Реферат по предмету «Физика» на тему «Полярные сияния»

Министерство образования Российской Федерации

Министерство образования Республики Саха (Якутия)

Муниципальное образование «Ленский район»

Ленское районное управление образованием

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

«Средняя общеобразовательная школа №3 c

углубленным изучением английского языка г. Ленска»

Всероссийский конкурс ученических рефератов «Кругозор»

 

 

РЕФЕРАТпо предмету: «Физика»на тему: «Полярные сияния»

 

 

Выполнила:

ученица 8-А классаВласова Софья Вячеславовна

Преподаватель:

Башенхаева Марина Дамдиндоржиевна

 

Ленск 2012

Содержание

Введение…………………………………………………..……….3

Природа происхождения полярных сияний

2.1. Из истории полярных сияний…………………………………5

2.2. Первопроходец Ломоносов М. В……………………………..6

2.3. Высота появления полярных сияний…………………………9

2.4. Частота возникновения полярных сияний…………………..11

2.5 .Свечение полярного сияния………………………………….12

2.6. Опыт Биркеланна………………………………………………16

2.7. Теория Лоренца………………………………………………..18

3. Современные исследования полярных сияний

3.1. Авроральные овалы……………………………………………19

3.2. Искусственные полярные сияния……………………………20

3.3. Новые научные открытия…………………………………….21

3.4. Поиск истины продолжается…………………………………23

3.5. Полярные сияния на других планетах……………………….24

4. Заключение…………………………………………………………27

5. Список литературы………………………………………………..29

Приложение………………………………………………………..30

Введение

Полярное сияние – это удивительно красивое природное явление, которое неожиданно появляется в ночном небе и так же неожиданно исчезает. В древности люди находили различные объяснения внезапным небесным свечениям. Поэтому появилось очень много интересных мифов. Например, финская мифология ссылается на реку Ружа, которая горит огнем и означает границу между царством живых и мертвых. В норвежской мифологии часто упоминается мост Бифрост (Bifrost) — горящая дрожащая арка, пересекающая небо, по которой боги могли спускаться с неба на землю. На Руси полярные сияния называли пазорями или сполохами. Первое из этих слов указывает на сходство этого явления с зорями, а второе происходит от слова «полошить», то есть тревожить, беспокоить, поднимать тревогу. Долгое время его рассматривали как предвестник катастроф, эпидемий, голода, войн. В этом видели проявление гнева богов или других сверхъестественных сил.

В современном мире научные достижения приблизили нас ко многим разгадкам таинства природных явлений. И мы перестали бояться ярких полос в ночном небе. Когда я впервые увидела полярное сияние, испытала огромное чувство восхищения красотой длинных ярко-зеленых лент, уходящих вдаль. Я провела детство в поселке Светлом Мирнинского района Республики Саха (Якутия), расположенном среди тайги. И, несмотря на то, что в этих районах полярное сияние можно наблюдать каждую зиму, я всегда с новым чувством восхищения смотрела на ночное небо, раскрашенное светящимися полосами. Оно всегда разное: по цвету, по форме и размерам. Наблюдая это великолепное явление, поднимается настроение, кажется, что наступил праздник зимней ночи. И обязательно возникают вопросы. Почему появляется полярное сияние? Почему меняются цвета, формы?

Актуальность:

Если человечество будет стремиться к изучению природных явлений, то во время этого долгого интересного пути, мы сможем увидеть прекрасный хрупкий мир самой природы. Люди должны понять, что кроме холодного блеска мертвого камня алмаза, так необходимых человечеству нефти и газа, которые добываются на Крайнем Севере, существует и незримая связь между природой и человеком. И эта связь нещадно рвется бульдозерами, взрывами в карьерах. Я считаю, что в современном мире нет более актуальных тем, чем тех, которые связаны с природой. Почему-то во время гонки за обогащением личным или государственным, люди забыли: человек и природа — это единое целое. И именно человек часть природного мира, и ни как не наоборот.

Гипотеза:

Полярное сияние – это природное явление, которое можно объяснить, опираясь на законы физики.

Цель:

Рассмотреть и изучить полярное сияние и объяснить взаимосвязь этого природного явления с законами физики

Задачи:

Подбор научно-популярной литературы.

Выявить причины образования полярных сияний.

Рассмотреть виды полярных сияний.

Изучить полярное сияние, опираясь на последние научные открытия.

Методы:

Эмпирический (поисковый)

Описание

Аналитический анализ информации.

Подбор фотографий, иллюстраций.

2. Природа происхождения полярных сияний

. Из истории полярных сияний.

Одно из самых красивых и величественных природных явлений – это полярное сияние. Во многих местах земного шара, расположенных на сравнительно высоких широтах, преимущественно за северным и южным полярным кругом, во время долгой полярной ночи часто наблюдают на небе поразительной красоты: на небе вдруг вспыхивает свечение разнообразной окраски и формы. Иногда оно имеет вид однородной дуги, неподвижной или пульсирующей, иногда как бы состоит из множества лучей разной длины, которые переливаются, сливаются в виде лент и драпировок и т. п. Цвет этого свечения желтовато-зеленый, красный, серо-фиолетовый (рисунок 1).

Описан интересный исторический факт русскими летописцами. В 1242 году на льду Чудского озера воины Александра Невского яростно сражались с тевтонскими рыцарями, закованными в железо. Во время битвы неожиданно на небе вспыхнуло полярное сияние. Сноп ярких лучей — красноватых, бледно-зеленых, фиолетовых, вдохновили великого русского князя. Решив, что это Божье знамение, предвещающее победу, Александр Невский и его воины ринулись в бой с удесятеренной силой и победили. Летописец повествует о том, что очевидцы единодушно приняли сполохи за «небесное воинство», пришедшее на помощь русским войскам: «Се же слышах от самовидца, и рече ми, яко видех полк Божий на въздусе, пришедше на помощь Александрови, и мнози видеша вернии полки Божиа, помогающи Александру».

Антоний де Уллоа во время своего путешествия вокруг мыса Горн в 1745 г. много раз видел полярные сияния в Южном полушарии. В 1773 г., плавая в южных водах, капитан Кук наблюдал несколько полярных сияний, которые совпадали по дате с сияниями, видимыми в Европе[1].

