Schumann-Resonanz – einfach erklärt

Grundprinzip

Die Schumann-Resonanz ist das Phänomen, dass elektromagnetische Wellen bestimmter Frequenzen entlang des Erdumfangs stehende Wellen bilden. Erdoberfläche und Ionosphäre begrenzen dabei einen kugelschalenförmigen Hohlraumresonator: Die Erdoberfläche, größtenteils Salzwasser, ist ausreichend leitfähig, und die Ionosphäre darüber leitet gut. Seine Abmessungen bestimmen mögliche Resonanzfrequenzen. Die Signale haben eine sehr geringe Amplitude und sind daher nur mit sehr empfindlichen Instrumenten nachweisbar.

Blitze können diese Resonanzen anregen. Sie gehören zum Frequenzbereich von 3 Hz bis 30 Hz, der international Extremely Low Frequency genannt wird.

Entstehung und Frequenzen

Der mittlere Erdumfang beträgt u = 39.985 km; am Äquator 40.075 km, der Polumfang 39.940 beziehungsweise 40.007 km. Mit der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum c = 299.792.458 m/s ergibt sich rechnerisch c/u = 7,5 Hz für die niedrigste Frequenz.

Für einen Hohlraumresonator mit ideal leitenden Wänden lautet die Formel für die n-te Frequenz (n = 1, 2, 3 …):

ωₙ = (c/u) √(n(n+1))

Da die Erde keine ideal leitenden Wände besitzt, soll die Formel für beobachtete Werte mit 0,78 multipliziert werden. Daraus werden für n = 1, 2, 3 … die Frequenzen 7,83 Hz (Grundfrequenz), 14,3 Hz, 20,8 Hz, 27,3 Hz und 33,8 Hz angegeben. Der Artikel weist jedoch darauf hin, dass der Faktor 0,78 nicht belegt sei und die Rechnung für n = 1 mit diesem Faktor 8,271 Hz statt 7,83 Hz ergebe. Dispersion, Ionosphäreneffekte und weitere nicht ideale Eigenschaften führen außerdem zu geringfügigen Abweichungen der Messwerte; diese schwanken mit den Jahreszeiten.

Anregung und Nachweis

Blitze und andere Vorgänge senden in Atmosphäre und Ionosphäre ein breites Spektrum elektromagnetischer Wellen aus, die Sferics genannt werden. Niederfrequente Wellen breiten sich vor allem in der wenig leitfähigen Atmosphäre zwischen Erdboden und Ionosphäre aus; beide Begrenzungen leiten elektrisch ausreichend gut.

Wellen werden verstärkt, wenn sie sich nach einer Erdumrundung wieder in derselben Phase befinden. Das bedeutet: Der Erdumfang ist ein ganzzahliges Vielfaches der Wellenlänge. Andere Wellen löschen sich aus. So entsteht eine tiefste Resonanzfrequenz von durchschnittlich etwa 7,8 Hz.

Bei Messungen können künstlich erzeugte Wechselfelder die Signale leicht verdecken. Sichtbar sind dann zum Beispiel die Frequenzen der europäischen und amerikanischen Stromnetze von 50 Hz beziehungsweise 60 Hz sowie Frequenzen amerikanischer beziehungsweise russischer U-Boot-Kommunikationssysteme von 76 Hz beziehungsweise 82 Hz.

Entdeckung

Winfried Otto Schumann und Herbert L. König entdeckten das Phänomen 1952; 1960 wurde es experimentell untersucht. Die Existenz solcher Resonanzen war zuvor bereits postuliert und unter anderem von Nikola Tesla beschrieben worden, der sie aber nicht systematisch einordnen konnte. Schumann behandelte das Phänomen von 1952 bis 1957 in einer Artikelserie weiter, einschließlich der Dämpfung und der Anregung durch Blitze.