Полярное сияние.

Аннотация

Моя исследовательская работа раскрывает тайны одного из оптических явлений в природе – Полярное сияние.

Это явление я попытался объяснить для себя и других, интересующихся этой проблемой. В моей работе «Полярное сияние», сделана попытка изобразить полет частицы, летящей от солнца к Земле в неоднородном магнитном поле Земли, попадая в верхние слои атмосферы данная частица заставляет светится разреженный газ.

Задача реализована средствами школьного курса информатики и описана на языке программирования Turbo Pascal 7.0. Одновременно рассматривается интереснейшая Для решения задачи о Полярном сиянии мне понадобились знания законов оптики (законы отражения и преломления света и формулы линзы). Ответить на вопрос, как распространяется свет при мираже? Ведь аналитическим путем на этот вопрос ответить очень сложно, и он отсутствует в стандартных школьных учебниках по общей физике. Но имея под рукой компьютер, с помощью которого можно получить не только число, но и зависимость этого числа от изменений в условии задачи, а так же вычертить график полученных зависимостей. Причем все сложности расчетов компьютер (при достаточном программном обеспечении) берет на себя.

Но где ж ,натура, твой закон?

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 туч

Стремится от земли в зенит?

Как может быть, чтоб мерзлый пар

Среди зимы рождал пожар?

М.В.Ломоносов.

“Вечернее размышление”.

Одним из красивейших и самых необычных оптических явлений природы является полярное сияние. Невозможно передать словами красоту полярных сияний, переливающихся, мерцающих, пламенеющих на фоне темного ночного неба в полярных широтах.

Необычайная красота этого явления просто завораживает человека и погружает его с головой в глубину земных загадок и чудес. Под действием этого впечатления в давние времена жители крайнего севера слагали красочные мифы и легенды о чудесах, происходящих в «небесной глади». Явление полярного сияния имело для них божественный смысл и являлось предметом преклонения богам. Именно им, богам, люди причисляли способность создавать эти мерцания в небе. И долгое время эти предположения оставались в разумах людей как истинные.

Однако, к счастью, не настолько наивны представления об этом оптическом явлении сегодня. Человек глубже проник в природу сияний, как оказалось, являющихся физическими процессами, происходящими в верхних слоях атмосферы Земли. В настоящее время ведётся бурное исследование и изучение возникновения полярных сияний, состава частиц, входящих в эти образования, форм и особенностей мерцаний.

На сегодняшний день это одна из наиболее увлекательных тем современной науки. На основании знаний о северных сияниях возможны многие научные открытия и изобретения, опирающиеся на характер протекания процессов при образовании этих явлений.

Это очень заинтересовало меня и подтолкнуло на более подробное изучение сияний. Наряду с изучением этого явления я предлагаю решение задачи, в которой рассматривается вариант движения частицы, попавшей из космического пространства в атмосферу Земли и играющую непосредственную роль в возникновении полярного сияния. Данная задача реализована средствами школьного курса информатики и описана на языке программирования Pascal.

Я думаю, исследование такого необычного явления, как северное сияние, поможет человечеству и науке сделать ещё один шаг вперед, шаг в будущее.

ПОЛЯРНОЕ СИЯНИЕ.

Земля постоянно находится в разреженном  потоке испущенных частиц (электронов, протонов) и как бы обдувается “солнечным ветром”, который образуется посредством испускания Солнцем электромагнитных волн всех областей спектра – от многокилометровых радиоволн до гамма-лучей. Окрестностей Земли достигают также заряженные частицы разных энергий – как высоких (солнечные космические лучи), так и низких и средних (потоки солнечного ветра, выбросы от вспышек). Наконец, Солнце испускает мощный поток  элементарных частиц – нейтрино. Однако воздействие последних на земные процессы пренебрежимо мало: для  этих частиц земной шар прозрачен, и они свободно сквозь него пролетают.

Только очень малая часть заряженных частиц из межпланетного пространства попадает в атмосферу Земли (остальные отклоняет или задерживает геомагнитное поле). Но их энергии достаточно, чтобы вызывать возмущения магнитного поля нашей планеты.

