Северное сияние

Муниципальное образовательное учреждение
средняя общеобразовательная школа №9 г. Усть-Кут
Реферат
Физика
Тема: «Оптические явления в природе. Северное
сияние»
Автор работы: Звягина Анастасия
Место выполнения работы: МОУСОШ №9, 11 «Б» класс,
Иркутская область, г. Усть-Кут
Научный руководитель: Федотова Ирина Витальевна,
учитель физики МОУ СОШ №9, Иркутская область, г. Усть-Кут
2013г.
Содержание:
1.
Введение.
2.
Что такое северное сияние:

Из-за чего возникает северное сияние
3.
При каких условиях и где можно увидеть северное сияние

Сияние на северном полюсе
4.
Интенсивность свечения и цвет

Намагниченный свет

Взрывы цвета

Радиус кривизны светового луча.
5.
Активность полярных сияний
6.
Формы полярных сияний
7.
Сияние небес

Зов предков. Феномены природы

16 мифов о северном сиянии
8.
Вывод.
9.
Литература.
Введение
Людей с древних времен привлекает изумительная по своей красоте
картина северных сияний. Многие столетия люди задавались вопросом об их
происхождениях. Достижения в сфере космических исследований и развитие
физики помогли раскрыть тайну этого явления.
Что такое северное сияние
Северное сияние — одно из самых красивых световых явлений в природе,
в силу этого факта они привлекают внимание многих людей на протяжении
всей своей истории.
Это действительно сверкающее
многоцветное сияние на небе.
Типичное северное сияние
выглядит как сияющая занавеска,
переливающаяся сине - зелеными
огнями с вкраплениями розового и
красного. Эти цветные лен ты имеют
ширину до 160 километров, а длину
до 1600 километров. Танцующее в
темном небе, как языки пламени, северное сияние — завораживающее и
чарующее зрелище. Северное сияние происходит на Земле. Но вызвано
оно процессами, происходящими на Солнце. Вот как это получается.
Солнце — это раскаленный газовый шар, состоящий из атомов водорода и
гелия. В ядре этих атомов находятся частицы, которые называются
протонами. Вокруг протонов вращаются другие частицы. Они называются
электронами. Протоны несут единичный положительный заряд, электроны —
отрицательный. Облако сверх горячего газа, окутывающее Солнце
(солнечная корона), постоянно выбрасывает в пространство во всех
направлениях частицы и осколки атомов. Эти кусочки летят в космосе со
скоростью 960 километров в секунду. Иногда корона буквально взрывается
вихрем частиц, добавляя новые раскаленные порции к солнечному ветру.
Из-за чего возникает северное сияние
Это явление, как и многие феномены природы, имеет вполне рациональное
научное объяснение. Если отбросить романтичные мифы народов севера, то
причину возникновения полярного сияния можно объяснить следующим
образом.
Как ни странно, этот ночной свет, Северное сияние, возникает благодаря
дневному Светилу, Солнцу. Этому
гигантскому ядерному котлу, находящемуся
в ста пятидесяти миллионах километрах от
нас. Солнце излучает огромное количество
энергии. А энергия принимает самые
разнообразные формы.
Есть вещи очевидные, такие, как свет,
который мы видим, или тепло, которое мы ощущаем. Но есть еще
ультрафиолетовые лучи, которые нельзя увидеть, но можно
почувствовать.(Если не соблюдать осторожность именно из-за них случаются
солнечные ожоги). И этим действие солнца не ограничивается: оно не только
дарит нам тепло, оно выбрасывает в атмосферу огромное количество частиц,
которые несут в атмосферу электрический заряд и разлетаются от Светила во
все направления. Общее их название – Солнечный ветер.
При каких условиях и где можно увидеть северное сияние
Поскольку солнечный свет полностью затмевает полярное сияние, то
увидеть его можно только в тёмное время суток. Наиболее оптимальные
условия - это ясная, безлунная ночь, а также отсутствие препятствий в виде
гор, домов, деревьев и других предметов, закрывающих обзор. Увидеть
северное сияние можно в высоких и средних широтах, обычно на северной
стороне небосклона.
Наблюдать этот феномен природы можно в Якутске, Мурманске, на
Таймыре, в Салехарде, а также на Аляске. Чаще всего полярные сияния
можно увидеть в области, охватывающей Аляску, Гудзонов залив, Большое
Медвежье озеро, Исландию, южную часть Гренландии, а также север
Норвегии и Сибири.
В Норвегии вы сможете ознакомиться с мифами народов севера, а также,
увидев северное сияние, восхититься этим феноменом природы.