Английский мореплаватель Джеймс Кук был одним из первых, кто не только дал их описание в южном полушарии, но и обратил внимание на то, что полярные сияния появляются в высоких широтах обоих полушарий одновременно.

Далее было установлено, что сияния здесь так же часты, как и в Северном полушарии. С тех пор термин «aurora australis» («южная заря») стали относить к полярным сияниям, появляющимся у Южного полюса, а термин «aurora borealis» («северная заря») — к сияниям у Северного полюса Земли. Теперь и те и другие сияния объединены под общим названием «aurora polaris» («полярная заря»), но чаще употребляется — «полярные сияния»[2].

2.2. Первопроходец Ломоносов М. В.

Первым учёным, которого заинтересовала природа полярного сияния, был великий русский учёный М. В. Ломоносов. Ломоносов родился и вырос в Поморье (Архангельская область). В этих местах полярное сияние не было редким явлением. И возможно, пытливый ум будущего ученого уже тогда задумывался над происхождением столь красивого явления природы.

Великий русский ученый в 1743 году напишет оду «Вечернее размышление о Божием величестве при случае великого северного сияния»:

Но где ж, натура, твой закон? HYPERLINK «http://www.rvb.ru/18vek/lomonosov/02comm/031.htm» \l «c2» С полночных стран встает заря!Не солнце ль ставит там свой трон?Не льдисты ль мещут огнь моря?Се хладный пламень нас покрыл!Се в ночь на землю день вступил!

Что зыблет ясный ночью луч?Что тонкий пламень в твердь разит?Как молния без грозных тучСтремится от земли в зенит? HYPERLINK «http://www.rvb.ru/18vek/lomonosov/02comm/031.htm» \l «c3» Как может быть, чтоб мерзлый пар HYPERLINK «http://www.rvb.ru/18vek/lomonosov/02comm/031.htm» \l «c3» Среди зимы рождал пожар?

Так что же полярное сияние? Ответ на вопрос первым нашел Михаил Васильевич Ломоносов. Проведя бесчисленное количество опытов, он высказал предположение об электрической природе этого явления.

В 1753 году Михаил Васильевич делает большой доклад — «Слово о явлениях воздушных, от электрической силы происходящих», в котором была представлена теория атмосферного электричества.

На основе проделанной работы над изучением природы электричества Ломоносов выдвигает теорию северных сияний. Он считал их электрическим свечением в крайне разреженной атмосфере — на очень большой высоте над землей. Наблюдая полярные сияния, Ломоносов определил высоту, на которой происходит это замечательное явление. “Северное сияние нарочито порядочное… — писал он в одном из своих сочинений, — приметил я здесь в С.-Петербурге и сколько возможно было смерил…”, писал Ломоносов в «Изъяснениях, надлежащих к слову об электрических воздушных явлениях»[1]

Ломоносов нашёл, что нижний край наблюдаемого полярного сияния находится примерно на высоте 150 километров от земной поверхности. Таким образом, было установлено, что явления полярного сияния происходят в высоких разреженных слоях атмосферы.

Какие же силы вызывают это замечательное явление природы? Ломоносов предположил, что причиной полярных сияний служат электрические разряды, происходящие в разреженных слоях воздуха. Ещё раньше, изучая проявления электричества, он нашёл, что в разреженном воздухе можно при известных условиях наблюдать электрическое свечение. Такое свечение Ломоносов называл “электрическим светом третьего рода”. М. В. Ломоносов первый провел опыт по свечению разреженных газов в электрическом поле. Он выкачивал из стеклянного шара воздух и пропускал через него электрический  ток.  В шаре появлялся “бледный и слабый свет”, “…возбуждённая Электрическая сила в шаре, из которого воздух вытянут, — писал учёный, — внезапные лучи испускает, которые во мгновение ока исчезают, и в то же почти время новые на их местах выскакивают, так что беспрерывное блистание быть кажется”.

     Из этих опытов Ломоносов сделал смелое предположение: “…весьма вероятно, — писал он, — что северные сияния рождаются от происшедшей на воздухе электрической силы. Подтверждается сие подобием явления и исчезания, движения, цвету и виду, которые в северном сиянии и в электрическом свете третьего рода показываются”[1].

   Великий русский учёный в основном дал совершенно правильное объяснение природы полярного сияния. Теперь хорошо известно, что это явление действительно представляет собою свечение разреженного воздуха в высоких слоях атмосферы, возбуждаемого электрически заряженными частичками.

Ломоносов наметил решение и других вопросов, связанных с возникновением полярных сияний. Главный из них состоял в том, какова физическая природа источника быстрых заряженных частиц. Ломоносов предположил, что такие частицы возникают благодаря излучению Солнца в результате вспышек на его поверхности.

Исследуя свечение разреженных газов при пропускании через них электрического тока, а, также изучая природу атмосферного электричества, М. В. Ломоносов произвел многочисленные эксперименты. В конце жизни он начал работать над монографией «Испытание причин северного сияния», которая осталась незаконченной. В ней Ломоносов писал: «Родившись и жив до возраста в таких местах, где северные сияния часто случаются, не без сожаления вспоминаю, что не мог пользоваться внимательным наблюдением разных перемен и обстоятельств, бывающих при таковых явлениях».

В дальнейшем труды Михаила Васильевича Ломоносова послужили для многих открытий, а также и для изучения полярных сияний. Опыты Ломоносова по воспроизведению северных сияний на моделях были повторены только спустя 175 лет. Наблюдавшееся Ломоносовым свечение было по существу явлением электрического разряда в разреженном воздухе.

2.3. Высота появления полярных сияний

После научных трудов Ломоносова еще долгое время природа и происхождение полярных сияний оставалась совершенно загадочными, и только сравнительно недавно удалось подойти к решению этой загадки.

Прежде всего, удалось опытным путем официально установить, на какой высоте вспыхивают полярные сияния. Для этого фотографировали одно и то же сияние из двух точек, отстоящих одна от другой на несколько десятков километров. По этим фотографиям удалось выяснить, что полярные сияния возникают на высоте от 90 до 1000 км над Землей, чаще всего на высоте около 100 км. Расчеты, выполненные на основе множества фотонаблюдений, на Аляске, в Канаде и, особенно, в Норвегии, показывают, что около 94% полярных сияний приурочено к высотам от 90 до 130 км над земной поверхностью. Максимальная до сих пор зарегистрированная высота появления полярного сияния – около 1130 км, минимальная – 60 км. Кстати, именно на этой высоте проходит условная граница нижнего предела ионосферы.