Попадая в самый верхний слой атмосферы, частицы движутся вдоль силовых линий магнитного поля Земли. Магнитные полюса нашей планеты не совпадают с географическими, хотя и расположены недалеко от них, причем южный магнитный полюс лежит вблизи Северного географического полюса, и наоборот.

Около магнитных полюсов силовые линии направлены вниз, к Земле. Заряженные частицы проникают в более плотные слои атмосферы и воздействуют на молекулы воздуха, вызывая свечения атмосферы – полярные сияния.

Полярные сияния разнообразны по виду и яркости. В старину жители русского севера различали слабую белесоватую отбель, яркие радужные лучи, багрецы, зори, столбы, снопы, сполохи. В основном полярные сияния по форме похожи на светящиеся пятна или ленты, висящие в небе как огромный занавес.

Когда на Солнце происходят вспышки, поток заряженных частиц увеличивается. Они существенно искажают форму магнитного поля Земли, вызывая магнитные бури  и интенсивные полярные сияния. Иногда, при особом усилении солнечной активности, заряженные частицы проникают  в плотные слои атмосферы средних и даже низких широт. Тогда и там вспыхивают полярные сияния.

Вот какое описание северного сияния, наблюдавшегося на юге Франции в 585 году, оставил историк и хронист Григорий Турский: “ мы видели на небе… лучи со стороны севера, такие яркие, которых еще не видели. И вот, в то время как мы, пораженные, смотрели на них с удивлением, с четырех сторон света появились другие подобные им лучи и все небо покрылось ими. А в середине неба было блестящее облако, к которому сходились эти лучи, наподобие шатра, который снизу начинался более широкими полюсами, вверху кончался более узкими и на вершине связался в один пучок…”.

Не менее удивительное и редкое для этих широт полярное сияние наблюдалось  8 марта 1970г в Москве.

В городе и на его окраинах вечером бывает светло, так как свет многих городских светильников рассеивается атмосферой. Однако на этот раз около 22 часов весь северный участок неба сиял необыкновенно нежным, ярким, зеленоватым, прозрачным светом. Свечение занимало около четверти горизонта и понималось на 40 – 50о в высоту. Сверху оно было ограничено слабо-пурпурной каймой, а справа и слева располагались вертикальные пурпурные столбы, медленно меняющие свои очертания. Сквозь свечение видны были звезды. Минут через 30 вся картина стала тускнеть, а затем совсем исчезла. Стрелка компаса во время сияния вела себя беспокойно. Телевизор работал с помехами, магнитная буря, сопровождающая сияние, продолжалась еще некоторое время после того, как свечение исчезло.

В большинстве случаев полярные сияния имеют зеленый или сине-зеленый оттенок  с изредка появляющимися пятнами или каймой розового или красного цвета.

Полярные сияния наблюдают в двух основных формах – в виде лент и в виде облакоподобных пятен. Когда сияние интенсивно, оно приобретает форму лент. Теряя интенсивность, оно превращается в пятна. Однако многие ленты исчезают, не успев разбиться на пятна. Ленты как бы висят в темном пространстве неба, напоминая гигантский занавес или драпировку, протянувшуюся обычно с востока на запад на тысячи километров. Высота занавеса составляет несколько сотен километров, толщина не превышает несколько сотен метров, причем он так нежен и прозрачен, что сквозь него видны звезды. Нижний край занавеса довольно отчетливо и резко очерчен и часто подкрашен в красный или розоватый цвет, напоминающий кайму занавеса, верхний – постепенно теряется в высоте и это создает особенно эффектное впечатление глубины пространства.

Как правило, форма, цвет и особенности северного сияния зависит от высоты его образования. На высоте 100 – 300 километров над землей они представляют собой ленту, переливающуюся разными цветами и как бы развевающуюся на ветру. От 300 до 500 километров над землей, это розовые пятна, более похожие на облака, а выше, до 700 км пятна приобретают зеленую окраску.

