Naar de sterren - Marysa van den Berg

De hartslag van de aarde
Welke geheimen leren we van de Schumannresonantie?
Geboren uit bliksem en gevangen tussen aardoppervlak en
atmosfeer, trekken elektromagnetische golven al
resonerend rond de aarde. Deze Schumannresonantie
gedraagt zich als natuurlijke versterker en vormt daarmee
een sleutel tot het ontrafelen van aardse én buitenaardse
fenomenen: van klimaat en aardbevingen tot zonnestormen
en kosmische explosies.
Tekst: Marysa van den Berg
Terwijl je dit leest, razen er zo’n tweeduizend onweersbuien over de aarde, die
samen circa vijftig bliksemflitsen per seconde produceren. Ze zijn de voedingsbron
voor de ‘hartslag’ van onze planeet: extreem lange, resonerende elektromagnetische
golven die met bijna de lichtsnelheid rondjes om de aarde draaien. Deze zogeheten
Schumannresonantie werd al in 1899 waargenomen door de bekende uitvinder
Nicola Tesla en in de jaren vijftig voorzien van een theorie door de natuurkundige
Winfried Otto Schumann.
Sindsdien zijn er vele honderden studies aan dit bijzondere fenomeen gewijd, maar
pas de laatste jaren weten we wat we ermee kunnen. De Schumannresonantie is
namelijk uiterst gevoelig voor verstoringen in de atmosfeer en het aardmagnetisch
veld. Daardoor kan ze dienen als wereldwijde thermometer, als voorspeller van
aardbevingen en als sensor voor ruimtefenomenen als zonnevlammen en
gammapulsen. En de resonantie van ándere planeten en manen zou ons zelfs
dingen kunnen leren over het oppervlak van deze objecten.
Pieken en dalen
De Schumannresonantie is een kind van de bliksem. De elektrische ontladingen in
een onweerswolk zijn net breedband-radiozendmasten. Ze genereren een hele reeks
elektromagnetische golven: van zichtbaar licht (de bliksem) via röntgen- en
gammastraling tot alle mogelijke radiofrequenties. De hoge frequenties doven al snel
uit, maar de zogenoemde extreem-lage-frequentie-golven (ELF-golven), tussen de 8
en 30 hertz (honderdduizenden malen langer dan de golven die je AM/FM-radio
oppikt), zitten gevangen in een ruimte rond de aarde, begrensd door de ionosfeer op
100 kilometer hoogte.
“Het aardoppervlak en de grens met de ionosfeer werken voor zulke lage
frequentiegolven als weerkaatsende spiegels”, legt elektrofysicus Alexander
Nickolaenko uit. De golven reizen in willekeurige richting rond de aarde en wanneer
ze elkaar tegenkomen, doen ze iets bijzonders: ze combineren met en versterken
elkaar, oftewel ze gaan resoneren. Vergelijk het met een schommel. Als je zo’n ding
in het midden een zetje geeft, rem je hem af. Maar geef je aan het eind van een
zwaai een duw in tegengestelde richting, dan geef je hem juist extra snelheid. Zo
versterken de overlappende toppen en dalen van de golven elkaar ook bij de
Schumannresonantie, waardoor ze op bepaalde frequenties kloppen als een aardse
‘hartslag’. Wanneer je een spectrum maakt van deze golven zie je grote pieken bij 8,
14, 20, 26 hertz enzovoort.
Aangezien de Schumannresonantie voortkomt uit bliksemschichten, geeft ze een
goed beeld van de beweging van onweersbuien. Anders dan met lokale
bliksemradars, kun je dankzij de Schumannresonantie zelfs onweerswolken aan de
andere kant van de aarde detecteren. De resonerende ELF-golven dienen namelijk
als een enorme versterker van het oorspronkelijke signaal. “Zo kan een onweersregio
tot op enkele honderden kilometers nauwkeurig worden achterhaald”, vertelt
geofysicus Gabriella Sátori.
Klimaatvoorspellingen
Losse bliksemflitsen zijn lastig aan te tonen in de Schumannresonantie, want de
golven die zij produceren gaan allemaal in elkaar op. Maar er zijn uitzonderingen.