Большинство туристических фирм доставляют путешественников на
микроавтобусах туда, где можно наблюдать полярное сияние. Один
недостаток - из-за капризов погоды туристам иногда приходится ждать, пока
уйдут тучи.
Исландия приветливо встретит путешественника, туриста приятно удивят
сниженные цены в ресторанах и отелях Рейкьявика (чему, несомненно,
поспособствовал финансовый кризис). Но все, кто увидел северное сияние в
этих широтах, говорят, что лучше любоваться феноменом природы за
городом, где нет искусственного освещения, затрудняющего просмотр.
В Северной Финляндии, можно наблюдать полярные сияния до 200 раз за
год. Местные жители поведают путешественнику о мифах народов севера,
связанных с полярным сиянием. Кристально чистый воздух и отсутствие
городского шума позволят туристу в полной мере насладиться созерцанием
этого феномена природы.
Швеция. Кируна - это одно из расположенных на севере Швеции мест, где
возникают наиболее яркие полярные сияния. Но чтобы увидеть северное
сияние или сфотографировать его путешественнику придётся покинуть
пределы города, где уличное освещение создаёт конкуренцию небесной
иллюминации.
Северное сияние на Северном полюсе
Когда солнечный ветер достигает Земли, его частицы попадают в ее
магнитное поле. Силовые линии этого магнитного поля проходят в
космическом пространстве, а сходятся у Северного и Южного полюсов
Земли. Короче, Земля — это гигантский
магнит. Магнетизм Земли обусловлен, как
полагают, электрическими токами,
индуцированными вращением железного
ядра Земли. Чтобы посмотреть, как
действует магнит, положите на него лист
картона и насыпьте сверху железные
опилки или мелкие гвоздики. Опилки или
гвозди расположатся по кривым линиям,
совпадающим с силовыми линиями магнитного поля.
Магнитное притяжение Земли как бы засасывает пролетающие мимо нее
заряженные частицы. Эти притянутые частицы движутся в виде длинных
«лучей» вдоль силовых линий магнитного поля, которые уходят под землю в
области магнитных полюсов. Эти полюса находятся вблизи Северного и
Южного полюсов Земли, хотя и не совпадают с ними. Летящие вдоль
силовых невидимых линий частицы «бесцеремонно затаскиваются» в
атмосферу вблизи полюсов. И тут - то все начинается.
Земля — не единственная планета, где бывает северное сияние. На
Юпитере небеса в районе
Северного полюса полыхают еще
грандиознее.
Атмосфера нашей матери Земли
состоит в основном из азота и
кислорода. Когда электроны и
протоны, выброшенные с Солнца,
вторгаются в атмосферу, они
неизбежно сталкиваются с
молекулами этих газов. При
столкновении некоторые из атомов
теряют часть своих электронов,
другие — «возбуждаются», получая дополнительную энергию. Когда атом
«успокаивается» после столь бурной
атаки, то есть возвращается в
нормальное энергетическое
состояние, он испускает световой
фотон. Молекулы азота при
столкновении обычно теряют
электроны. При этом излучается
синий и фиолетовый свет. Если же
молекула азота возбуждается без
потери электрона, то происходит
испускание лучей красной части
спектра. Когда солнечный ветер
сталкивается с молекулами кислорода, потери электронов никогда не
происходит. Молекула возбуждается, а затем испускает кванты зеленого и
красного света.
Схематическое изображение траектории заряженной частицы в магнитном
поле Земли.
Интенсивность свечения и цвет.
Интенсивность свечения полярных сияний обычно оценивается визуально
и выражается в баллах по принятой международной шкале. Слабые полярные
сияния, по интенсивности свечения приблизительно соответствующие
Млечному Пути, оцениваются в I балл. Полярные сияния с интенсивностью,
аналогичной лунной совещенности тонких перистых облаков – в II балла, а
кучевых облаков – в III балла, свету полной Луны – в IV балла. Так,
например, интенсивность в III балла, исходящая от дуги полярного сияния,
соответствует свету нескольких микросвечей на 1 кв. см. Объективным
методом определения интенсивности свечения полярного сияния является
измерение суммарной освещенности с помощью фотоэлементов.
Установлено, что соотношение интенсивности самых ярких к самым слабым
полярным сияниям составляет 1000:1.