Различают четыре типа северных сияний:

- однородная дуга – светящаяся полоса имеет наиболее простую, спокойную форму. Она более ярка снизу и постепенно исчезает кверху на фоне свечения неба;

- лучистая дуга – лента становится несколько более активной и подвижной, она образует мелкие складки и струйки;

•  лучистая полоса – с ростом активности более крупные складки накладываются на мелкие;

- при повышении активности складки или петли расширяются до огромных размеров (до сотни километров), нижний край ленты ярко сияет розовым светом. Когда активность спадает, складки исчезают и лента возвращается к однородной форме. Это наводит на мысль, что однородная структура является основной формой полярного сияния, а складки связаны с возрастанием активности.

Часто возникают сияния иного вида. Они захватывают весь полярный район и оказываются очень интенсивными. Происходят они во время увеличения солнечной активности. Эти сияния представляются в виде беловато-зеленого свечения всей полярной шапки. Такие сияния называются шквалами.

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

Надо отметить, что возникшее сияние распространяется на запад, со скоростью примерно 1 км/сек. Верхние слои атмосферы в области вспышек сияний разогреваются и устремляются вверх, что сказалось на усиленном торможении искусственных спутников Земли, проходящих эти зоны.

Интенсивные вспышки сияния часто сопровождаются звуками, напоминающими шум, треск. Полярные сияния вызывают сильные изменения в ионосфере, что в свою очередь влияет на условия радиосвязи. В большинстве случаев радиосвязь значительно ухудшается. Возникают сильные помехи, а иногда полная потеря приема.

Нередко сияния имеют форму лучей, причем их направление совпадает, в общем, с направлением силовых линий магнитного поля Земли. Северные сияния относятся к тем световым явлениям, которые имеют место в газосветных лампах. Если в лампах дневного света возбуждение газовых частиц и их свечение происходит за счет энергии сетевого электрического тока, то в атмосфере свечение возбужденных газовых частиц происходит за счет электрически заряженных частиц, летящих к нам от Солнца. Наблюдениями замечено, что полярные сияния и магнитные бури часто возникают одновременно (или с запозданием в 1 –2 суток) с явлениями на Солнце : появлением солнечных пятен, вспышек факелов, извержений и т.д. это подтверждает связь между этими явлениями. Исследования при помощи ракет показали, что в местах большей интенсивности сияний имеется более значительная ионизация газов электронами.

Особенно сильно проявляются магнитные бури в так называемой зоне полярных сияний, которая расположена на широте 660 – 670 . очень часто, когда наступает полярное сияние, возникает и магнитная буря. По–видимому, и полярные сияния и магнитные бури имеют общую причину образования, а именно вторжение в земную атмосферу множества мельчайших частиц солнечной материи.

Магнитные бури оказывают очень большое влияние на телеграф, телефон и радио. В период сильных магнитных бурь телеграф из-за множества помех не действует.

ВОЗНИКНОВЕНИЕ СЕВЕРНЫХ СИЯНИЙ.

Земля представляет собой большой магнит, южный полюс которого находится вблизи северного географического полюса (71о с.ш., 96оз.д.) , а северный – вблизи южного (173о ю.ш., 156о в.д.). силовые линии магнитного поля Земли, называемые геомагнитными линиями, выходят из области, прилегающей к северному магнитному полюсу Земли, охватывают Земной шар и входят в него в области южного магнитного полюса, образуя ториодальную (бубликовидную) решетку вокруг Земли.

Долго считали, что расположение магнитных силовых линий симметрично относительно земной оси. Теперь выяснилось, что так называемый «солнечный ветер», налетая на геомагнитную оболочку Земли с высоты около 20 000 км, оттягивает ее назад, в сторону от Солнца, образуя у Земли своеобразный магнитный «хвост».