Излучение Солнца ионизирует атомы и молекулы атмосферы. Степень ионизации становится существенной уже на высоте 60 километров и неуклонно растет с удалением от Земли. На различных высотах в атмосфере происходит ионизация различных атомов и ионов. В основном это молекулы кислорода, и их атомы. В зависимости от интенсивности этих процессов различные слои атмосферы, лежащие выше 60-ти километров, называются ионосферными слоями. Ионосферные слои – это области в атмосфере, в которых достигаются максимальные значения концентрации свободных электронов. А ионосферой называется совокупность ионизированных слоев земной атмосферы, начинающаяся с высот порядка 60 км и простирающаяся до высот в десятки тысяч км (рисунок 3).

В 1930-е были начаты систематические наблюдения за состоянием ионосферы. В нашей стране по инициативе М.А.Бонч-Бруевича были созданы установки для импульсного ее зондирования. В результате исследованы многие общие свойства ионосферы, высоты и электронная концентрация основных ее слоев.

Основной источник ионизации земной атмосферы излучение Солнца. Кроме того, на степень ионизации верхней атмосферы влияют солнечные потоки, возникающие во время вспышек на Солнце.

2.4. Частота возникновения полярных сияний

Полярные сияния не всегда появляются одинаково часто. В одни годы их бывает меньше, в другие больше. Многолетние наблюдения показали, что периоды максимальной частоты полярных сияний регулярно повторяются через 11,5 года. В течение каждого такого промежутка число полярных сияний сначала от года к году убывает, а затем начинает возрастать, чтобы через 11,5 года снова достичь максимума.

При наблюдении поверхности Солнца уже давно были замечены на его диске неправильной формы темные пятна, часто изменяющие свой вид и положение на солнечном диске. Оказалось, что число и общая площадь этих пятен изменяется год от году не случайно, а периодически, с тем же периодом в 11,5 года. При этом в эти годы максимума солнечных пятен или, как говорят, в годы максимальной солнечной активности, достигает максимума и число полярных сияний, а по мере уменьшения числа пятен ослабевают и полярные сияния. Такой же ход имеет и число магнитных бурь, которое также достигает максимума в годы наибольшей солнечной активности. В самые последние годы удалось установить такого же характера связь между солнечной активностью (числом пятен) и условиями распространения радиоволн в верхних слоях атмосферы.[1]

Наблюдения по программе Международного геофизического года (МГГ) совпали с периодом наиболее высокой солнечной активности за весь срок систематических метеорологических наблюдений, т.е. с начала 18 века. В периоды высокой активности яркость некоторых областей на Солнце возрастает в несколько раз. Такие явления называются вспышками на Солнце. Они продолжаются от нескольких минут до одного — двух часов. Во время вспышки извергается в космическое пространство солнечная плазма (в основном протоны и электроны) (рисунок 4).

Плазма — особое, своеобразное, широко распространенное состояние вещества в природе; ее часто называют четвертым состоянием вещества. Плазма — это молния, искра при коротком замыкании, светящийся след ракеты; это радужное кружево неоновой рекламы, это и полярные сияния[1].

В общем, можно сказать так: плазма представляет собой ионизированный газ и состоит из трех компонентов — свободных электронов, положительных ионов и нейтральных атомов или молекул.Теперь представьте, на Солнце происходит вспышка и элементарные частицы – плазма — устремляются в космическое пространство. Плазменное излучение Солнца в моменты таких вспышек оказывает сильное воздействие на атмосферу Земли. Вспышки северного сияния обычно наблюдаются через день-два после вспышек на Солнце. Это служит непосредственным доказательством взаимосвязи между упомянутыми явлениями.

Следовательно, выявлена тесная связь с активностью деятельности Солнца. Когда на нем происходят взрывы, в ионосферу Земли устремляются заряженные частицы. Сталкиваясь с частицами разреженных газов, находящихся в ионосфере, они заставляют их светиться: чем активнее Солнце, тем Северное сияние охватывает большее пространство небесного свода. Особенно сильным это явление бывает в период максимума 11-летнего цикла солнечной активности.

2.5. Свечение полярного сияния

Было выяснено, что полярные сияния представляют собой свечение разреженных газов земной атмосферы, до известной степени сходное с тем свечением, которое наблюдается в разрядных трубках. Электроды стеклянной трубки подключаются к источнику постоянного тока. При атмосферном давлении газ внутри трубки остаётся тёмным, так как приложенное напряжение в несколько тысяч вольт недостаточно для того, чтобы пробить длинный газовый промежуток. Если из стеклянной трубки откачивать воздух, понижая тем самым давление в ней, то при достаточно низком давлении, в ней вспыхнет электрический разряд, и мы увидим свечение (рисунок 5).

На атмосферу действует сила земного притяжения, которая удерживает воздушную оболочку у поверхности Земли. Атмосферные газы сжимаются под действием собственного веса. Это сжатие максимально у нижней границы атмосферы, поэтому и плотность воздуха здесь наибольшая. На любой высоте над земной поверхностью степень сжатия воздуха зависит от массы вышележащего столба воздуха, поэтому с высотой плотность воздуха уменьшается. Давление, равное массе вышележащего столба воздуха, приходящейся на единицу площади, находится в прямой зависимости от плотности и, следовательно, также понижается с высотой. Таким образом, понятие разреженного воздуха или атмосферы связано с уменьшением атмосферного давления.

Если бы атмосфера представляла собой «идеальный газ» с не зависящим от высоты постоянным составом, неизменной температурой и на нее действовала бы постоянная сила тяжести, то давление уменьшалось бы в 10 раз на каждые 20 км высоты. Реальная атмосфера незначительно отличается от идеального газа примерно до высоты 100 км, а затем давление с высотой убывает медленнее, так как изменяется состав воздуха.

Все источники света можно разделить на два типа. К первому относятся те, свечение которых обусловлено высокой температурой, ко второму – так называемое холодное свечение.

