Магнитосфера земли полярные сияния реферат
Обновлено: 05.07.2024
Природа Солнца и его значение для нашей жизни - неисчерпаемая тема. О его воздействии на Землю люди догадывались еще в глубокой древности, в результате чего рождались легенды и мифы, в которых Солнце играло главную роль. Оно обожествлялось во многих религиях. Исследование Солнца - особый раздел астрофизики со своей инструментальной базой, со своими методами. Роль получаемых результатов исключительна, как для астрофизики (понимание природы единственной звезды, находящейся так близко), так и для геофизики (основа огромного числа космических воздействий). Постоянный интерес к Солнцу проявляют астрономы, врачи, метеорологи, связисты, навигаторы и другие специалисты, профессиональная деятельность которых сильно зависит от степени активности нашего дневного светила, на котором "также бывают пятна".
Первое описание пятен в русских летописях датируется 1371 и 1385 годами, когда наблюдатели заметили их сквозь дым лесных пожаров. История борьбы взглядов на природу процессов на Солнце связана с кажущимися нам сейчас почти невероятными драматическими коллизиями. Нас же интересует вопрос о том, какое влияние оказывает деятельность Солнца на наше здоровье, каким образом солнечные бури, пятна и вспышки влияют на наше самочувствие.
Из всего окружающего нас несметного множества звезд несопоставимо важнейшую роль в нашей жизни играет Солнце. Эта ближайшая к нам звезда обеспечивает нашу планету подавляющей частью энергии, которой мы располагаем на Земле. Благодаря солнцу и земной атмосфере на поверхности земли температура и другие условия такие, какие они есть, а не космический холод, что делает нашу планету комфортной для обитающих на ней живых существ. Даже относительно мизерные изменения потока энергии, передаваемой Солнцем Земле, которые происходят при солнечных вспышках, существенно сказываются на земных условиях. С другой стороны, Солнце по своим свойствам является типичной для своего класса звездой, и постигая процессы, происходящие на Солнце, мы лучше понимаем и то, что творится на очень далеких от нас звездах.
В последние годы всё чаще говорится о солнечной активности, магнитных бурях и их влиянии на людей. Так как солнечная активность нарастает, то вопрос о влиянии этого явления на здоровье становится в достаточной степени актуальным.
Солнце и явления на нем (пятна, протуберанцы) оказывают электромагнитное влияние на целую систему явлений: магнитное поле Земли, ионизация земной атмосферы, полярное сияние и изменение электрического потенциала. Солнечная энергия может передаваться Земле или радиацией Солнца, или излучаемыми им корпускулами. В солнечном спектре может иметь значение особенно ультрафиолетовая часть солнечной радиации, которая, как известно, поглощаясь в земной атмосфере, производит ионизацию воздуха. Обращаясь к корпускулярной радиации Солнца, можно сделать предположение, что Солнце излучает поток заряженных электричеством частиц, которые, встречаясь с Землей, вызывают в ней различные электрические, магнитные и электромагнитные явления. Это подтверждается нижеследующими фактами.
Магнитные бури не начинаются одновременно по всей Земле. Время распространения бури говорит в пользу корпускулярного характера того солнечного агента, который ее вызывает.
Повторяемость магнитных бурь в течение 27-дневного периода, то есть периода обращения Солнца вокруг оси, говорит за то, что солнечный агент, их вызывающий, распространяется в виде ограниченного пучка, следующего за солнечным вращением.
Всё на Земле зависит от Солнца, поставляющего ей значительную часть энергии. Спокойное Солнце (при отсутствии на его поверхности пятен, протуберанцев, вспышек) характеризуется постоянством во времени электромагнитного излучения во всём его спектральном диапазоне, включающем рентгеновские лучи, ультрафиолетовые волны, видимый спектр, инфракрасные лучи, лучи радиодиапазонов, а также постоянством во времени так называемого солнечного ветра - слабого потока электронов, протонов, ядер гелия, представляющего собой радиальное истечение плазмы солнечной короны в межпланетное пространство.
Магнитное поле планет (в том числе Земли) служит защитой от солнечного ветра, но часть заряженных частиц способно проникать внутрь магнитосферы Земли. Это происходит в основном в высоких широтах, где имеются две так называемые воронки: одна в Северном, другая в Южном полушариях. Взаимодействие этих заряженных частиц с атомами и молекулами атмосферных газов вызывает свечение, которое называется северным сиянием. Энергия, приходящая в виде этих частиц, далее распределяется в различных процессах вокруг всего земного шара, в результате чего происходят изменения в атмосфере и ионосфере на всех широтах и долготах. Но эти изменения на средних и низких широтах происходят спустя определённое время после событий в высоких широтах, и последствия их в разных областях, на разных широтах и в разное время различны. Поэтому имеется значительное многообразие последствий вторжения частиц солнечного ветра в зависимости от региона.
Волновое излучение Солнца распространяется прямолинейно со скоростью 300 тыс. км/сек и доходит до Земли за 8 минут. Молекулы и атомы атмосферных газов поглощают и рассеивают волновое излучение Солнца избирательно (на определённых частотах). Периодически, с ритмом приблизительно 11 лет, происходит усиление солнечной активности (возникают солнечные пятна, хромосферные вспышки, протуберанцы в короне Солнца). В это время усиливается волновое солнечное излучение на разных частотах, из солнечной атмосферы выбрасываются в межпланетное пространство потоки электронов, протонов, ядер гелия, энергия и скорость которых много больше, чем энергия и скорость частиц солнечного ветра. Этот поток частиц распространяется в межпланетном пространстве наподобие поршня. Через определённое время (12-24 часа) этот поршень достигает орбиты Земли. Под его давлением магнитосфера Земли на дневной стороне сжимается в 2 раза и боле (с 10 радиусов Земли в норме до 3-4х), что ведёт к увеличению напряжённости магнитного поля Земли. Так начинается мировая магнитная буря.