Попадая в магнитное поле Земли, заряженная частица может вести себя по-разному. Все зависит от того, как она влетела в это магнитное поле. В случае, если она летит перпендикулярно магнитным силовым линиям, движение ее направлено по окружности, если же частица влетает под углом к силовым линиям, то она начинает двигаться по спирали, которая  тем более вытянута, чем меньше угол между линиями индукции поля и скоростью частицы.

Отсюда следует, что электрон или протон, попавшие в магнитное поле Земли, движутся по спирали, как бы навиваясь на геомагнитную линию. Элементарные частицы, попавшие из солнечного ветра в магнитное поле Земли, разделяются на две части. Часть из них вдоль магнитных силовых линий сразу стекает в полярные области Земли; другие попадают внутрь тороида и движутся внутри него, как это можно установить по правилу левой руки. Эти протоны и электроны, в конце концов, по геомагнитным линиям также стекают в область полюсов, где возникает их увеличенная концентрация. Эти частицы производят ионизацию и возбуждение атомов и молекул газов. Для этого они имеют достаточно энергии, так как протоны прилетают на Землю с энергиями 10 000 – 20 000 эв (1эв = 1,6 * 10 –19Дж), а  электроны – с энергиями 10 – 20 эв. Для ионизации же атомов нужно: для водорода- 13,56 эв, для кислорода – 13,56 эв, для азота – 14,47 эв, а для возбуждения и того меньше.

Возбужденные атомы отдают обратно полученную энергию  в виде света, наподобие того, как это происходит в трубках с разреженным газом при пропускании через них токов.

Спектральное исследование показывает, что зеленое и красное свечение принадлежит возбужденным атомам кислорода, инфракрасное и фиолетовое – ионизированным молекулам азота. Некоторые линии излучения кислорода и азота образуются на высоте 200 – 400 км. Другим слабым источником красного свечения являются атомы водорода, образовавшиеся в верхних слоях атмосферы из протонов, прилетевших с Солнца. Захватив электрон, такой протон превращается  в возбужденный атом водорода и излучает красноватый свет.

В 80-х гг. советские ученые установили, что полярные сияния более интенсивны у берегов океанов и морей. Это, видимо, связано с электрическими токами, протекающими в водах вблизи их берегов.

Однако научное объяснение многих явлений, связанных с полярным сиянием, встречает ряд трудностей. Например, неизвестен точно механизм ускорения частиц до выше указанных энергий, не вполне ясны их траектории в околоземном пространстве , не все сходится количественно в энергетическом балансе ионизации и возбуждения частиц, не вполне ясен механизм образования свечения  различных видов, неясно происхождение звуков. Все эти вопросы требуют объяснения, а поэтому многие полярные станции в России и других странах ведут тщательные наблюдения, накапливают факты,  разрабатывают их теоретически.

Большую помощь в этом оказывают искусственные спутники, автоматические станции и космонавты, наблюдающие атмосферу и полярные сияния из космоса.

ЗАДАЧА.

Заряженные частицы (главным образом протоны) летят от Солнца к Земле и попадают в неоднородное магнитное поле Земли, которое можно приближенно считать полем магнитного диполя с моментом p=2,5А*м2. Попадая в верхние слои атмосферы, эти протоны заставляют разреженный газ светиться, и это свечение наблюдается главным образом в полярных странах.

Нужно показать, что, как бы ни летела частица, она будет двигаться по спирали и будет приближаться к Земле обязательно со стороны Северного или Южного полюса.

РЕШЕНИЕ.

Решением данной задачи  является программа на Паскале, которая должна вычертить Землю, силовые линии магнитного поля, произвести собственно расчет и показать изображение траектории.