Самый «универсальный» способ заставить тело испускать свет – сильно нагреть его. Так излучают свет раскаленная спираль электрической лампочки, Солнце и звезды, свечка, факел и другие горящие вещества и тела. Когда горит свеча или факел, светятся мельчайшие раскаленные частички угля в пламени. Чем выше температура, тем более энергично движутся и сталкиваются атомы в веществе. При этом электроны в атомах возбуждаются и переходят на уровни с повышенной энергией. В этом состоянии электроны находятся недолго (миллиардные доли секунды), после чего они теряют избыток энергии. Эта потеря сопровождается испусканием кванта света – фотона.

Ко второму типу относится свечение, не связанное с нагреванием – люминесценция. Ее можно видеть в огнях рекламы (которую по традиции иногда называют «неоновой»); светятся экраны телевизоров и компьютеров, таблички «выход» в залах театров и кинотеатров, светятся цифры и стрелки на некоторых приборах, светятся ночью волны в океане и светлячки в лесу. Свет полярных сияний – это тоже люминесценция. Слово «люминесценция» произошло от латинского слова lumen – свет.

Для люминесценции необходимо предварительное накопление в теле энергии – энергии возбуждения. Она то и будет потом высвечиваться телом. Высвечивание может происходить сразу же после получения телом энергии возбуждения: тело люминесцирует, пока оно получает энергию возбуждения. Как только прекращается возбуждение – прекращается свечение. Такую люминесценцию называют флуоресценцией. Примером является светящийся экран телевизора. Если же люминесценция наблюдается уже после прекращения возбуждения (тело светится от нескольких секунд до нескольких часов) – это фосфоресценция. Это светящиеся циферблат часов, дорожные указатели.

Люминесценцию полярных сияний относят к флуоресценции. Итак, полярное сияние — это люминесцентное свечение, возникающее в результате взаимодействия летящих от Солнца заряженных частиц (электронов и протонов) с атомами и молекулами земной атмосферы. Появление же этих заряженных частиц в определенных районах атмосферы и на определенных высотах есть результат взаимодействия солнечного ветра с магнитным полем Земли[1].

Основную роль в возникновении свечения полярных сияний играют столкновения космических электронов и протонов с атомами и молекулами кислорода и азота. В результате этих столкновений атомы и молекулы возбуждаются или ионизируются.

При возбуждении происходит изменение электронной оболочки микрочастицы, связанное с переходом ее в возбужденное состояние. Но так как столкновение – это процесс кратковременный, возбужденная частица вскоре возвращается в основное состояние. В момент перехода из возбужденного состояния в основное и происходит испускание фотона люминесцентного излучения.

При ионизации частично разрушается ее электронная оболочка. В этом случае микрочастица теряет электрон и превращается в атомарный или молекулярный ион. Ион рекомбинирует со свободным электроном и так же переходит в свое основное состояние. В момент перехода будет излучаться световой фотон. Это люминесцентное свечение наблюдается, когда в небе светится полярное сияние[2].

Таким образом, свечение вызвано взаимодействием атомов и молекул на высотах 90-1000 км с заряженными частицами больших энергий (электронами и протонами), вторгающимися в земную атмосферу из космоса. Соударения частиц с верхней атмосферой (кислородом и азотом) приводят к возбуждению последних, т. е. к переходу в состояние с более высокой энергией. Возврат в начальное, равновесное состояние происходит путём излучения квантов света характерных длин волн.

Анализ спектров излучения в полярных сияниях показывает, что при столкновении энергичных частиц плазменного слоя с верхними слоями атмосферы входящие в её состав атомы и молекулы газов приходят в состояние возбуждения, заставляющее их светиться в видимом нам диапазоне. Высота появления полярного сияния в определённой мере зависит от сложности состава атмосферы планеты. На высотах 200-400 километров наблюдают зелёное и жёлтое свечение кислорода. На высоте около 110 километров — совместное свечение кислорода и азота (красный и фиолетовый). Доказано, что водород тоже принимает в этом процессе участие[1]. Атомы водорода, могут образоваться в верхних слоях атмосферы из протонов, прилетевших с Солнца. Захватив электрон, такой протон превращается в возбужденный атом водорода и излучает красный свет.

По яркости сияния разделяют на четыре класса, отличающиеся друг от друга на один порядок (то есть в 10 раз). К первому классу относятся сияния, еле заметные и приблизительно равные по яркости Млечному Пути, сияние же четвертого класса освещают Землю так ярко, как полная Луна.

2.6. Опыт Биркеланна

Тот факт, что как полярные сияния, так и возмущения магнитного поля Земли концентрируются в одних и тех же поясах, приводит к выводу, что те и другие вызваны воздействием движущихся с высокой скоростью электрически заряженных частиц (протонов и электронов), испускаемых активными областями на Солнце (вспышками), и проникающих в зоны полярных сияний под воздействием магнитного поля Земли [2].

Эта идея была выдвинута Ойгеном Гольдштайном еще в 1881 и получила подтверждение в результате лабораторных экспериментов, впервые проведенных Кристианом Биркеланном [2].

Норвежский ученый Биркеланн высказал предположение, что пятна на Солнце являются теми местами, откуда с огромной скоростью выбрасываются в окружающее пространство потоки заряженных частиц – электронов. Попадая в верхние слои нашей атмосферы, они заставляют светиться составляющие ее газы, подобно тому, как светятся под влиянием ударов электронов в разрядной трубке. Эти же электроны оказывают влияние на магнитное поле земли и на условия распространения радиоволн вблизи земной поверхности.

Он поместил внутрь катодной трубки железный шар, названный им «терреллой», который является моделью Земли и представляет собой электромагнит, покрытый оболочкой, фосфоресцирующей под действием катодных лучей. Когда Биркеланн подвергал шар действию катодных лучей, испускаемых непосредственно в камере, они падали на поверхность шара вокруг магнитных полюсов, образуя пояса свечения, подобные поясам полярных сияний (рисунок 6).

Позднее математическая разработка этой проблемы была реализована Карлом Фредериком Стёрмером. Она получила известность как теория Биркеланна – Стёрмера, однако содержала в своей основе допущение, что от Солнца исходит поток частиц с одинаковыми электрическими зарядами. Правомерность этого допущения весьма спорна, так как такой поток частиц не мог бы приблизиться к Земле из-за электростатического отталкивания между одноименно заряженными частицами [1].

