenten nachgewiesen werden können. Dieses ursprünglich von Nikola Tesla um 1900 während seiner in Colorado Springs durchgeführten Experimente zur drahtlosen Energieübertragung entdeckte Resonanzphänomen geriet lange in Vergessenheit und wurde in den 1950er Jahren von dem deutschen Physiker Winfried Otto Schumann an der TU München wiederentdeckt und nach ihm benannt.

Berechnung der Frequenzen

Der mittlere Erdumfang beträgt a = 39.985.427 m (am Äquator 40.075 km, Polumfang 39.940 km). Bei einer Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichts von c = 299.792.458 m/s (im Vakuum) ergeben sich für den mittleren Erdumfang dabei rechnerisch c/a = 7,5 Hz für die niedrigste Frequenz. Für einen Hohlraumresonator mit ideal leitenden Wänden führen genauere Berechnungen auf die Formel (siehe Literatur: Jackson, Elektrodynamik):

LaTeX: \omega_{n} =\frac{c}{a}\sqrt{n(n+1)}

Da die Erde aber keine ideal leitenden Wände besitzt, muss obige Formel für die beobachteten Werte mit 0,78 multipliziert werden und führt dann für die n-te Frequenz (mit n = 1, 2, 3 ...) zu den Ergebnissen 7,83 (fundamental),[1] 14,3, 20,8, 27,3 und 33,8 Hz.[2][3] Durch Dispersion, durch Ionosphäreneffekte und andere nicht-ideale Eigenschaften des Systems weichen die Messwerte geringfügig von den theoretischen Werten ab und schwanken jahreszeitenabhängig. Schumann-Resonanzfrequenzen von 3 Hz bis 30 Hz gehören in den Frequenzbereich, der international als Extremely Low Frequency (ELF) bezeichnet wird.

Anregung

Durch Blitze und andere Vorgänge wird in der Atmosphäre und der Ionosphäre ein breites Spektrum elektromagnetischer Wellen ausgesendet, die auch als Sferics bezeichnet werden. Niederfrequente Wellen breiten sich hauptsächlich in der nur wenig leitfähigen Atmosphäre zwischen dem Erdboden und der Ionosphäre aus, die beide elektrisch ausreichend gut leiten. Wellen, die sich nach einer Erdumrundung wieder in der gleichen Phase befinden (der Erdumfang ist ein ganzzahliges Vielfaches der Wellenlänge) werden verstärkt, andere löschen sich aus. Dadurch ergibt sich eine tiefste Resonanzfrequenz von durchschnittlich etwa 7,8 Hz.

Entdeckung

Über seinen Patentanwalt inspiriert, der Anteile an dem Elektrizitätswerk El Paso Electric Company in Colorado Springs besaß, baute Nikola Tesla ab Mai 1899 in dem damals nur dünn besiedelten Gebiet um Colorado Springs ein größeres Labor auf. Tesla wollte mit den geplanten Anlagen bis zur Weltausstellung Paris 1900 drahtlos „Nachrichten und Energie“ von der Ostküste der USA zu einer geplanten Empfangsstation nach Frankreich übertragen. Das aus Holz aufgebaute Labor beinhaltete verschiedene Spulen und Aufbauten und in der Mitte einen bis auf 50 m Höhe ausziehbaren Eisenmast, der dazu dienen sollte, Blitzentladungen einzufangen. Tesla bezeichnete in seinem damals geführten Tagebuch dieses Gebilde als magnifying transmitter, war aber gleichzeitig bemüht, möglichst wenig Information darüber nach außen dringen zu lassen. Sein Labor in Colorado Springs durfte von Außenstehenden nicht betreten werden.

Bei seinen Experimenten mit Blitzentladungen beschrieb er auch die im niederfrequenten Bereich in der Atmosphäre auftretenden stehenden Wellen. Er konnte diese Beobachtungen aber nicht systematisch einordnen, auch waren um 1900 der Aufbau der Atmosphäre und die Ionosphäre noch unbekannt.

1952 wurde das Phänomen von Winfried Otto Schumann und Herbert L. König wiederentdeckt und 1960 experimentell untersucht.[4]Bereits früher war die Existenz derartiger Resonanzen postuliert worden. In einer Serie von Artikeln in den Jahren 1952–57 behandelte Schumann das Phänomen unter Berücksichtigung von Dämpfung und Anregung der Resonanzen durch Blitze.

Die elektromagnetischen Wellen werden lokal leicht durch künstlich erzeugte Wechselfelder verdeckt. Bei der Vermessung des Frequenzspektrums in diesem niederfrequenten Bereich kann man auch stärkere künstlich erzeugte Wellen beobachten, so z. B. die Frequenzen des europäischen und des amerikanischen Stromnetzes (50 Hz bzw. 60 Hz) und amerikanischer bzw. russischer U-Boot-Kommunikationssysteme (76 Hz bzw. 82 Hz).

Mögliche Auswirkungen

Die Schumann-Frequenzen hängen eng mit dem ganzen Wettergeschehen zusammen, vielleicht auch mit der Auslösung von Erdbeben, da diese langwellige Strahlung nahezu ungeschwächt in die Erde eindringen kann. Allerdings transportiert diese Strahlung nur relativ geringe Energiebeträge. Die fundamentale Schumann-Frequenz stimmt aber auch auffallend mit der Gehirnfrequenz der meisten Säugetiere und namentlich mit den Theta-Wellen des menschlichen Gehirns überein. Dass diese elektromagnetische Erdresonanz genau mit den Eigenfrequenzen des Gehirns übereinstimmt, dürfte kaum ein Zufall sein und über ihren Einfluß auf das menschliche Bewusstsein wird viel spekuliert. Mancherorts sieht man sogar in künstlich erregten Schumann-Wellen eine Möglichkeit, sowohl das Wettergeschehen als auch das menschliche Denken zu beeinflussen.

Siehe auch

Literatur

  •  Kristian Schlegel, Martin Füllekrug: Weltweite Ortung von Blitzen: 50 Jahre Schumann-Resonanzen. Physik in unserer Zeit 33(6), 2002, ISSN 0031-9252, S. 256 – 261.
  •  John David Jackson: Klassische Elektrodynamik. 4. Auflage. Gruyter, Berlin 2005 (übersetzt von Kurt Müller, Christopher Witte), ISBN 978-3110189704.

Weblinks

Einzelnachweise

  1. Can Resonant Oscillations of the Earth Ionosphere Influence the Human Brain Biorhythm? - V.D. Rusov, Department of Theoretical and Experimental Nuclear Physics, Odessa National Polytechnic University, Ukraine [1]
  2. The electrical nature of storms By D. R. MacGorman, W. D. Rust, W. David Rust. Page 114.
  3. Recent advances in multidisciplinary applied physics By A. Méndez-Vilas. Page 65.
  4. R. Barra, D. Llanwyn Jones, C.J. Rodger (2000): ELF and VLF radio waves in Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics 62, Elsevier
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