Программа на Паскале:

Program pollight;

Uses Graph;

Label 1,2,3;

Var x,y,z,xn,yn,dx,dy,mx,h,hx,hy,hz,mu,p,r,r2,r3,re,ra,m,q,vx,vy,vz,aL,daL,t,dt,bx,by,

bz,fx,fy,fz: Real;

gd,gm,x8,y8: Integer;

Begin

gd:=0; Initgraph(gd,gm, ‘C:\TP\BGI’);

{                       рисование Земли и атмосферы                        }

re:=6.37e6;   ra:=6.97e6;     mx:=1e-5;    SetColor(12);

Circle(638,478,Round(re*mx));

Circle(638,478,Round(ra*mx));

FloodFill(638,478,12);

{                              рисование силовых линий                                    }

p:=1;   dx:=3;   daL:=0.03;

SetColor(3);    Line(0,478,638,478);  Line(638,0,638,478);

aL:=daL;

Repeat

x:=dx;  y:=dx*Cos(aL)/Sin(aL);  SetColor(13);

Repeat

r2:=Sqr(x) + Sqr(y);  r:=Sqrt(r2);  r3:=r2*r;

hx:=3*p*x*y/r3/r2;  hy:=p*(3*y*y-r2)/r3/r2;

hz:=3*p*x*z/r3/r2;

dy:=dx*hy/hx;  xn:=x+dx;  yn:=y+dy;

Line(638+Round(-x),478-Round(y),638+Round(-xn),478-Round(yn));

1:x:=xn;  y:=yn;

If (x>638) or (y>478) then goto 2;

Until y<3;

2:aL:=aL+daL;

Until aL>3.14/2;

{                                 траектория частицы                                          }

p:=1e22;  mu:=1.26e-6;  m:=1.7e-27;  q:=1.6e-19;

x:=-6.3e7;  y:=5e6;  z:=0;

vx:=5e6;  vy:=0;  vz:=0;  t:=0;  dt:=1e-2;

Repeat

r2:=Sqr(x)+Sqr(y);  r:=Sqrt(r2);  r3:=r2*r;

If r

bx:=mu*3*p*x/r3*y/r2;  by:=mu*p/r3*(3*y*y-r*r)/r2;

bz:=mu*3*p*x/r3*z/r2;

fx:=q*(vy*bz-vz*by);  vx:=vx+fx*dt/m;  x:=x+vx*dt;

fy:=q*(vz*bx-vx*bz);  vy:=vy+fy*dt/m;  y:=y+vy*dt;

fz:=q*(vx*by-vy*bx);  vz:=vz+fz*dt/m;   z:=z+vz*dt;

x8:=638+Round((x-z/3)*mx);

y8:=478-Round((y-z/3)*mx);

t:=t+dt;

PutPixel(x8,y8,15);

If (x8<0) or (x8>638) or (y8<0) or (y8>478) then goto 3;

Until t>50;

3:Readln;  CloseGraph;

End.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Полярные сияния чаще всего наблюдаются в полярных странах, откуда и происходит их название (раньше их называли северными сияниями). Но иногда они бывают видны не только на далеком Севере, это объясняется увеличением мощности возбудителя свечения – солнечного ветра. Они происходят и бывают ярче в годы максимума солнечной активности, а так же в дни появления на Солнце мощных групп пятен, вспышек и т.п.

Теперь полярные сияния исследуются также с помощью искусственных спутников Земли. Они подтвердили, что возбуждают свечение в основном электроны.

Моя программа вычерчивает очертания Земли, силовые линии магнитного поля, производит расчет и создает изображение траектории частицы попавшей в верхние слои атмосферы.

ЛИТЕРАТУРА

1. Бурсиан Э.В. 100 задач для решения на компьютере. Санкт-Петербург, Издательский Дом «МиМ», 1997
2. Гельперштейн Л.Я. Забавная физика. Москва «детская литература», 1994
3. Иванов А.С., Проказа А.Т. Мир механики и техники. Москва «Просвещение», 1994
4. Зуев Е.Ф. « Программирование на языке TURBO PASCAL».
5. Книга для чтения по физике. Составитель Кирилова И.Г. Москва «Просвещение», 1986
6. Тихомирова С.А. Дидактический материал по физике. Москва «Просвещение», 1996
7. «Энциклопедический словарь юного физика». Составитель Чуянов В.А. Москва «Педагогика» 1991.
8. Чернов Б.И. «Программирование на алгоритмических языках Бейсик, Фортран, Паскаль».