Фредерик А.Линдеман предположил в 1919, что поток заряженных частиц в целом электрически нейтрален, так как состоит из одинакового количества положительных и отрицательных зарядов. Эта идея была развита Сидни Чепменом и Винсентом С.А.Ферраро и несколько модифицирована Дэвидом Ф.Мартином. Тем не менее, и эта теория тоже вызывает сомнения. Она предполагает существование вакуума в экзосфере и за пределами атмосферы, однако недавние наблюдения в этих областях пространства указывают на наличие заряженных частиц [1].

2.7. Теория Лоренца

Почему же полярные сияния наблюдаются только в высоких широтах, т. е. в местностях не очень удаленных от земных полюсов? Ведь солнечные лучи освещают всю Землю. На этот вопрос ответил другой Норвежский ученый Штермер. Заряженные частицы, испускаемые Солнцем, подходя к Земле, попадают в земное магнитное поле. Здесь на них действует сила Лоренца, отклоняющая их от первоначального прямого пути. Штермер произвел сложные математические вычисления и рассчитал пути этих электронов в магнитном поле Земли. Он показал, что, действительно, заряженные частицы, отклоняемые земным магнитным полем, могут попадать только в приполярные области земного шара.

Эта теория, основанная на учете действия силы Лоренца, отклоняющей заряженные частицы, которые движутся в магнитном поле Земли, хорошо согласуется с большим числом известных из опыта фактов и является в настоящее время общепринятой[1].

    Итак, наш земной шар представляет собою огромный магнит. Как и всякий другой магнит, он окружён магнитным силовым полем. Имеет земной магнит и свои  магнитные  полюсы — северный и южный. Они находятся вблизи географических — северного и южного — полюсов Земли. Если посмотреть на компас, то мы увидим, что магнитное силовое поле Земли действует на маленькую магнитную стрелку так, что она становится вдоль силовых линий земного магнитного поля — в направлении север — юг. Влияет магнитное поле Земли и на поток электрически заряженных частиц, идущий от Солнца; под действием этого поля поток электронов отклоняется к магнитным полюсам Земли — северному и южному. Вот почему полярные сияния и возникают близ полюсов (рисунок 7).

     Разноцветные дуги и пучки переливающихся лучей, которые мы видим на небе во время полярных сиянии, связаны, очевидно, с направлением действия магнитных сил Земли. Благодаря непрерывным изменениям этих сил беспрерывно меняется, “играет”, и свечение верхних слоев воздуха над Землёй.

Современные исследования полярных сияний

Авроральные овалы

Если смотреть на нашу планету из космоса, находясь где-то над Северным полюсом, полярные сияния будут образовывать светящийся венчик над планетой, овал, окружающий полюс. Этот овал и есть та область, где полярные сияния наблюдаются наиболее часто. Ее называют овальной зоной полярных сияний или, иначе, авроральной зоной. Их диаметр составляет около 3000 километров во время нормальной активности Солнца. Фактически полярные сияния происходят в этой зоне все время. Положение овала зоны фиксировано по отношению к Солнцу. В течение суток Земля совершает оборот под этим овалом. Наряду с зоной сияний вблизи Северного полюса существует такая же зона в Южном полушарии — вблизи Южного полюса. Однако во времена HYPERLINK «http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%BE%D0%BB%D0%BD%D0%B5%D1%87%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D0%B0%D0%BA%D1%82%D0%B8%D0%B2%D0%BD%D0%BE%D1%81%D1%82%D1%8C» \o «Солнечная активность» солнечной активности авроральный овал расширяется, и полярные сияния могут наблюдаться в более низких широтах — на 20—25° южнее или севернее границ их обычного проявления (рисунок 8).

При воздействии плазмы на магнитное поле Земли возникают магнитогидродинамические волны. Эти волны и ускоренные заряженные частицы, движущиеся вдоль геомагнитных силовых линий, вызывают магнитные бури. Ускоренные частицы проникают до высоты около 95 км в зоны полярных сияний, образуя плотные ядра ионизации вдоль геомагнитных силовых линий и вызывая электромагнитную эмиссию полярных сияний в результате взаимодействия с основными компонентами верхних слоев атмосферы – кислородом и водородом[1].

Следовательно, северные сияния возникают вследствие бомбардировки верхних слоёв атмосферы заряженными частицами, движущимися к Земле вдоль силовых линий геомагнитного поля из области околоземного космического пространства, называемой плазменным слоем. Проекция плазменного слоя вдоль геомагнитных силовых линий на земную атмосферу имеет форму колец, окружающих северный и южный магнитные полюса (авроральные овалы).

3.2. Искусственные полярные сияния

Наиболее убедительным доводом в пользу того, что мы понимаем какое-нибудь физическое явление, является его повторение в лаборатории. Это удалось сделать и для полярного сияния — создать его искусственно в лаборатории с масштабами нашей планеты. Этот эксперимент, получивший название «Аракс», начат в 1985 году совместно российскими и французскими исследователями. В качестве лабораторий были выбраны две магнитосопряженные точки на поверхности Земли (то есть две точки на одной и той же силовой линии магнитного поля). Ими были в южном полушарии французский остров Кергелен в Индийском океане и в северном полушарии поселок Согра в Архангельской области. С острова Кергелен стартовала геофизическая ракета с небольшим ускорителем частиц, который на определенной высоте создал поток электронов. При движении вдоль магнитной силовой линии от Земли, которая над экватором была уже на расстоянии 20 000 км, эти электроны проникли в северное полушарие и вызвали искусственное полярное сияние над Согрой. К сожалению, облака не позволили визуально наблюдать это сияние с поверхности Земли. Однако радарные установки четко зарегистрировали его возникновение. Название «Аракс» составлено из первых букв французских слов Artificiel polaire aurore — Kergelen — Sogra, которые в переводе означают «искусственное полярное сияние-Кергелен-Согра».