Период, когда магнитное поле увеличивается, называется начальной фазой магнитной бури и продолжается 4-6 часов. Далее магнитное поле возвращается к норме, а затем его величина начинает уменьшаться, так как поршень солнечного корпускулярного потока уже прошёл за пределы Земной магнитосферы, а процессы внутри самой магнитосферы привели к уменьшению напряжённости магнитного поля. Этот период пониженного магнитного поля называется главной фазой мировой магнитной бури и длится 10-15 часов. После главной фазы магнитной бури следует восстановительная (несколько часов), когда магнитное поле Земли восстанавливает свою величину. В каждом регионе возмущение магнитного поля происходит по-разному.
За последние годы стало понятно, что на человека действует целый ряд космических факторов, вызывающих изменения в магнитосфере планеты в результате воздействия на неё солнечных корпускулярных потоков. А именно:
Инфразвук, представляющий собой акустические колебания очень низкой частоты. Он возникает в областях полярных сияний, в высоких широтах и распространяется на все широты и долготы, то есть является глобальным явлением. Через 4-6 часов от начала мировой магнитной бури плавно увеличивается амплитуда колебаний на средних широтах. После достижения максимума она постепенно уменьшается в течение нескольких часов. Инфразвук генерируется не только при полярных сияниях, но и при ураганах, землетрясениях, вулканических извержениях так, что в атмосфере существует постоянный фон этих колебаний, на который накладываются колебания, связанные с магнитной бурей.
Микропульсации или короткопериодические колебания магнитного поля Земли (с частотами от нескольких герц до нескольких кГц). Микропульсации с частотой от 0,01 до 10 Гц действуют на биологические системы, в частности на нервную систему человека (2-3 Гц), увеличивая время реакции на возмущающий сигнал, влияют на психику (1 Гц), вызывая тоску без видимых причин, страх, панику. С ними также связывают увеличение частоты заболеваемости и осложнений со стороны сердечно-сосудистой системы.
Также в это время меняется интенсивность ультрафиолетового излучения, приходящего к поверхности Земли из-за изменения озонового слоя в высоких широтах в результате действия на него ускоренных частиц.
Выбрасываемые из Солнца потоки очень разнообразны. Различны и условия в межпланетном пространстве, которое они преодолевают, поэтому нет строго одинаковых магнитных бурь. Каждая имеет своё лицо, отличается не только силой, интенсивностью, но и особенностями развития отдельных процессов. Таким образом, следует иметь в виду, что понятие "магнитная буря" в данной проблеме действия космоса на здоровье является своего рода собирательным образом.
Влияние солнечной активности на возникновение заболеваний установил ещё в 20-х годах А.Л.Чижевский. Его считают основоположником науки гелиобиологии. С тех пор проводятся исследования, накапливаются научные данные, подтверждающие влияние солнечных и магнитных бурь на здоровье. Замечено, что ухудшение состояния больных максимально проявляется, во-первых, сразу после солнечной вспышки и, во-вторых, - с началом магнитной бури. Это объясняется тем, что спустя примерно 8 минут от начала солнечной вспышки солнечный свет (а также рентгеновское излучение) достигают атмосферы Земли и вызывают там процессы, которые влияют на функционирование организма, а примерно через сутки начинается сама магнитосферная буря Земли.
Из всех заболеваний, которые подвержены воздействию магнитосферных бурь, сердечно-сосудистые были выделены, прежде всего, поскольку их связь с солнечной и магнитной активностью была наиболее очевидной. Проводились сопоставления зависимости количества и тяжести сердечно-сосудистых заболеваний от многих факторов внешней среды (атмосферное давление, температура воздуха, осадки, облачность, ионизация, радиационный режим и так далее), но достоверная и устойчивая связь сердечно-сосудистых заболеваний выявляется именно с хромосферными вспышками и геомагнитными бурями.
Во время магнитных бурь проявлялись субъективные симптомы ухудшения состояния больных, учащались случаи повышения артериального давления, ухудшалось коронарное кровообращение, что сопровождалось отрицательной динамикой ЭКГ. Исследования показали, что в день, когда на Солнце происходит вспышка, число случаев инфаркта миокарда увеличивается. Оно достигает максимума на следующий день после вспышки (примерно в 2 раза больше по сравнению с магнитоспокойными днями). В этот же день начинается магнитосферная буря, вызванная вспышкой.
Исследования сердечного ритма показали, что слабые возмущения магнитного поля Земли не вызывали увеличения числа нарушений сердечного ритма. Но в дни с умеренными и сильными геомагнитными бурями нарушения ритма сердца происходят чаще, чем при отсутствии магнитных бурь. Это относится как к наблюдениям в состоянии покоя, так и при физических нагрузках.
Наблюдения за больными гипертонической болезнью показали, что часть больных реагировала за сутки до наступления магнитной бури. Другие чувствовали ухудшение самочувствия в начале, середине или по окончании геомагнитной бури. В начале и на протяжении бури увеличивалось систолическое давление (приблизительно на 10 - 20%), иногда в конце, а также в продолжение первых суток после её окончания увеличивалось как систолическое, так и диастолическое артериальное давление. Только на вторые сутки после бури артериальное давление у больных стабилизировалось.
Проведённые исследования показали, что наиболее пагубно на больных действует буря в её начальный период. Анализ многочисленных медицинских данных вывел также сезонный ход ухудшения здоровья во время магнитных бурь; он характеризуется наибольшим ухудшением в весеннее равноденствие, когда увеличивается число и тяжесть сосудистых катастроф (в частности, инфарктов миокарда).
Исследованиями в разных странах на большом фактическом материале было показано, что число несчастных случаев и травматизма на транспорте увеличивается во время солнечных и магнитных бурь, что объясняется изменениями деятельности центральной нервной системы. При этом увеличивается время реакции на внешние световой и звуковой сигналы, появляется заторможенность, медлительность, ухудшается сообразительность, увеличивается вероятность принятия неверных решений.