Полярные сияния интенсивностью свечения в I, II и III (близ нижней
границы) балла не кажутся разноцветными,
так как интенсивность отдельных цветов в
них ниже порога восприятия. Полярные
сияния с интенсивностью свечения в IV и III
(у верхней границы) балла кажутся
цветными, как правило желтовато-зелеными,
иногда – фиолетовыми и красными. С тех пор
как в 1867 Андерс Ангстрем впервые
направил спектроскоп на полярные сияния, в
них было обнаружено и исследовано большое число спектральных линий и
полос. Основная часть излучения испускается азотом и кислородом,
главными компонентами высоких слоев атмосферы. Атомарный кислород
обычно придает полярным сияниям желтоватые тона, иногда окраска вообще
отсутствует, в спектре появляется зеленая линия с длиной волны 5577 Å, а
также бывают красные лучистые полярные сияния с длиной волны 6300 Å
(тип А). Сильное излучение молекулярного азота на волнах 4278 Å и 3914 Å
наблюдается в красных и фиолетовых полярных сияниях в нижней части дуг
или драпри (тип В). В некоторых формах полярных сияний обнаружено
излучение водорода, что важно для понимания природы полярных сияний,
так как эта эмиссия указывает на поступление потока протонов.
Намагниченный свет
Подробно природу полярных сияний объяснили астрофизики.
Географические полюса Земли практически совпадают с ее магнитными
полюсами. Между ними протягиваются силовые линии, которые опоясывают
всю нашу планету. Магнитная оболочка Земли постоянно продувается т.н.
солнечным ветром – потоком протонов и электронов, излучаемых Солнцем.
Попадая в магнитное поле Земли, эти активные частицы как бы стекают к
полюсам, там проникают в плотные слои атмосферы и своей энергией
активируют молекулы и атомы газов, входящих в ее состав.
Излучение этих возбужденных молекул и атомов и дает полярное сияние, и
также определяет его цвет. К примеру, если солнечный ветер активизирует в
основном атомы кислорода, последние
будут испускать зеленое или красное
сияния. Молекулы азота дадут фиолетовое
или инфракрасное излучение. Таким
образом, цвет полярного сияния целиком
зависит от состава атмосферы планеты. К
примеру, в атмосфере Юпитера больше
водорода, который будет светиться
ультрафиолетом.
Возникая в основном в районе магнитных полюсов, полярные сияния
иногда случаются и в более низких широтах. Довольно часто их наблюдают в
Шотландии, несколько раз в год – во Флориде. Случались полярные сияния и
над Сингапуром и Индией. Это бывает во время особенно сильных вспышек
на Солнце, периодов повышенной солнечной активности, которая
провоцирует и т.н магнитные бури. Эти возмущения повторяются раз в 27
дней, провоцируя пик активности полярных сияния. Так что, возможно
древние в чем-то были и правы. Полярные сияния напрямую связаны с
геомагнитными возмущениями, которые также влияют и на погоду и на
самочувствие многих людей. Полярные сияния имеют различные формы –
лент, пятен, «корон», «занавесей». Ленты могут протягиваться на сотни
километров в длину. Толщина полярных сияний составляет также несколько
сотен километров, но при этом, в отличие от облаков или туманов, сквозь них
можно видеть звезды.
Полярные сияния обычно образуются на высоте от 90 до 130 километров,
но иногда опускаются и до 60. А максимальная зарегистрированная высота
появления полярного сияния – больше 1100 километров над землей.
Полярные сияния могут длиться всего несколько минут, а могут озарять небо
сутками.
Интенсивность свечения полярных сияний также может быть различной. Она
оценивается по принятой международной шкале. Слабые полярные сияния
соответствуют по силе свечения Млечному пути и оцениваются в 1 балл. 2
балла получают сияния соответствующие сиянию тонких перистых облаков в
лунном свете, 3 балла – лунной освещенности кучевых облаков. А самые
яркие полярные сияния сопоставимы с полной Луной. Причем, только 3-х и
4-балльные сияния видятся наблюдателю цветными, в слабых сияниях цвета
не различимы невооруженным глазом.
В наиболее сильных полярных сияниях выделяется огромное количество
энергии. Сила излучения может равняться землетрясению 5-6 баллов. При
этом полярные сияния могут сопровождаться треском и слабым.
Взрывы цвета
На земле полярные сияния видны далеко не всегда. Днем мешает свет
солнца, ночью их могут закрывать облака. А вот со стороны, то бишь из
космоса, полярные сияния земли видны намного лучше. Орбитальные
станции фиксируют их постоянно, даже в светлое время суток.
Люди также научились вызывать полярные сияния искусственно. В 60-х
годах прошлого века Минобороны США устроило серию ядерных взрывов в
высоких слоях атмосферы. Электроны получившиеся в результате распада
вещества, попали на магнитную оболочку Земли и подобно солнечному
ветру, вступили в реакцию с азотом и кислородом. Так что после взрывов
небеса озарялись фиолетовыми, красными и зелеными сполохами.