Эксперименты описанного типа не просто позволяют понять причины и механизм возникновения полярного сияния. Они дают уникальную возможность изучать структуру магнитного поля Земли, процессы в ее ионосфере и влияние этих процессов на погоду вблизи земной поверхности. Особенно удобно выполнять такие эксперименты не с электронами, а с ионами бария. Оказавшись в HYPERLINK «http://www.astronet.ru/db/search.html?not_mid=1173555&words=%E8%EE%ED%EE%F1%F4%E5%F0%E0» ионосфере, эти ионы возбуждаются солнечным светом и начинают испускать излучение малинового цвета.

3.3. Новые научные открытия

Многие ученые давно подозревали, что полярное сияние должно быть симметрично относительно экватора. То есть если оно появляется в Северном полушарии, то его должно быть видно и в Южном. Но эмпирических данных для того, чтобы подтвердить эти догадки было мало, и они были в основном, так сказать, исторического свойства. Например, капитан Джеймс Кук 16 сентября 1770 года наблюдал полярное сияние в Южном полушарии, а недавно в Китае были найдены документы, из которых следовало, что в этот же день сияние было и в Северном полушарии. И вот 22 октября 2001 года зонд НАСА Polar, запущенный в 1996 году для изучения полярных сияний, радиационных поясов и магнитного поля Земли, зафиксировал одновременно полярные сияния в обоих полушариях — то есть Аврора Бореалис (Северное сияние) и Аврора Аустралис (Южное сияние). Оказалось, что это явление в Северном и Южном полушариях не только взаимосвязано, но и просто-напросто является зеркальным взаимоотражением! (рисунок 9)[1]

Для изучения полярного сияния в 2007 году NASA вывела на орбиту спутниковую группировку «Фемида» (THEMIS). С ее помощью были исследованы магнитные возбуждения, которые лежат в основе полярного сияния. Магнитное поле Земли находится под постоянным давлением космического излучения и защищает нашу планету от заряженных частиц (в основном солнечного происхождения). Однако часть частиц всё же прорывается в атмосферу, образуя так называемые магнитосферные суббури (substorms). Именно они порождают яркие картины свечения верхней атмосферы Земли.

В феврале 2008 года с помощью «Фемиды» удалось подробно зафиксировать соответствующие колебания магнитного поля. Слева: внезапный выброс солнечной энергии и соответствующее искривление линий магнитного поля вызывают полярное сияние (рисунок 10). Справа: визуализация суббури (иллюстрации NASA). По мнению руководителя проекта Вассилиса Ангелопулоса, штормы зарождаются на «ночной» стороне Земли. Всё начинается с разрушения (пересоединения) силовых линий магнитного поля в результате внезапного и резкого увеличения давления солнечного ветра. Магнитное поле выступает в данном случае в качестве эластичного жгута, который, изогнувшись, растянувшись и выпрямившись обратно, выбрасывает в нашу сторону часть захваченных высокоэнергетических частиц. В принципе, о явлении пересоединения было известно уже давно, однако, по словам доктора Ангелопулоса, его впервые удалось напрямую увязать с полярными сияниями[2].

3.4. Поиск истины продолжается

Исследования последних десятилетий, включая изучение явления с искусственных спутников Земли и ракет, существенно обогатили наши знания о полярных сияниях. Накоплен большой фактический материал об окружающем нашу планету пространстве, состоянии межпланетной среды и солнечном излучении, включая потоки заряженных частиц. И, тем не менее, проблема полярных сияний еще далека от своего решения.

Действительно, мы знаем, что это свечение верхней атмосферы в высоких широтах северного и южного полушарий Земли вызвано энергичными заряженными частицами, вторгающимися в земную ионосферу на своем пути от Солнца. Известны и основные закономерности проявления полярных сияний: их зависимость от высоты, географического положения, солнечной активности, возмущений магнитного поля Земли и т.д. Проделана колоссальная работа по систематизации видов полярных сияний. Согласно принятой классификации формы полярных сияний делятся на три группы: лентообразные, диффузные и лучи.

Полярные сияния отличаются исключительным многообразием форм и структур, что свидетельствует о многообразии и сложности физических процессов, происходящих в атмосфере Земли и околоземном пространстве. В настоящее время мы еще не можем не только описать количественно это явление, но даже предсказать заранее многие закономерности предстоящего полярного сияния. До сих пор неясна связь полярных сияний с погодой. Чаще наблюдаются в морозные ночи. Объяснения этому пока нет.

Полярные сияния говорят о месте и времени воздействия Космоса на земные процессы. Вторжение заряженных частиц, которые вызывают полярное сияние, влияет на многие стороны жизни на Земле. Изменяется содержание озона и электрический потенциал ионосферы, нагрев ионосферной плазмы возбуждает волны в атмосфере. Все это сказывается на погоде. Из-за дополнительной ионизации в ионосфере начинают течь значительные электрические токи, магнитные поля которых искажают магнитное поле Земли, что прямо влияет на здоровье многих людей. Таким образом, изучая полярные сияния и связанные с ними процессы, мы сможем понять, как Космос воздействует на окружающий нас мир[1].

3.5. Полярные сияния на других планетах

Интересно так же, что северное сияние наблюдается и на других планетах Солнечной системы (в основном это планеты-гиганты) и с помощью внеатмосферных телескопов (космический телескоп «Хаббл») получены достаточно чёткие изображения полярных сияний этих планет.

Планеты — гиганты – это Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Магнитные поля этих планет Солнечной системы значительно сильнее магнитного поля Земли, что обуславливает больший масштаб северных сияний этих планет по сравнению с северными сияниями Земли. Особенностью наблюдений с Земли планет-гигантов является то, что они обращены наблюдателю освещённой Солнцем стороной и в видимом диапазоне их северные сияния теряются в отражённом солнечном свете. Спектры полярных сияний зависят от состава атмосфер планет: так, например, если для Земли наиболее яркими являются линии излучения возбуждённых кислорода и азота в видимом диапазоне, то для Юпитера — линии излучения водорода в ультрафиолете.

Группа астрономов из Университета Льежа (Liège University), HYPERLINK «http://www.vokrugsveta.ru/encyclopedia/index.php?title=%D0%91%D0%B5%D0%BB%D1%8C%D0%B3%D0%B8%D1%8F» Бельгия, обнаружили на Юпитере, крупнейшей планете Солнечной системы, полярные пятна, по многим параметрам напоминающие земное северное сияние. Разница в происхождении этих явлений на Земле и на Юпитере заключается в том, что на Земле явление зависит от огибающих планету по полюсам заряженных частиц Солнца, а на Юпитере аналогичные частицы летят от его спутника Ио. Ио является самым вулканически активным телом во всей Солнечной системе – на нем находится несколько сотен вулканов, а практически вся поверхность Ио состоит из остывающей или уже остывшей лавы.