Проводились наблюдения влияния магнитных и солнечных бурь на больных, страдающих психическими заболеваниями, в частности, маниакально-депрессивным синдромом. Было установлено, что у них при высокой солнечной активности преобладали маниакальные фазы, а при низкой – депрессивные. Прослеживалась чёткая связь между обращаемостью в психиатрические лечебницы и возмущённостью магнитного поля Земли. В такие дни увеличивается количество случаев суицида, что анализировалось по данным вызовов СМП.
Необходимо отметить, что больной и здоровый организм по-разному реагирует на изменения космических и геофизических условий. У больных ослабленных, утомлённых, эмоционально неустойчивых лиц в дни, характеризующиеся изменением космических и геофизических условий, ухудшаются показатели энергетики, иммунологической защиты, состояния различных физиологических систем организма, появляется психическое напряжение. А психологически и физически здоровый организм оказывается в состоянии перестроить свои внутренние процессы в соответствии с изменившимися условиями внешней среды. При этом активируется иммунная система, соответственно перестраиваются нервные процессы и эндокринная система; сохраняется или даже увеличивается работоспособность. Субъективно это воспринимается здоровым человеком как улучшение самочувствия, подъём настроения.
Рассматривая психоэмоциональные проявления в периоды космических и геофизических возмущений, необходимо сказать о важном аспекте управления мышлением и психоэмоцианальным состоянием. Отмечено, что психоэмоциональный настрой на творческий труд является мощным стимулом активности внутренних резервов организма, позволяющим легче переносить экстремальные воздействия природных факторов. Наблюдения не одного поколения учёных говорят о том, что человек, находящийся в состоянии творческого подъёма, становится малочувствительным к любым воздействиям болезнетворных факторов.
Имеются индивидуальные различия чувствительности человека к воздействию возмущений геомагнитного поля. Так, люди, рождённые в период активного Солнца, менее чувствительны к магнитным бурям. Всё больше данных свидетельствует о том, что сила фактора внешней среды в период развития беременности, а также изменения в самом организме матери определяет устойчивость будущего человека к тем или иным экстремальным условиям и склонность к определённым заболеваниям. Это позволяет предположить, что сила воздействия космических, геофизических и других факторов, их соотношение и ритм воздействия на организм беременной женщины как бы заводят внутренние биологические часы каждого из нас.
Результаты научных наблюдений за солнечной активностью в течение последних 170 лет позволяют отнести максимум 11-летнего цикла в 2001г. к самому мощному за этот период. Он совпадает с вхождением в максимум 576-летнего цикла противостояния больших планет в 2000г., что позволяет учёным предположить усиление психопатогенного космического воздействия на биосферу в 2000-2001гг., а далее в 2004-2006гг. вызвать наибольшее усиление сейсмической активности Земли в новейшей истории.
"Все земное пульсирует в ритме Солнца". Так в самых общих чертах можно сформулировать закон А.Л. Чижевского (1897-1964), гениального русского мыслителя, который посвятил свою жизнь изучению влияния деятельности Солнца на все земное. Гонимому при жизни ученому удалось доказать, что любое событие на Земле, будь то извержения вулканов или революции, эпидемии или урожаи, волны самоубийств или волны митингов, связано с одиннадцатилетним циклом солнечной активности. Свой главный труд "Земля в объятиях Солнца" Чижевский написал в 1931 году. Труд сразу же был признан за рубежом и получил высочайшую оценку на Международном конгрессе по биологической физике и биологической космологии, состоявшемся в 1939 г. в Нью-Йорке. У нас, довольно сокращенный вариант этой работы, вышел в 1973 г. под заголовком "Земное эхо солнечных бурь". Полный же текст книги "Земля в объятиях Солнца" был напечатан лишь в 1995 году.
Чижевский изучал факты из очень многих наук: медицины, биологии, сельского хозяйства, криминалистики, но особенно впечатляют его выводы по общечеловеческой истории. Ученый доказывал, что подъемы и спады волн общеисторического процесса следуют за колебаниями степени энергетической напряженности солнечной активности. Солнце не только "лепит" лик Земли, но и провоцирует социально-политические гримасы этого лика! Солнце выступает детонатором исторических событий, форма и масштаб которых зависят от конкретной политико-экономической обстановки в стране. Если ситуация нетерпима, вспыхивают революции, связанные с годами активного Солнца, в благополучных же странах в то же время может стать массовым любое общественное движение, не вызывая революций и потрясений. Те "неожиданные" вспышки человеческой активности, прекрасно укладываются в циклы активного Солнца. Закон Чижевского, введенный в науку еще в 1922 году, гласит: "Состояние предрасположения к поведению человеческих масс есть функция энергетической деятельности Солнца". Увеличение числа солнечных пятен, бури, вспышки вызывают возмущение геофизических электромагнитных колебаний, которые кратны мозговой, сердечной и легочной ритмике организма. Увеличивается количество адреналина в крови, меняется атомно-молекулярное соотношение вдыхаемо-выдыхаемого воздуха. Меняется поведение людей. Резко возрастают эмоциональная возбудимость, агрессивность человека, начинают стихийно формироваться толпы людей. Любая агрессия поощряется и подхватывается толпой. Наступает время революций и войн. Человечество начинает "беситься". И это происходит на фоне необычных климатических явлений, повышенного числа природных и техногенных катастроф, неурожаев, голода, эпидемий, периодичность которых удивительным образом совпадает с циклами солнечной активности средней продолжительностью 11 лет.
Знание взаимосвязи "Солнце-Земля" позволяет прогнозировать ситуацию на много лет вперед. Ближайшие годы будут характеризоваться общим снижением напряженности общественно-политической обстановки в мире. Однако вполне возможно возникновение очагов военных конфликтов (в том числе крупной войны), повышение числа техногенных и природных катаклизмов, экстремальных погодных условий, ведь колебания климата также зависят от Солнца.