Полярное сияние сумели воссоздать и в лабораторных условиях. А в 1985м году российские и французские ученые запустили в воздух уже не
ядерную, а геофизическую ракету. Она стартовала с французского острова
Кергелен и в итоге вызвала полярное сияние над поселком Согра в
Архангельской области.
Радиус кривизны светового луча.
Угол падения, которому соответствует угол
преломления 90°, называют : предельным
углом падения.
Предельный угол.
Для сред воздух-стекло: αпр = 42°
Для алмаза (n=2,42):
αпр = 25°
Для сред вода{n=1,33}-стекло{n=1,5}:
αпр = 60°
В предельном случае, когда показатель преломления изменяется не плавно, а
скачком, т. е. когда имеется чёткая граница между двумя областями с
разными значениями показателя преломления (это отвечает бесконечно
большому градиенту показателя преломления ), световой луч испытывает не
изгиб, а излом , и на границе двух сред он резко изменяет своё направление,
преломляясь и отражаясь или же только отражаясь.
Активность полярных сияний и связанные с ними явления.
Полярные сияния исследуются с помощью радиолокаторов. Радиоволны с
частотами от 10 до 100 МГц при определенных условиях отражаются
областями ионизации, которые возникают в высоких слоях атмосферы под
воздействием полярных сияний. При использовании высокочастотных
радиосигналов и антенн дальнего действия можно получать отраженные
волны на частотах до 800 МГц. Радиолокационным методом ионизация
обнаруживается даже днем при солнечном освещении, а также фиксируются
очень быстрые перемещения полярных сияний. Результаты фото- и
радиолокационных наблюдений свидетельствуют, что активность полярных
сияний подвержена как суточным, так и сезонным изменениям.
Максимальная активность в течение суток отмечается ок. 23 ч, сезонный же
пик активности приходится на дни равноденствия и близкие к ним
временные интервалы (март – апрель и сентябрь – октябрь). Эти пики
активности полярных сияний повторяются через относительно правильные
промежутки, а продолжительность основных циклов составляет примерно 27
дней и ок. 11 лет. Все эти цифры показывают, что существует корреляция
между полярными сияниями и изменениями магнитного поля Земли,
поскольку пики их активности совпадают, т.е. полярные сияния обычно
возникают в периоды высокой активности магнитного поля, которые
называются «возмущениями» и «магнитными бурями». Именно во время
сильных магнитных бурь полярные сияния прослеживаются в более низких,
чем обычно, широтах.
Пульсирующие полярные сияния обычно сопровождаются пульсациями
магнитного поля и очень редко – слабыми свистящими звуками. Они, повидимому, также генерируют радиоволны с частотой 3000 МГц.
Ионосферные наблюдения в радиоволновом диапазоне показывают, что на
высотах 80–150 км во время полярных сияний повышается ионизация.
Наблюдения, проводимые при помощи геофизических ракет, указывают, что
плотные ядра повышенной ионизации вдоль силовых линий магнитного поля
связаны с полярными сияниями, а при интенсивных полярных сияниях
температура верхних слоев атмосферы возрастает.
Формы полярных сияний.
В последние годы полярные сияния наблюдались визуально и
фотографировались, в
частности с применением прибора нового типа,
называемого «аппаратом кругового обзора». Полярные сияния имеют
весьма разнообразные формы, включая проблески, пятна, однородные дуги и
полосы, пульсирующие дуги и поверхности, всполохи, лучи, лучистые дуги,
драпри и короны. Свечение, как правило, начинается в виде сплошной дуги,
которая является одной из самых обычных форм и не имеет лучистой
структуры. Яркость может быть довольно постоянной во времени или же
пульсировать с периодом менее минуты. Если яркость сияния увеличивается,
однородная форма часто распадается на лучи, лучистые дуги, драпри или
короны, в которых лучи как бы сходятся к вершине. Всполохи в форме
быстро движущиеся вверх волн света часто венчаются короной.
Сияние небес
В древности полярные сияния считали проявлением гнева богов или
знаком скорых несчастий. Когда небо начинало полыхать цветными огнями,
средневековые исследователи сообщали, что великаны сражаются в небе.
Зов предков и другие феномены природы
Издавна жители севера заметили такую особенность - во время долгой
зимней полярной ночи, когда можно увидеть северное сияние, некоторые
люди начинают странно себя вести. Они разговаривают с несуществующими
собеседниками или полностью отрешаются от внешнего мира, могут
передвигаться подобно лунатикам. Даже в древних мифах народов севера
есть упоминание об этом феномене природы, которому исследователи дали
имя – «зов предков».