Sátori: “Bepaalde gigantische elektrische ontladingen, zoals die gepaard gaan met
zogenoemde transient luminous events (TLE’s), verschijnen als plotselinge pulsen in
een spectrum.” Deze mysterieuze TLE’s zijn bijvoorbeeld sprites, oranje flitsen op 90
kilometer hoogte, en elves, zwakke oplichtende ringen ver in de ionosfeer. Beide
bestaan slechts een fractie van een seconde na een bliksemflits, maar door middel
van de Schumannresonantie zijn ze toch goed te detecteren.
En de Schumannresonantie doet nog meer weersvoorspellingen. Ze werkt namelijk
ook perfect als wereldwijde thermometer. “Hoe hoger de temperatuur, hoe meer kans
op een onweersbui”, vertelt Sátori. Uit sommige onderzoeken blijkt zelfs dat een
gemiddelde wereldwijde stijging van 1 graad Celsius de totale bliksemactiviteit met
de helft doet toenemen. Dankzij de natuurlijke versterking is dit verband extra goed
terug te zien in de Schumannresonantie. Door de jaren heen kunnen zo de kleinste
temperatuurverschillen worden aangetoond.
Ook zegt de resonantiesterkte iets over de hoeveelheid waterdamp in de opperste
troposfeer (tot ruim 15 kilometer hoogte). Deze waterdamp speelt als broeikasgas
een sleutelrol in klimaatverandering, maar is lastig direct te meten met radiosondes
vanwege de extreem lage temperaturen op die hoogte. Met Schumannresonantie
kan dit wel. Waterdamp veroorzaakt ladingsverschillen die alleen kunnen worden
opgeheven door uitzending van elektromagnetische energie. Die energie veroorzaakt
een verstoring in de resonerende ELF-golven daarboven. Sátori: “Met
langeretermijndata kunnen we zo in de toekomst klimaatverandering aantonen en
misschien zelfs voorspellen.”
Minibreukjes
Een totaal andere toepassing van de Schumannresonantie is die van
aardbevingsvoorspeller. De aardbodem zendt namelijk vlak voor een grote beving
bepaalde elektromagnetische golven uit. De Japanse deskundige Masashi
Hayakawa legt uit hoe dat werkt: “Wanneer je een plastic plaat buigt, zal hij op een
gegeven moment breken: de aardbeving. Maar vlak daarvoor ontstaan er al kleine
barstjes. Het ontstaan van dergelijke minibreukjes creëert ladingsverschillen in de
lucht erboven. Daardoor gaat er een soort stroom lopen en krijg je
elektromagnetische straling in allerlei frequenties, die vervolgens de resonanties in
de ionosfeer verstoren.”
Hayakawa onderzocht de afgelopen jaren de verstoringen van vele aardbevingen. Zo
zag hij dat een paar weken voor een grote aardbeving in Noord-Japan in 2004 het
normale resonantiepatroon met een paar hertz verschoof. En van de 22 bestudeerde
aardbevingen in Taiwan waren er maar vijf die niet zichtbaar in de
Schumannresonantiedata van Japan. Wat bijzonder is, aangezien de twee landen
2500 kilometer van elkaar liggen.
Kunnen we met resonantiespectra in de toekomst dus aardbevingen voorspellen?
Hayakawa: “Jazeker, wij hebben al een speciaal lab opgericht om het publiek te
informeren over mogelijke naderende aardbevingen, op basis van de verstoringen
die hogere frequentiegolven in de ionosfeer veroorzaken. Later zou dit ook mogelijk
moeten zijn voor de laagste frequenties.”
Gammaflits
Veel aardgebonden fenomenen sturen de Schumannresonantie dus in de war. Maar
ook ruimteweer kan dat en doet dat zelfs voortdurend. “Het gebrek aan zonnestralen
’s nachts leidt ertoe dat de onderste laag van de ionosfeer verdwijnt. De bovengrens
van de resonantieruimte daalt dan, wat weer zijn weerslag heeft op de golfgeleiding”,
vertelt Sátori. Na zonsondergang neemt de Schumannresonantie daardoor af, maar
na zonsopkomst wordt ze weer sterker.
Maar de echt grote verstoringen ontstaan als de zon tijdens een zonnestorm een
flinke stroom geladen deeltjes op de aarde afvuurt. “Die veroorzaken extra
ladingsverschillen in de ionosfeer en verlagen ook nog eens de hele luchtlaag boven
de polen. Dat maakt dat de ionosfeer de golven beter reflecteert, waardoor de
Schumannresonantie in frequentie toeneemt. Maar een extra hevige zonnestorm
veroorzaakt juist het tegenovergestelde: de resonantiefrequentie neemt af doordat de
ionosfeer zó laag wordt dat de golven sneller uitdoven”, legt Nickolaenko uit.