Солнце начнет успокаиваться. Земля и все живое последуют примеру своего светила. Вспенившиеся половодьем начала века реки народных движений начнут возвращаться в свои берега. И так - до следующего максимума, который, как полагают, придется на 2011-2012 годы. Но до него еще надо дожить…
Полярное сияние как свечение (люминесценция) верхних слоёв атмосфер планет, обладающих магнитосферой. Физическая природа появления полярного сияния. Полярное сияние Земли. Полярное сияние планет Солнечной системы. История исследования полярного сияния.
| Рубрика | Физика и энергетика |
| Вид | реферат |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 24.09.2012 |
| Размер файла | 686,6 K |
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Федеральное агентство по образованию
Государственное общеобразовательное учреждение высшего профессионального образования
Тюменский государственный нефтегазовый университет
Природа и физическая сущность полярного сияния
Сущность полярного сияния
полярное сияние физическая магнитосфера
Полярное сияние (лат. Aurora Borealis, Aurora Australis) -- свечение (люминесценции) верхних слоёв атмосфер планет, обладающих магнитосферой (область пространства вокруг планеты или другого намагниченного небесного тела, которая образуется, когда поток заряженных частиц, например солнечного ветра, отклоняется от своей первоначальной траектории под воздействием внутреннего магнитного поля этого тела), вследствие их взаимодействия с заряженными частицами солнечного ветра(поток ионизированных частиц (в основном гелиево-водородной плазмы), истекающий из солнечной короны со скоростью 300--1200 км/с в окружающее космическое пространство. Является одним из основных компонентов межпланетной среды).
Другими словами, это - свечение верхних слоев атмосферы в результате ионизации солнечным ветром (солнечный ветер - потоки энергии, идущие от солнца).
Полярные 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). Выявлением причин, приводящим к высыпаниям заряженных частиц из плазменного слоя, занимается космическая физика. Экспериментально установлено, что ключевую роль в стимулировании высыпаний играет ориентация межпланетного магнитного поля и величина давления плазмы солнечного ветра.
В очень ограниченном участке верхней атмосферы сияния могут быть вызваны низкоэнергичными заряженными частицами солнечного ветра, попадающими в полярную ионосферу через северный и южный полярные каспы. В северном полушарии каспенные сияния можно наблюдать над Шпицбергеном в околополуденные часы.
При столкновении энергичных частиц плазменного слоя с верхней атмосферой происходит возбуждение атомов и молекул газов, входящих в её состав. Излучение возбуждённых атомов в видимом диапазоне и наблюдается как полярное сияние. 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.
Поскольку ионизация заряженными частицами происходит наиболее эффективно в конце пути частицы и плотность атмосферы падает с высотой в соответствии с барометрической формулой, то высота появлений полярных сияний достаточно сильно зависит от параметров атмосферы планеты, так, для Земли с её достаточно сложным составом атмосферы красное свечение кислорода наблюдается на высотах 200--400 км, а совместное свечение азота и кислорода -- на высоте ~110 км. Кроме того, эти факторы обуславливают и форму полярных сияний -- размытая верхняя и достаточно резкая нижняя границы.
Полярное сияние Земли
Полярные сияния наблюдаются преимущественно в высоких широтах обоих полушарий в овальных зонах-поясах, окружающих магнитные полюса Земли -- авроральных овалах. Диаметр авроральных овалов составляет ~ 3000 км во время спокойного Солнца, на дневной стороне граница зоны отстоит от магнитного полюса на 10--16°, на ночной -- 20--23°. Поскольку магнитные полюса Земли отстоят от географических на ~12°, полярные сияния наблюдаются в широтах 67--70°, однако во времена солнечной активности авроральный овал расширяется, и полярные сияния могут наблюдаться в более низких широтах -- на 20--25° южнее или севернее границ их обычного проявления.
Полярное сияние планет Солнечной системы
История исследования полярного сияния
Одним из первых, кто занялся исследованием полярного сияния, был Михаил Васильевич Ломоносов, который высказал правильное предположение о том, что полярное сияние имеет электрическую природу. Для подтверждения своих догадок учёный проводил многочисленные эксперименты. Он брал стеклянный шар, выкачивал воздух и пропускал через него электрические заряды.
Учёные продолжившие эксперименты Ломоносова, заполняли полые трубки азотом, водородом, аргоном, неоном и другими разреженными газами и пропускали через них ток. Оказалось, что каждый газ светится по-разному: неон давал красное свечение, аргон - голубое. В результате было научно доказано: полярное сияние в свое основе действительно имеют электрическую природу.
Затем открытия шли одни за другими. Было установлено, что сияние происходит при свечении разреженных газов в верхней части атмосферы, называемой ионосферой. И возникает оно на высоте 80 километров от поверхности земли, а иногда на тысячу и более километров. Позже была установлена связь полярных сияний с активностью солнца. Если на светящейся поверхности Солнца - фотосфере - появляется особенно много пятен (это происходит периодически, примерно через каждые 11 лет), то полярные сияния возникают чаще и охватывают обширные пространства небесного свода. В это время их иногда наблюдают жители. Санкт-Петербурга, Москвы, и даже южных районов - Индии, Египта и других стран.
Полярные сияния, свечение верхних разреженных слоев атмосферы, вызванное 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 составляющими верхней атмосферы (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, т. е. Полярные сияния
Упоминания о Полярных сияниях можно найти ещё в классической греческой и римской литературе. М.В. Ломоносов первый предположил электрическую природу свечения. Первые карты изохазм (линий равной частоты появления Полярные сияния), указывающие на существование областей на поверхности Земли, где Полярные сияния появляются наиболее часто, были составлены в 1860-73 Э. Лумисом (США) и Г. Фрицем (Австрия) для Северного полушария и в 1939 Ф. Уайтом и М. Геддесом (Новая Зеландия) - для Южного. Изохазмы в каждом полушарии представляют собой несколько деформированные концентрические окружности с центрами вблизи геомагнитных полюсов. Зона Полярные сияния располагается на 23° от полюсов. Наблюдения последнего десятилетия показали, что свечение обычно появляется вдоль овала. Полярное сияние (Я.И. Фельдштейн, О.В. Хорошева, 1960-1963), центр которого (рис. 1) смещен на 3° от полюса вдоль полуночного меридиана. Радиус овала около 20°, так что около полуночи овал совпадает с зоной Полярные сияния, а в остальные часы располагается в более высоких широтах.