Несмотря на разделяющее Ио и Юпитер расстояние, между ними есть сильное гравитационное взаимодействие. Юпитер обладает более сильной гравитацией, чем Ио, так что во время вращения Юпитера, его магнитное поле постоянно утягивает около 1 тонны вещества, которое впоследствии летит к материнской планете, превращаясь в процессе полета в плазму и обретая электрический заряд. Частицы огибают планету по полюсам и образуют на полюсах светящиеся круги (рисунок 11).

Выйдя ясной ночью на улицу и обращая свой взор на небо, знайте, что самая яркая звезда — это Сатурн. Инфракрасные камеры космического корабля сделали снимки северного полюса Сатурна и обнаружили на нем северные сияния. Поднимающиеся более чем на тысячу миль над верхней границей облаков, полярные сияния Сатурна во многом подобны земным. Энергичные заряженные частицы солнечного ветра направляются магнитным полем планеты в полярные области, где они взаимодействуют с атмосферными газами. Следя за динамикой полярных сияний на Сатурне, исследователи могут дистанционно исследовать атмосферу планеты и ее магнитное поле (рисунок 12).

 Магнитное поле у Нептуна впервые было обнаружено в 1989 году во время пролета близ планеты «Вояджера-2». Оказалось, что магнитная ось Нептуна отклонена от оси вращения планеты на 47°. В результате этого силовые линии в магнитном хвосте, вытянутом за Нептуном, то идут параллельно друг другу, то скручиваются в жгут. Такая магнитосфера с сильно меняющейся формой уникальна среди всех планет. К тому же магнитная ось значительно, на 13 500 км, то есть примерно на половину радиуса планеты, удалена от ее центра. Время от времени над Нептуном возникает полярное сияние. Из-за сильного наклона магнитной оси сияния на Нептуне располагаются вовсе не над его полюсами, а на удалении от них на 40-50°, поэтому их уже нельзя назвать полярными. Если бы так было на Земле, то сияния наблюдались бы не в Сибири, Гренландии и Антарктиде, а в Южной Европе, Средней Азии, Японии и Новой Зеландии.

Термосфера Урана и верхний слой стратосферы образуют ионосферу, которая занимает высоту от 2000 до 10000 км. Ионосфера Урана более плотная, чем у Сатурна и Нептуна, по причине отсутствия в верхней стратосфере концентрации углеводородов. Ионосфера, главным образом, поддерживается солнечной ультрафиолетовой радиацией и целиком зависит от солнечной активности. Полярные сияния не являются здесь такими же частыми и существенными, как на Юпитере и Сатурне.

Впервые полярные сияния на Уране зафиксировал в 1986 году межпланетный зонд «Вояджер-2». С тех пор попытки повторить эти наблюдения с Земли или с околоземных телескопов не удавались. Из-за необычной конфигурации магнитосферы полярное сияние на Уране может возникать только при определенном положении планеты относительно Солнца.

В середине сентября 2011 года с помощью спутников на орбите Земли и других инструментов ученые обнаружили корональный выброс, летящий к Урану. Через две недели он добрался до Юпитера. Вычисления показали, что он прибудет к Урану в середине ноября, что позволило ученым распланировать время для наблюдений. В результате телескоп «Хаббл» впервые с 1980-х годов сумел зафиксировать две короткие голубоватые вспышки на дневной стороне планеты — полярные сияния, которые не наблюдались почти 30 лет (рисунок 13).

Уникально световое явление наблюдается на Меркурии. Это явление напоминает северное сияние и длится около трех месяцев. Природа этого явления неизвестна. Сияния периодически наблюдаются и на Марсе, однако там причиной служат магнитные аномалии.

Заключение

В ходе проделанной мною работы я подобрала научно-популярную литературу, из которой выявила причины образования полярных сияний, и рассмотрела их различные виды.

Как же можно наблюдать северное сияние? Наблюдать это явление можно только ночью, так как солнечный свет затмевает свечение сияния. К сожалению, очень часто наблюдению мешают облака, так как сияние располагается на гораздо больших высотах, чем те, на которых образуются облака. Поэтому наблюдать сияние можно лишь в ясную, безлунную ночь. И это не говоря уже обо всех естественных препятствиях, таких как дома, горы и деревья, которые закрывают обзор. Сильная засветка от фонарей тоже может основательно помешать наблюдениям. Существует еще один фактор, который мешает наблюдению полярного сияния. Города, расположенные на Крайнем Севере, с начала ноября и до самого февраля из-за сильных морозов окутывает туман. И по этой причине наблюдать полярные сияния не представляется возможным. Чего не скажешь о маленьких поселках, затерявшихся среди якутской тайги. Живя в таком поселке, (поселок Светлый расположен в 70 км от районного города Мирный) я именно в этот период и наблюдала свечения на небе.

Во многих источниках пишется, что пик частотности приходится на периоды, ближайшие к весеннему и осеннему равноденствиям. Но из моего личного опыта хочу сказать, что я наблюдала полярные сияния именно в период с ноября по февраль, когда начинались сильные морозы от 40 до 55 градусов по Цельсию.

Я заметила, что сияние появляется по-разному. Иногда появляется в виде общего быстро меняющегося свечения неба и такое сияние похоже на светящиеся ровным зеленоватым светом облака. В других случаях в небе вспыхивает небольшая узкая дуга. Затем, кажется, что дуга поднимается выше, словно тянется к зениту ночного неба. Это может происходить быстро в течение 10-20 минут, а может гораздо медленнее в течение нескольких часов. И, наконец, начинается настоящее чудо. Дуга растет и расширяется. Что будет дальше никогда не предсказуемо. В небе могут появиться движущиеся лучи или ленты. А может матушка-природа показать настоящее светопреставление в виде полос, крон или «занавесей». Широкая полоса, охватывающая ночное небо от зенита до самого горизонта образует движущиеся складки. Очень интересно, что сияние не стоит на месте, а постоянно движется, меняя свое местоположение и форму. Кажется, что во время этого движения крупные складки накладываются на более мелкие и наоборот. Теперь, изучив физику появления полярных сияний, я могу сказать, что это происходит из-за изменения активности заряженных частиц, попадающих при активности солнца в земную атмосферу из космоса. При повышении активности складки расширяются до огромных размеров. Когда активность спадает, складки исчезают и лента возвращается к однородной форме.

Во время моих личных наблюдений полярные сияния имели только зеленоватые оттенки: от насыщенно-зеленого цвета до еле заметного свечения. К сожалению, я никогда не наблюдала полярного сияния, играющего на ночном небе розовыми, синими или фиолетовыми огнями. Видимо, мое радужное полярное сияние ждет меня где-то впереди.

Как сильно изменилось наше понятие о красоте. Мы стремимся строить красивые дома, наполняя их красивыми вещами. И совершенно не замечаем, что этот красивый дом стоит посреди мусора, который каждый из нас бросает на землю. Мне кажется, что сейчас пришло время, когда все знания, накопленные поколениями, необходимо направить на создание гармоничного мира, в котором человек и природа станут единым целым. Мира, наполненного красотой окружающей природы. И она обязательно для каждого из нас покажет поистине великолепный спектакль полярного сияния. И взамен природа не потребует ни денег, ни почестей. Все что ей нужно – это бережное отношение к ней.

Красочных Вам полярных сияний!

Список литературы

Перельман Я. И. Занимательная физика, книга 1. – 21-е изд., испр. и доп. – М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1983. – 224 с.: ил.

Ландсберг Г. С. Элементарный учебник физики: Учебное пособие в 3-х т., том 2. Электричество и магнетизм. – 10-е изд., перераб. – М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1975. – 480 с.: ил.

Бытько Н. Д. Учебное пособие для техникумов. Физика, части 3 и 4. Электричество, Оптика и строение атома. – 4-е изд., испр. и доп. – М.: Высшая школа, 1972. – 384 с.: ил.

Тарасов Л. В. Книга для учащихся. Физика в природе. – М.: Просвещение, 1988, — 351 с.: ил.

Александров Н. Л. Полярные сияния. – Соросовский образовательный журнал. Том 7. №5, 2001.

Ломоносов М. В. Полное собрание сочинений. Том третий. Труды по физике 1753-1765 гг. – М.: Издательство Академии наук СССР, 1952, — 604с.: ил.

Исаев С. И. Полярные сияния. [www документ] – URL: HYPERLINK «http://www.kosmofizika.ru/abmn/isaev/isaev5.htm» http://www.kosmofizika.ru/abmn/isaev/isaev5.htm

Тонкий мир света и тени. [www документ] — URL http://tonkiy-mir.ru/tonkiy-mir-sveta-i-teni.html

Интернет-журнал научно-популярной направленности. Полярное сияние. [www документ] – URL: HYPERLINK «http://howitworks.iknowit.ru/paper1233.html» http://howitworks.iknowit.ru/paper1233.html

Интернет-журнал научно-популярной направленности Чудеса света. Полярное сияние. [www документ] – URL: HYPERLINK «http://world4u.dreval.net/index.php?inc=natural_wonders&id=europe&item=polar#3» http://world4u.dreval.net/index.php?inc=natural_wonders&id=europe&item=polar#3

Приложение

Рис. 1. Полярное сияние

Рис. 2. М. В. Ломоносов. Рис. 3. Ионосфера Земли

Портрет работы Г. Преннера

Рис. 4. Вспышка на Солнце Рис. 5. Свечение в разрядной трубке

Рис. 6. Опыт Биркеланна Рис. 7. Магнитное поле Земли

Рис. 8. Авроральные овалы Рис. 9. Полярное сияние Земли

Рис. 10. Поток солнечной энергии Рис. 11. Полярное сияние

и возникающее полярное сияние на Юпитере

Рис. 12. Полярное сияние Рис. 13. Полярное сияние

на Сатурне на Уране

[1] Исаев С. И. Полярные сияния [www документ] – URL: http://www.kosmofizika.ru/abmn/isaev/isaev5.htm

[2] Александров Н. Л. Полярные сияния – стр.75

[1] Ломоносов М. В., Полное собрание сочинений. Том третий. Труды по физике 1753-1765 гг. – стр. 125

[1] Ломоносов М. В., Полное собрание сочинений. Том третий. Труды по физике 1753-1765 гг. – стр. 81

[1] Ландсберг Г. С., Электричество и магнетизм – стр. 318-319

[1] Исаев С. И. Полярные сияния. [www документ] – URL: HYPERLINK «http://www.kosmofizika.ru/abmn/isaev/isaev5.htm» http://www.kosmofizika.ru/abmn/isaev/isaev5.htm

[1] Тарасов Л. В., Физика природных явлений, стр. 148

[2] Тарасов Л. В., Физика природных явлений, стр. 160

[1] Интернет-журнал научно-популярной направленности Чудеса света, Полярное сияние [www документ] – URL: http://world4u.dreval.net/index.php?inc=natural_wonders&id=europe&item=polar#3

[2] Исаев С. И., Пушков Н. В. Полярные сияния; Омхольт А. Полярные сияния [www документ] – URL: http://www.bigpi.biysk.ru/encicl/articles/03/1000385/1000385A.htm

[1] Исаев С. И., Пушков Н. В. Полярные сияния; Омхольт А. Полярные сияния [www документ] – URL: http://www.bigpi.biysk.ru/encicl/articles/03/1000385/1000385A.htm

[1] Ландсберг Г. С., Электричество и магнетизм – стр.319

[1] Интернет-журнал научно-популярной направленности, Как работают вещи, Полярное сияние, [www документ] – URL: http://howitworks.iknowit.ru/paper1233.html

[1] Интернет-журнал научно-популярной направленности «Загадки природных явлений», Полярное сияние, [www документ] – URL: http://scorpicora1.narod.ru/astronomia/sianie.html

[2] Интернет-журнал научно-популярной направленности «Мембрана», Полярное сияние, [www документ] – URL: http://www.membrana.ru/particle/12827

[1] Александров Н. Л. Полярные сияния – стр.79

PAGE 3

PAGE 32





Внимание, только СЕГОДНЯ!