Услышав "зов предков" человек движется, не выбирая пути, а когда через
некоторое время приходит в себя, то очень смутно помнит о том, что с ним
происходило. Некоторые говорят о том, что увидев северное сияние, они
слышали звуки сказочной красоты и повиновались зову Полярной звезды,
приглашающей их посетить древнюю Землю предков.
Учёные объяснили воздействие этого феномена природы на психику
человека. Оказывается, "зов предков" из мифов народов севера это
низкочастотные электромагнитные волны, порождённые северным сиянием.
Они излучаются в диапазоне 8-13 герц, что сродни бета и альфа ритмам
головного мозга. Человек, который увидел северное сияние, испытывает
непреодолимую потребность объединиться с чем-то более надёжным, чем он
сам. К тому же этот феномен природы сопровождается неразличимым на
слух, но биологически активным инфразвуком. Инфразвук может оказывать
самые непредсказуемые воздействия на мозг и сердечнососудистую систему
человека. Так что действительно наблюдать северное сияние - значит
подвергать себя некоторому риску.
Инфразвук - виновник многих трагических событий, произошедших на
море. Слабое воздействие приводит к появлению симптомов морской
болезни, среднее вызывает серьезные мозговые нарушения, вплоть до потери
слуха и зрения. Принято считать, что инфразвук, частотой в 7 герц может
убить человека, вследствие вибрации внутренних органов, приводящей к
остановке сердца. Существуют легенды о сиренах, завлекающих
мореплавателей, и приводящих их к гибели. Но кто знает, может быть в
исчезновении кораблей был виновен инфразвук?
16 фактов о северном сиянии
1. 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.
2. Проекция плазменного слоя вдоль геомагнитных силовых линий на
земную атмосферу имеет форму колец, окружающих северный и южный
магнитные полюса (авроральные овалы).
3. 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.
4. 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 (воронкообразные области на геомагнитных широтах). В северном
полушарии каспенные сияния можно наблюдать над Шпицбергеном в
околополуденные часы.
5. 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.
6. 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.
7. 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.
8. Полярные сияния наблюдаются преимущественно в высоких широтах
обоих полушарий в овальных зонах-поясах, окружающих магнитные полюса
Земли — авроральных овалах.
9. 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°.
10. 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.
11. Полярные сияния весной и осенью возникают заметно чаще, чем зимой и
летом.
12. Пик частотности приходится на периоды, ближайшие к весеннему и
осеннему равноденствиям.
13. Длительность полярных сияний составляет от десятков минут до
нескольких суток.
14. Во время полярного сияния за короткое время выделяется огромное
количество энергии. Так за одно из зарегистрированных в 2007 году
возмущений выделилось примерно столько же энергии, сколько во время
землетрясения магнитудой 5,5.
15. При наблюдении с поверхности Земли полярное сияние проявляется в
виде общего быстро меняющегося свечения неба или движущихся лучей,
полос, корон, «занавесей».
16. Одной из причин полярного сияния могут быть геомагнитные бури.
Вывод
Анализ спектров северного сияния показал, что красное и зелёное свечение
возникает в результате возбуждения атомов кислорода, а фиолетовое и
инфракрасное - ионизированных молекул азота. Одним словом - сплошная
химия и никакой мистики - мифов народов севера, танцев небесных дев и
феноменов природы. Хотя, быть может, и в древних легендах есть доля
правды и не стоит стремиться увидеть северное сияние...
У большинства людей полярное сияние ассоциируется со снегами, льдами
и холодом. Логичное заблуждение – якобы полярные сияния чаще всего
наблюдаются зимой. На самом деле, больше всего сполохов на небе
появляется в межсезонье, а особенно в дни весеннего и осеннего
равноденствия. Тогда эти разноцветные зарева можно наблюдать часами и по
всему периметру земных полюсов. И хотя сейчас полярные сияния уже не
оставили о себе практически никаких тайн, тем не менее, это очень красивое
зрелище.
Литература
http://valtasar.ru/psila/polarnoe_siyanie.html
http://www.voprosy-kak-i-pochemu.ru/chto-takoe-severnoe-siyanie/
Энциклопедия Кругосвет
http://www.zoopage.ru/stat.php?idstat=219
http://divmir.ru/etot-udivitelniy-mir/severnoe-siyanie
http://x250.ru/travel/2013/01/29/severnoe-siyanie-prekrasnoe-chudo-prirody.html