В конце 19 - начале 20 вв. норвежские учёные К. Биркеланн и К. Стёрмер высказали и развили идеи о солнечном происхождении частиц, вызывающих Полярные сияния Последующие исследования показали, что как частота появления, так и интенсивность Полярные сияния, особенно в средних широтах, явно коррелируют с активностью Солнца. Полярные сияния имеют удивительно разнообразные формы сияний и ситуаций. Однако каждую мгновенную ситуацию можно рассматривать как состоящую из различных накладывающихся друг на друга элементарных форм сияний, которые в первом приближении можно подразделить на: однородные дуги и полосы (рис. 2, а, б), тянущиеся через весь небосвод в виде прямой или изогнутой линии; лучистые формы со значительной вертикальной протяжённостью (рис. 2, б, в, г); диффузные и неправильные пятна (рис. 2, д); большие однородные диффузные поверхности. Пространственно Полярные сияния во многих случаях располагаются вдоль геомагнитных силовых линий. Средняя толщина лучистых форм ~ 200 м и уменьшается с увеличением яркости.
Исследование спектра Полярных сияний было начато А. Ангстремом в 1869. В 1924 Дж. Мак-Леннан и Г. Шрам (Великобритания) показали, что зелёная линия с длиной волны l = 5577 излучается атомарным кислородом. Атомарный кислород образует также линии красного дублета 6300-6364 на высоте 200-400 км (сияния типа А). Состояния, соответствующие этим излучениям, являются метастабильными, и время жизни возбуждённых атомов 0,74 и 110 сек. Начиная с 50-х гг. 20 в. спектр Полярные сияния исследовался в инфракрасной и ультрафиолетовой областях. Помимо атомарных линий, спектр Полярные сияния состоит из систем полос нейтрального и ионизованного молекулярного азота и кислорода. Излучение с l = 3914 ионизованного азота наряду с l = 5577 является самым ярким в видимой части спектра от 3800 до 7000 . Поскольку максимальная спектральная чувствительность человеческого глаза приходится на l ~ 5550 , то Полярные сияния кажутся нам в большинстве случаев бледно-зелёными. Некоторые Полярные сияния характеризуются пурпурно-красной границей вследствие излучения полос нейтрального молекулярного азота. Полярные сияния с развитыми системами молекулярных полос относятся к типу В.
Вторжения протонов с энергиями 10-100 кэв приводят к появлению в спектре Полярного сияния линий Бальмера серии (Л. Вегард, Норвегия, 1939; А. Б. Мейнел, США, 1950). Наиболее интенсивна линия Нa с l = 6563. Водородные линии отличаются от других тем, что они существенно расширены и при наблюдениях в направлении зенита оказываются смещенными в область более коротких волн. Это доплеровское смещение (см. Доплера эффект) водородных линий было первым доказательством того, что излучение Полярные сияния, хотя бы частично, обусловлено вхождением в земную атмосферу потоков заряженных частиц. Свечение, связанное с протонами, имеет вид протяжённой в несколько сот км по широте и несколько тысяч по долготе слабой полосы. В Полярные сияния иногда наблюдаются спектральные линии гелия.
Вторжение в атмосферу частиц, вызывающих Полярные сияния, есть результат сложного взаимодействия солнечного ветра с геомагнитным полем. Под действием солнечного ветра магнитосфера становится асимметричной, вытягиваясь в антисолнечном направлении (рис. 3). Полярные сияния на ночной стороне Земли связаны с процессами в плазменном слое магнитосферы. Во время магнитных бурь внутри магнитосферы на расстоянии 3-5 радиусов Земли образуется кольцевой ток протонов. Магнитное поле этого тока деформирует силовые линии магнитосферы, и Полярные сияния наблюдаются значительно ближе к экватору, чем район их обычного существования. На дневной стороне Земли плазма солнечного ветра достигает верхних слоев атмосферы через воронку, образованную расходящимися силовыми линиями (дневной касп). Последовательность форм Полярные сияния и их движений находится в тесной связи со специфическими явлениями, происходящими в магнитосфере, - магнитосферными суббурями, во время которых магнитосфера приходит в неустойчивое состояние. Возвращение в состояние с меньшей энергией носит взрывной характер и сопровождается высвобождением за 1 ч энергии ~ 1022 эрг, что вызывает свечение атмосферы - т. н. авроральную суббурю.
При взаимодействии быстрых электронов с атомами и молекулами атмосферы образуются рентгеновские лучи как тормозное излучение электронов. Тормозное излучение гораздо более проникающее, чем частицы, поэтому оно достигает высот 30-40 км. Полярные сияния испускают инфразвуковые волны с периодами от 10 до 100 сек, которые сопровождаются колебаниями атмосферного давления с амплитудой от 1 до 10 дин/см2.