De zon is niet de enige buitenaardse bron die de aardse atmosfeer beïnvloedt.
Gammaflitsen doen dat ook. Zoals de intense gammaflits van 27 december 2004,
afkomstig van een neutronenster op 35.000 lichtjaar afstand. Nickolaenko: “Die flits
was honderdduizend maal sterker dan de sterkste zonnevlammen en liet de
ionosfeer boven de Stille Oceaan 20 kilometer zakken. Zoiets verstoort de
Schumannresonantie natuurlijk gigantisch.” Wetenschappers kunnen deze
verstoringen vervolgens gebruiken om dit soort buitenaardse signalen op te pikken
en te analyseren.
Begraven oceaan
De Schumannresonantie op aarde wordt al jaren bestudeerd. Maar hoe zit dat met
andere planeten? Kennen zij iets vergelijkbaars? “Voor een Schumannresonantie
heeft een planeet twee dingen nodig. Een atmosfeer met een ruimte die wordt
begrensd door twee geleidende en reflecterende lagen, en uiteraard een bron die de
elektromagnetische golven genereert”, vertelt fysisch sterrenkundige Christian
Béghin.
Dat maakt Venus, Mars, Jupiter, Saturnus en diens maan Titan potentiële
kandidaten. Venus vanwege de dichte atmosfeer en grote bliksemactiviteit. Op Mars
is nooit bliksem vastgesteld, maar ook zandstormen zouden de nodige elektrische
ontladingen kunnen veroorzaken. En van de gasreuzen Jupiter en Saturnus weten
we dat ze gigantische stormen met bliksemactiviteit kennen. Toch is bij geen van hen
ooit een Schumannresonantie waargenomen.
Bij Titan wél, voor het eerst in 2005. De Huygenssonde van de Cassini-Huygensmissie stelde een sterk resonerend signaal vast bij 36 hertz. “Bliksem is nooit
aangetoond,” zegt Béghin, “maar het enorme magneetveld van buur Saturnus
produceert een constante elektromagnetische energie die duizend maal sterker is
dan nodig voor de Schumannresonantie.” Nu heeft Titan geen goed geleidend
oppervlak, maar Béghin ontdekte iets anders. “Dankzij de Schumannresonantie
konden we de plaats berekenen van de onderste reflecterende laag. Die bleek 60
kilometer ónder het oppervlak te liggen. We denken nu dat daar een begraven
oceaan van ammonia ligt.”
Of we ooit nog een Schumannresonantie gaan ontdekken op andere planeten, is de
vraag. Zeker is dat de ‘hartslag’ van onze eigen planeet al een rijke schat aan
informatie oplevert. Zijn die onweersbuien toch nog ergens goed voor.
Wetenschapsjournalist Marysa van den Berg sprak voor dit artikel met dr. Gabriella
Sátori (Geodetisch en Geofysisch Onderzoeksinstituut, Hongaarse Academie van
Wetenschappen), prof. dr. Masashi Hayakawa (Universiteit van Elektro-Communicatie,
Tokio), dr. Alexander Nickolaenko (Usikov-instituut voor Radio-Fysica en Elektronica,
Nationale Academie van Wetenschappen, Oekraïne) en dr. Christian Béghin (FysischChemisch Laboratorium van Milieu en Ruimte, Universiteit van Orléans). Verder
raadpleegde ze onder meer de volgende literatuur:
- C. Béghin e.a.: Titan’s native ocean revealed beneath some 45 km of ice by a
Schumann-like resonance | Comptus Rendus Geoscience (mei 2010)
- M. Hayakawya e.a.: Recent studies of Schumann resonance and ELF transients |
Nova Science Publishers (2010).
- D.K. Haldar e.a.: Schumann resonance: a latest wonder for climate forecast! | General
Assembly and Scientific Symposium (13-20 augustus 2011)
- M. Hayakawa e.a.: Current status of seismo-electromagnetics for short-term
earthquake prediction | Geomatics, Natural Hazards and Risk (juni 2010)
Ga voor een filmpje over de Schumannresonantie en links naar meer informatie
naar www.kijk.nl/artikel/schumann