Изучение Полярных сияний имеет два существенно различных аспекта. Во-первых, оптическое излучение, являясь одним из конечных результатов процессов в пространстве между Землёй и Солнцем, может служить источником информации о процессах в околоземном космическом пространстве, в частности для диагностики магнитосферы. Во-вторых, по данным об оптическом излучении можно судить о воздействии первичного потока частиц на ионосферу. Такие исследования необходимы в связи с проблемой распространения радиоволн и др. явлениями в радиодиапазоне [появлением спорадических слоев Е, рассеянием радиоволн, возникновением ОНЧ-излучения (см. Радиоволны) и радиошумов]. Наблюдения Полярных сияний с использованием телевизионной техники позволили установить сопряженность Полярных сияний в двух полушариях, исследовать быстрые изменения и их тонкую структуру. Не все проблемы, связанные с Полярным сиянием, могут быть решены наземными средствами или наблюдениями естественных Полярные сияния Появление спутников и ракет позволило проводить изучение Полярные сияния в тесной связи с исследованиями околоземного космического пространства и ставить прямые эксперименты во внешней атмосфере Земли и межпланетном пространстве. Так, США в 1969, СССР в 1973 и СССР совместно с Францией в 1975 провели эксперименты по созданию искусственных Полярные сияния, во время которых с ракеты на высоте в несколько сот км. инжектировался в атмосферу пучок электронов высоких энергий. Проведение контролируемых экспериментов совместно с наземными наблюдениями открывает новые пути в исследовании Полярных сияний и процессов в верхней атмосфере. В 1971-1972 гг. измерения интенсивности отдельных эмиссий и фотографирование Полярных сияний начато из космоса со спутников на полярных орбитах, что позволяет получать распределение свечения во всей области высоких широт за несколько минут.
1. Исаев С.И., Путков Н.В., Полярные сияния, М., 1958;
3. Чемберлен Дж., Физика полярных сияний и излучения атмосферы, пер. с англ., М., 1963;
4. Акасофу С.И. Полярные и магнитосферные суббури, пер. с англ., М., 19712
5. Исаев С.И., Пудовкин М.И., Полярные сияния и процессы в магнитосфере-Земли, Л., 1972;
6. Омхольт А., Полярные сияния, пер. с англ., М., 1974; Stхrmer С., The polar aurora, Oxf., 1955; International Auroral atlas, Edinburgh, 1963.
Содержание работы
Содержание
Введение 3
1 Механизм возникновения магнитного поля Земли 4
2 Составляющие магнитного поля 6
2.1 Внутреннее магнитное поле 6
2.1.1 Энергия геодинамо 7
2.1.2 Переполяризация 8
2.2 Внешнее магнитное поле 9
3 Магнитные бури 11
Заключение 13
Библиографический список 14
Содержимое работы - 1 файл
82-01_topt.doc
Некоторые симптомы переполяризации были выявлены при анализе карт, которые были сделаны со спутников Magsat и Oersted. Готье Гюло (Gauthier Hulot) и его коллеги из Парижского геофизического института отметили, что длительные изменения геомагнитного поля возникают на границе ядра и мантии в тех местах, где направление геомагнитного потока обратно нормальному для данного полушария. Наибольший из так называемых участков обратного магнитного поля протянулся из южной оконечности Африки на запад к Южной Америке. На данном участке магнитный поток направлен внутрь, к ядру, в то время как большая часть его в Южном полушарии направлена из центра.
Районы, где магнитное поле направлено в противоположную для данного полушария сторону, возникают при случайном прорыве закрученных и петляющих линий магнитного поля за пределы ядра Земли. Участки обратного магнитного поля могут существенно ослабить магнитное поле на поверхности Земли, называемое диполем, и свидетельствовать о начале смены земных полюсов. Они появляются, когда поднимающаяся жидкая масса проталкивает горизонтальные магнитные линии вверх в расплавленном внешнем ядре. Такое конвективное излияние иногда закручивает и выдавливает магнитную линию. Одновременно силы вращения Земли вызывают винтовую циркуляцию расплава, которая может затянуть петлю на выдавленной магнитной линии. Когда выталкивающая сила достаточно велика, чтобы выбросить петлю из ядра, на границе ядро-мантия образуется пара участков магнитного потока.
2.2 Внешнее магнитное поле
Земное магнитное поле находится под воздействием потока намагниченной солнечной плазмы. В результате взаимодействия с полем Земли образуется внешняя граница околоземного магнитного поля, называемая магнитопаузой. Она ограничивает земную магнитосферу. Из-за воздействия солнечных корпускулярных потоков размеры и форма магнитосферы постоянно меняются, и возникает переменное магнитное поле, определяемое внешними источниками. Его переменность обязана своим происхождением токовым системам, развивающимся на различных высотах от нижних слоев ионосферы до магнитопаузы. Изменения магнитного поля Земли во времени, вызванные различными причинами, называются геомагнитными вариациями, которые различаются как по своей длительности, так и по локализации на Земле и в ее атмосфере.
Магнитосфера – область околоземного космического пространства, контролируемая магнитным полем Земли. Магнитосфера формируется в результате взаимодействия солнечного ветра с плазмой верхних слоев атмосферы и магнитным полем Земли. По форме магнитосфера представляет собой каверну и длинный хвост, которые повторяют форму магнитных силовых линий. Подсолнечная точка в среднем находится на расстоянии 10 земных радиусов, а хвост магнитосферы простирается за орбиту Луны. Топология магнитосферы определяется областями вторжения солнечной плазмы внутрь магнитосферы и характером токовых систем.
Хвост магнитосферы образован силовыми линиями магнитного поля Земли, выходящими из полярных областей и вытянутых под действием солнечного ветра на сотни земных радиусов от Солнца в ночную сторону Земли. В итоге плазма солнечного ветра и солнечных корпускулярных потоков как бы обтекают земную магнитосферу, придавая ей своеобразную хвостатую форму.
В хвосте магнитосферы, на больших расстояниях от Земли, напряженность магнитного поля Земли, а следовательно и их защитные свойства, ослабляются, и некоторые частицы солнечной плазмы получают возможность проникнуть и попасть во внутрь земной магнитосферы и магнитных ловушек радиационных поясов. Проникая в головную часть магнитосферы в область овалов полярных сияний под действием изменяющегося давления солнечного ветра и межпланетного поля, хвост служит местом формирования потоков высыпающихся частиц, вызывающих полярные сияния и авроральные токи. Магнитосфера отделена от межпланетного пространства магнитопаузой. Вдоль магнитопаузы частицы корпускулярных потоков обтекают магнитосферу. Влияние солнечного ветра на земное магнитное поле иногда бывает очень сильным. Магнитопауза – внешняя граница магнитосферы Земли (или планеты), на которой динамическое давление солнечного ветра уравновешивается давлением собственного магнитного поля. При типичных параметрах солнечного ветра подсолнечная точка удалена от центра Земли на 9–11 земных радиусов. В период магнитных возмущений на Земле магнитопауза может заходить за геостационарную орбиту (6,6 радиусов Земли). При слабом солнечном ветре подсолнечная точка находится на расстоянии 15–20 радиусов Земли.
Магнитные бури - сильные возмущения магнитного поля Земли, резко нарушающие плавный суточный ход элементов земного магнетизма . Магнитные бури длятся от нескольких часов до нескольких суток и наблюдаются одновременно на всей Земле. С наибольшей интенсивностью (до ~ 5×10 -2 э) они проявляются в высоких широтах. В средних широтах изменения напряжённости геомагнитного поля во время магнитные бури колеблются в пределах от ~ 0,1 до ~ 1 а/м (~ 1·10 -3 —1·10 -2 э). Как правило, Магнитные бури состоят из предварительной, начальной и главной фаз, а также фазы восстановления. В предварительной фазе наблюдаются незначительные изменения геомагнитного поля (в основном в высоких широтах), а также возбуждение характерных короткопериодических колебаний поля. Начальная фаза характеризуется внезапным изменением отдельных составляющих поля на всей Земле, а главная — большими колебаниями поля и сильным уменьшением горизонтальной составляющей. В фазе восстановления магнитные бурь поле возвращается к своему нормальному значению. В возмущённом геомагнитном поле обычно выделяют апериодическую вариацию, полярные магнитные суббури, проявляющиеся в средних широтах в виде бухтообразных возмущений, специфические короткопериодические колебания и другие виды магнитных вариаций.
Магнитные бури вызываются потоками солнечной плазмы из активных областей Солнца, накладывающимися на спокойный солнечный ветер . Поэтому, магнитные бури чаще наблюдаются вблизи максимумов 11-летнего цикла солнечной активности . Достигая Земли, потоки солнечной плазмы увеличивают сжатие магнитосферы, вызывая начальную фазу Магнитные бури, и частично проникают внутрь магнитосферы Земли. Попадание частиц высоких энергий в верхнюю атмосферу Земли и их воздействие на магнитосферу приводят к генерации и усилению в ней электрических токов, достигающих наибольшей интенсивности в полярных областях ионосферы, с чем связано наличие высокоширотной зоны магнитной активности. Изменения магнитосферно-ионосферных токовых систем проявляются на поверхности Земли в виде иррегулярных магнитных возмущений.
Попавшие во время магнитных бурь в радиационный пояс Земли , солнечные протоны с энергиями от 1,6·10 -16 до 1,6·10 -14 дж. (от 1 до 100 кэв) создают на расстоянии 3—6 радиусов Земли от её центра экваториальное токовое кольцо, магнитное поле которого ослабляет геомагнитное поле в главной фазе магнитных бурь. Распад кольцевого тока в результате столкновений протонов с нейтральными атомами водорода атмосферы Земли и возникновения неустойчивостей в плазме приводят к экспоненциальному затуханию магнитного поля тока в фазе восстановления Магнитные бури
Магнитные бури — одно из основных проявлений более общего геофизического процесса — магнитосферной бури. Она сопровождается возникновением в верхней атмосфере Земли полярных сияний, ионосферных возмущений, рентгеновского и низкочастотного излучений.
Во время магнитных бурь существенно изменяются параметры слоев ионосферы, отражающих и поглощающих радиоволны (высота их расположения, концентрация электронов и другие). В результате возникают значительные помехи в коротковолновой радиосвязи. Во время магнитных возмущений происходит также разогрев верхней атмосферы и передача теплоты вниз, в тропосферу, что способствует развитию в ней циркуляционных движений и возникновению циклонов.
Магнитное поле Земли испытывает вековые изменения. Скорость и характер изменения различны в разных географических точках. Магнитное поле Земли оказывает сильное влияние на электрические частицы, движущиеся в межпланетном пространстве около Земли.
Инверсии магнитных полюсов Земли неоднократно происходили в прошлом.
Поэтому, изучение магнитного поля Земли остается очень важной частью геомагнетизма.
1. Акасофу С.И., Полярные и магнитосферные суббури / С.И. Акасофу / перевод с английского. - М., 1971;
2. Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. — Минск, 2004;
3. Амиантов А.С., Зайцев А.Н., Одинцов В.И., Петров В.Г. Вариации магнитного поля Земли. База цифровых данных магнитных обсерваторий России за 1984–2000 годы на СD-ROM. ИЗМИРАН, М, 2001;
4. Короновский Н. В. Магнитное поле геологического прошлого Земли. Соросовский образовательный журнал, N5, 1996, стр.56-63;
5. Кошкин Н.И., Ширкевич М.Г. Справочник по элементарной физике. — М.: Наука, 1976 – 475с.;
6. Лазутин Л.Л. Полярные сияния. Наука в России, № 4, 2001;
7.Пудовкин М.И. Основы физики Солнца / М.И. Пудовкин - СПб, 2001. – 321с.;
8. Сивухин Д. В. Общий курс физики / Д.В. Сивухин. — Изд. 4-е, стереотипное. — М.: МФТИ, 2004. — 656 с.;
Красочное действие, происходящее на небосводе, именуется северным сиянием. Фееричное шоу наблюдали жители планеты на протяжении многих тысячелетий, но обосновать с научной точки зрения где и когда оно появляется смогли только недавно. Жители, проживающие в широтах, где наблюдаются полярные ночи, в свое время дали явлению народное название — сполохи или пазори, а также приписывали ему различные мифические свойства и рассказывали интересные легенды.
Что такое полярное сияние
Полярное сияние – это одно из уникальных природных явлений, представляющее собой многоцветное свечение, возникающее в определенных слоях атмосферы вследствие взаимодействия ее магнитного поля с частицами солнечного ветра.
Подобное световое действие на небе – это поистине неимоверное природное явление и его можно лицезреть в ночное время на территории стран, расположенных как на севере земного шара, так и на его юге. Именно от этого и зависит название сияния — северное или южное.
Классификация
Согласно научным исследованиям полярное сияние классифицируется по нескольким признакам.
Исходя из формы явление делится на такие виды:
Кроме того, существует специальная шкала интенсивности свечения, исходя из которой полярные сияния делятся на четыре группы: одно и двухбалльные свечения являются слабыми по интенсивности и выглядят однотонными, а трех и четырехбалльные — более интенсивны и видятся человеческим глазом как цветные (желтые, красные, зеленые, фиолетовые).
Если говорить о цвете свечения, то чаще всего взору представляется красочное световое шоу в зеленых оттенках:
Чрезвычайно редко можно наблюдать феерию цветов красного или красно-розового оттенка. Установлено, что на цвет сияния может влиять высота, где произошло столкновение заряженных частиц:
- на высоте 150 километров небо приукрашивается в красный цвет;
- на высоте от 120 до 150 километров световое действие представлено желто-зелеными тонами;
- ниже 120 километров небосвод окрашивается в фиолетово-синие оттенки.
Цветовая гамма свечения также зависит от того, с какими молекулами происходит столкновение в атмосфере заряженных частиц солнечного ветра. К примеру, красные оттенки могут возникать при соприкосновении частиц с молекулами кислорода:
Если же в этом процессе участвует азот, то взору откроются световые иллюминации с синим или пурпурно-красным оттенком:
Очень редко встречается белое полярное сияние.
Помимо красочного свечения при полярном сиянии можно услышать определенные звуки, к примеру, треск или шуршание. По мнению ученых это связано с активностью Солнца в период очередного выброса энергии в атмосферу. Услышать подобные звуки можно довольно редко и только при условии безветренной погоды и отсутствия вблизи других источников звука.
Учитывая все характеристики, которые исследуются учеными, можно спрогнозировать в какое время и в каких местах можно будет наблюдать необычайной красоты северное и южное сияния.
Как образуется сияние
Согласно современному трактованию отблески светового небесного шоу зарождаются из-за столкновения заряженных частиц небесного светила с магнитными ионами Земли. Происходит мощный выброс энергии, образующий цветные люминесценции. Явление наблюдается в местности, наиболее приближенной к полюсам Земли.
В зависимости от ряда факторов световое действие может распространяться на ширину около 160 километров, а его длина может достигать 1,5 тысяч километров.
Где и когда можно наблюдать
В большинстве случаев активность полярных сияний наблюдается в северных и южных широтах, хотя полюбоваться световым представлением могут и жители Лондона, штата Флорида, а также Антарктиды. Данное небесное действие происходит в период с октября по январь. Отвечая на вопрос, сколько длится полярная ночь, стоит отметить, что активность полярных сияний может продолжаться в течение суток, а иногда может закончится и через час. Световое шоу лучше всего лицезреть в сильный мороз в ночное время. Днем свечения могут быть мало заметны.
Установлено, что появление северного сияния происходит с интервалом в 11 лет.
Во времена Средневековья полярная ночь представлялась взору в Скандинавии, на Севере России, а также в северной части Китая, поскольку магнитный полюс земного шара располагался немного правее, чем сейчас.
В наше время полюбоваться ночной игрой света можно:
- на северном полюсе;
- в Антарктиде;
- в Северной Америке (от 20 до 200 раз в году, причем местные жители его могут наблюдать и летом);
- на севере скандинавских стран. Наиболее отчетливо северное сияние можно увидеть на острове Шпицберген;
- в широтах, расположенные между столицами стран Англии и Франции (в пределах 5-10 раз в году);
- в северной части Флориды можно полюбоваться зрелищем 4 раза в год;
- на Кольском полуострове;
- в Шотландии (в апреле).
Так как северное сияние наблюдается непосредственно вблизи магнитных полюсов Земли, то наиболее заметным явление становится при нахождении наблюдателей за северным полярным кругом. Довольно часто радужную феерию на небе могут посмотреть жители Гренландии, Исландии, северного побережья Норвегии, а также местности, расположенной ближе к северу от Сибири. Южное полярное сияние образуется в кольце вокруг Антарктиды и южной части Индийского океана.
Наблюдать северное сияние также можно и из космоса:
При этом световые шоу достаточно красочно проявляются и на других планетах Солнечной системы, к примеру, на Юпитере, Венере, Марсе.
История изучения явления
Полярное сияние — это зрелище необычайной красоты, которое люди регулярно наблюдают на небосводе. Но как оно образуется долгое время никто точно определить не мог.
Данное явление наблюдалось еще в давние времена и об этом есть упоминания в записях, к примеру:
- Путешествуя вокруг мыса Горн в 1745 году, Анатолий де Уллоа зафиксировал несколько раз небесное свечение на Южном полюсе нашей планеты.
- Джеймс Кук наблюдал подобное явление в Южном полушарии Земли. На основе записей Кука ученые узнали, что красочное световое действие может происходить на обоих полюсах планеты одновременно.
Ряд гипотез образования сияния даже приблизительно не соответствовали действительности, к примеру:
Первым, кто смог обосновать теорию происхождения красочного действия, является М.В. Ломоносов, который путем научных исследований в лабораторных условиях показал, как получается северное световое шоу. Он взял стеклянный шар, выкачал из него воздух и пропускал через этот шар электрические разряды. При этом в шаре получалось свечение, которое было очень похожее на то, что происходит на небосводе. В своих опытах ученый использовал различные пары газов, и доказал, что каждый вид газа создает разное свечение.
Полярное сияние — это уникальный феномен в природе, который завораживает своей красотой. Данное явление считается единственным заметным для невооруженного человеческого глаза проявлением воздействия солнечной корпускулярной радиации на околоземное пространство и атмосферу нашей планеты.
Читайте также: