Меню Рубрики

Объяснение северного сияния с точки зрения физики

В тишине бескрайних полярных просторов странные огни играют в небесах – цветные полосы, дуги и вспышки. Это – полярное сияние. В редкие годы, когда оно «добиралось» до небес средневековой Европы, летописцы считали, что это великаны сражаются в небе, а на землю летят их сверкающие разноцветными огнями копья.
Сегодня мы знаем, что полярное сияние – это свечение верхних слоёв атмосферы вследствие взаимодействия с заряженными частицами солнечного ветра вблизи полюсов нашей планеты. В северном полушарии его называют также северным сиянием, а в южном полушарии – южным. В период солнечной активности полярное сияние «спускается» от полюсов к средним широтам и, например, в 2003 году наблюдалось даже в Москве.

Почему возникают полярные сияния? Периодически на Солнце происходит мощнейшая вспышка, и в космос выбрасывается масса частиц, мчащихся с огромной скоростью. Поэтому, как показывают наблюдения со спутников Земли, космос заполнен активной средой – плазмой. Её основные параметры на подлёте к Земле таковы: скорость частиц 400–700 км/с, их концентрация 1–10 частиц/см3, поток массы 108–1010 кг/с, мощность 1019 Вт.

Когда солнечный ветер достигает Земли, его частицы попадают в её магнитное поле, силовые линии которого огибают планету за пределами атмосферы, «уплотняясь» и входя в неё вблизи полюсов (см. рисунок). Рассмотрим, как это влияет на частицы солнечного ветра – почему они попадают в атмосферу Земли чаще всего в полярных областях, в отличие от солнечных лучей.
В большинстве случаев потоки заряженных частиц солнечного ветра направлены под углом к силовым линиям магнитного поля Земли. Поэтому, согласно правилу «левой руки», на все частицы действуют «боковые» силы, которые изменяют направления движений зарядов. Постоянное действие таких сил на каждую частицу приводит к тому, что по пути к Земле их потоки «обматываются» вокруг силовых линий её магнитного поля, двигаясь по спиралям (см. рисунок – тонкие пунктиры).

Вспомним, что силовые линии поля расположены вокруг нашей планеты неодинаково плотно (см. предыдущий рисунок). Поэтому, двигаясь вокруг-вдоль силовых линий, потоки электронов сгущаются там же, где и линии магнитного поля – в полярных областях. Но достигнуть поверхности Земли они всё же не могут. Ведь по мере перемещения вдоль линии поля и приближения к земной поверхности каждый электрон попадает в область всё более сильного поля, которое в итоге выталкивает электроны обратно.
Поэтому, приблизившись к земле приблизительно до 100 км, электроны «отражаются» назад вдоль тех же самых силовых линий. Следуя по спирали вокруг них, электроны вновь опускаются к земной поверхности, но теперь у противоположного полюса планеты (см. толстую красную линию). Благодаря таким потокам частиц, обрушивающимся на полярные области, осуществляется ионизация газов верхний слоёв атмосферы, поэтому возникает свечение. Зелёный и красный цвета возникают из-за ионизации кислорода, а красный – из-за ионизации азота.
Полярное сияние – завораживающее зрелище. Огромные арки переливающихся огней расцвечивают небо всеми цветами спектра – от фиолетовато-белого до жёлто-зеленого и оранжево-красного. Они могут охватывать значительную часть небосвода: совсем недавно, в октябре 2012 года близ села Кепервеем (Чукотка) полярное сияние образовало дугу длиной более 4800 км и высотой более 160 км.

Довгопол Людмила Владимировна (Чукотский АО, с. Кепервеем)

Полярное, или северное, сияние — мистический, непредсказуемый и красивый феномен. Оно внезапно появляется и точно так же неожиданно исчезает. Причиной северного сияния является солнечный ветер. Этим термином называют вещество, выброшенное из верхней оболочки светила — солнечной короны. Оно состоит из заряженных частиц — электронов и ионов, летящих в космосе с громадной скоростью. Иными словами, солнечный ветер представляет собой поток высокоскоростной плазмы.

Солнечный ветер распространяется от Солнца во всех направлениях, небольшая его часть «дует» и на нас. Попадая в магнитное поле Земли, его заряженные частицы начинают двигаться особым образом: они перемещаются вдоль магнитных силовых линий, одновременно вращаясь вокруг них, то есть двигаются по спирали. Поскольку силовые линии магнитного поля Земли сходятся к полюсам, то и частицы солнечного ветра отклоняются туда же. Вот почему полярные сияния наблюдаются в высоких широтах, то есть ближе к северу.

На высотах от 90 до 1000 км эти энергичные солнечные «посланники» сталкиваются с молекулами верхних слоев атмосферы. Удары весьма чувствительны, так что эти молекулы получают добавочную порцию энергии и переходят в состояние с более высокой энергией.

Возвращаясь в начальное, равновесное состояние, молекулы атмосферы излучают кванты света видимого диапазона, которые проявляются в виде полярного сияния.

ПОЛЯРНЫЕ СИЯНИЯ МОЖНО НАБЛЮДАТЬ И НА ДРУГИХ ПЛАНЕТАХ

Это явление встречается не только на нашей планете, но и на ее соседях по Солнечной системе. Спектры полярных сияний зависят от состава атмосфер планет. Например, если для Земли наиболее яркими являются линии излучения кислорода и азота в видимом диапазоне, то для Юпитера — линии излучения водорода в ультрафиолете. Магнитные поля планет-гигантов Солнечной системы значительно сильнее магнитного поля Земли, что обусловливает больший масштаб полярных сияний этих планет по сравнению с полярными сияниями Земли. С помощью космического телескопа «Хаббл» получены качественные изображения полярных сияний этих планет.

Как объяснить явление северного сияния с физической точки зрения?

Заряженные частицы попадая в магнитное поле Земли начинают двигаться по силовым линиям магнитного поля. Соответственно с атмосферу линии поля попадают вблизи магнитных полюсов. Там и врезаются с большой скоростью частицы в верхние слои атмосферы. При столкновении молекул/атомов газа с частицами возникает свечение, называемое Полярным Сиянием.

Не совсем так. Свечение возникает не от столкновения этих заряженных частиц как такогвого, а от РЕКОМБИНАЦИИ ионизированных атомов или релаксации возбуждённых. То есть процесс как бы двухстадийный, и свечение вызывается только второй его стадией. Сначала атомы и молекулы атмосферного воздуха переводятся в состояние в высокой энергией (возбуждённое или даже полностью ионизированное), а потом, когда они восстанавливают своё исходное состояние, избыток энергии испускается в виде излучения.

Что такое северное сияние?

Те, кто видел северное сияния, никогда не забудут это зрелище. Неустойчивое, переливающееся, живое полярное сияние является достопримечательностью холодного края. Равно как и коктейль «Северное сияние», где водка с мандаринами мирно соседствует с шампанским.

Северное сияние с точки зрения физики

Что такое северное сияние? Северное сияние – это свечение, которое видно с земли, вследствие взаимодействия атмосферы с солнечным ветром. Удивительно, но существует не только солнечный свет (поток фотонов), но и солнечный ветер (поток заряженных частиц). Еще Ломоносов предположил, что это явление электрического характера. Впоследствии, ученые, которые положили свою жизнь на изучение и объяснение феномена, подтвердили это. Пропуская ток через разреженные газы (аргон, азот, неон), они увидели, что каждый из них светился по-разному. Было выявлено, что люминесценция происходит в верхней части атмосферы и связана с взрывами на солнце.

Характерно, что ученые доказали наличие этого явления и на других планетах. Известно, что северное сияние есть на Венере, Юпитере. Это удалось доказать с помощью сверхмощного оборудования, так называемых внеатмосферных телескопов.

Замечено, что наиболее яркие эффекты такого явления, как северное сияние, видео которого анализируется учеными впоследствии, проявляются спустя время после вспышек на Солнце. Как раз эти вспышки и дают выброс ионизированных частиц (солнечного ветра), которые достигают верхних слоев атмосферы Земли. Наблюдать природное зрелище можно только ночью, солнце является помехой.

Хоть северное сияние и легко увидеть с поверхности земли, это явление локализуется чрезвычайно высоко, как уже упоминалось в верхних (от 60 км и выше) слоях атмосферы. Предполагается, что верхняя граница свечения находится на высоте 900 километров от поверхности планеты.

Также замечено, что весна, равно как и осень чаще дают возможность созерцать это чудо. Апогеем вспышек на солнце можно считать дни около равноденствия (весеннего и осеннего).

Где северное сияние лучше всего посмотреть

В Исландии, Норвегии, Швеции можно посмотреть северное сияние. Фото не сможет передать всего очарования этой феерии. Желательно смотреть на него в местах, где нет цивилизации, где люди не успели нагромоздить уличные огни. Более того, в Лапландии (в некоторых в финских селениях), для того, чтобы без помех разглядывать северное сияние, жители отказались от ночного освещения.

Почти все турагенства предлагают туры в страны, где можно увидеть северное сияние. Совсем недавно было доказано, что полярные сияния в северном и южном частях земного шара, окружают полюс кольцом в 4тыс. километров. И что любопытно, являются идентичными, как бы зеркально отраженными.

Объяснение северного сияния с точки зрения физики

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

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

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.

На рисунке 88 схематически изображены различные виды сияний в зависимости от высоты, на которой они возникают.

Различают четыре типа полярных сияний (рис. 89):

однородная дуга — светящаяся полоса имеет наиболее простую, спокойную форму. Она более ярка снизу и постепенно исчезает кверху на фоне свечения неба (рис. 89, а);

лучистая дуга — лента становится несколько более активной и подвижной, она образует мелкие складки и струйки (рис. 89, б);

лучистая полоса — с ростом активности более крупные складки накладываются на мелкие (рис. 89, в);

Читайте также:  Отличие с точки зрения происхождения гражданско правовых норм

при повышении активности складки или петли расширяются до огромных размеров (до сотни километров), нижний край ленты ярко сияет розовым светом (рис. 89, а). 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 (рис. 90). Такие сияния называют шквалами.

По яркости сияния разделяют на четыре класса, отличающиеся 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.

Во время сияний в атмосфере Земли возникают вихревые электрические токи, захватывающие большие области. Они возбуждают дополнительные неустойчивые магнитые поля,- так называемые магнитные бури. Во время сияний атмосфера излучает рентгеновские лучи, которые, по-видимому, являются результатом торможения электронов в атмосфере.

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.

КАК ВОЗНИКАЮТ ПОЛЯРНЫЕ СИЯНИЯ?

Земля представляет собой большой магнит (причина земного магнетизма не выяснена), южный полюс которого находится вблизи северного географического полюса (71° с. ш., 96° з. д.), а северный — вблизи южного (173° ю. ш., 156° 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 тороидальную (бубликовидную) решетку вокруг Земли (рис. 91, 92).

Долго считали, что расположение магнитных силовых линий симметрично относительно земной оси. Теперь выяснилось, что так называемый «солнечный ветер» — поток протонов и электронов, излучаемых Солнцем (особенно активно во время вспышек на Солнце), налетая на геомагнитную оболочку Земли с высоты около 20 000 км, оттягивает ее назад, в сторону от Солнца, образуя у Земли своеобразный магнитный «хвост» (рис. 92). В результате магнитное поле приобретает форму, о которой можно судить по рисункам 91—93.

Для понимания дальнейшего надо вспомнить, как движется заряженная частица в магнитном поле: а) в случае, если она летит перпендикулярно магнитным силовым линиям (рис. 93, а);

б) под углом к силовым линиям (рис. 93, б). В последнем случае она движется по спирали, тем более вытянутой, чем меньше угол ос между линиями индукции поля В и скоростью частицы v.

Отсюда следует, что электрон или протон, попавшие в магнитное поле Земли, движутся по спирали, как бы навиваясь на геомагнитную линию (см. рис. 88). Электроны и протоны, 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, вдоль замкнутой кривой АВС (рис. 93, в). (Электроны движутся в обратную сторону.) Эти протоны и электроны в конце концов по геомагнитным линиям также стекают в область полюсов, где возникает их увеличенная концентрация. Протоны и электроны производят ионизацию и возбужение атомов и молекул газов. Для этого они имеют достаточно энергии, так как npoтоны прилетают на Землю с энергиями 10 000 — 20 000 эв (1 эв = 1,6 * 10 -19 дж), 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 газов 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 — ионизованным молекулам азота. Некоторые линии излучения кислорода и азота образуются на высоте 110 км, а красное свечение кислорода — на высоте 200—400 км (см. рис. 88). 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. Это излучение на рисунке 88 изображено как слабое свечение типа А.

Вспышки сияний обычно происходят через день-два после вспышек на Солнце. Это подтверждает связь между этими явлениями. Исследования при помощи ракет показали, что в местах большей интенсивности сияний имеется более значительная ионизация газов электронами.

В последнее время 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 всех явлений, связанных с полярными сияниями, встречает ряд трудностей. Например, неизвестен точно механизм ускорения частиц до указанных выше энергий, не вполне ясны их траектории в околоземном пространстве, не все сходится количественно в энергетическом балансе ионизации и возбужения 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.

Как объяснить явление северного сияния с физической точки зрения?

Заряженные частицы попадая в магнитное поле Земли начинают двигаться по силовым линиям магнитного поля. Соответственно с атмосферу линии поля попадают вблизи магнитных полюсов. Там и врезаются с большой скоростью частицы в верхние слои атмосферы. При столкновении молекул/атомов газа с частицами возникает свечение, называемое Полярным Сиянием.

Не совсем так. Свечение возникает не от столкновения этих заряженных частиц как такогвого, а от РЕКОМБИНАЦИИ ионизированных атомов или релаксации возбуждённых. То есть процесс как бы двухстадийный, и свечение вызывается только второй его стадией. Сначала атомы и молекулы атмосферного воздуха переводятся в состояние в высокой энергией (возбуждённое или даже полностью ионизированное), а потом, когда они восстанавливают своё исходное состояние, избыток энергии испускается в виде излучения.

Северное сияние — что это такое и как оно происходит?

Северное сияние это природное явление невероятной красоты, сверкающее многоцветие на небосводе, естественная люминесценция неба, которая будоражит умы людей не одно столетие. Этот феномен еще называют авророй или полярным сиянием. Вызвано явление взаимодействием солнечных частиц с верхними слоями атмосферы Земли.

Народы, которые из века в век проживали вблизи зон появления северного сияния, пытались по-своему объяснить причину его возникновения. Так появились мифы и легенды, придающие этому удивительному явлению мистическое значение.

Легенды эскимосов

Эскимосы были уверены, что сияющая занавеска на небесном своде – это след от игры в футбол. По их поверью, духи брали в качестве мяча череп моржа и начинали свои безумные забавы. При этом эскимосы очень боялись нападения этих духов, поэтому никогда не покидали свое жилище без оружия. Северный народ верил, что заставить северное полярное сияние исчезнуть они смогут очень оригинальным способом – хлопком в ладоши, а появиться вновь – свистом.

Эскимосы никогда не наблюдали долго за небесными цветными лентами. Они считали, что это – прямой путь к сумасшествию.

Мифы индейцев

В племенах индейцев ходили легенды о прекрасном дворце, который открывает врата для того, чтобы призвать в свои ряды душу живущего. Многие древние воины, увидев природное явление северное сияние, добровольно отправлялись навстречу гибели. Другие племена верили, что на небе светит пламя всемогущих шаманов.

Предание норвежцев

У норвежцев есть множество легенд, связанных с полярным свечением. Объяснялось это тем, что каждый раз оно принимало различные формы. Для некоторых норвежцев полярное явление было символом, соединяющим мир людей и мир богов. Рассуждая о том, что такое северное сияние, норвежцы думали о неземных сущностях. По преданиям, сияющие полосы на небосводе служили лестницей, по которой спускались божества. Другим это явление напоминало вальсирующие души умерших девушек.

Финская легенда

Финское предание гласило, что цветные ленты на небе – это не что иное, как река, соединяющая мир простых смертных и дом богов. Река носила название Ружа. Фины считали, что северное сияние явление природы – это предвестник хорошей погоды, богатого урожая и знак благосклонности к ним богов. Они были уверены, что таким образом боги дают понять – племя идет по правильному пути. Для финнов явление становилось символом благословения племени на великие свершения и начинания.

Что такое северное сияние и как оно происходит

Всего известно два типа полярных сияний – диффузное и дискретное (или точечное). Первый характеризуется достаточно скромным свечением, его сложно разглядеть на темном небе. Второй тип явления не заметить невозможно, однако оно прекрасно различимо лишь на ночном небосводе.

История изучения явления

Многие ученые ломали голову над вопросом, от чего бывает северное сияние. Однако первым определил природу возникновения явления Михаил Ломоносов. Он провел тысячи лабораторных исследований и в результате пришел к выводу, что полярное сияние связано с электрическим током.

Впоследствии эта теория была подтверждена. Через колбы, заполненные разреженными газами (аргон, водород, азот, неон), пропускали электроток. В результате опытов ученые получали невероятно красивое свечение, причем в каждом отдельном случае его оттенок получался совершенно уникальным. С тех пор ученым было известно о том, северное сияние как оно происходит.

Читайте также:  Работа для инвалидов по зрению минск

Следом ученые выяснили, что явление происходит в верхних слоях атмосферы нашей планеты, речь идет об ионосфере. И, наконец, связали его с активностью на Солнце. Выяснилось, что наиболее сильные и частые явления происходят во время пика одиннадцатилетнего цикла активности желтой звезды.

Как происходит северное сияние в природе

Солнце – звезда, которая состоит из частиц водорода и гелия. Они, в свою очередь, являются набором отрицательно заряженных электронов и положительно заряженных протонов. Во время одного из взрывов на Солнце к нашей планете устремляются миллиарды этих заряженных частиц со скоростью не менее 950 метров в секунду. Они достигают нашей голубой планеты спустя примерно двое суток. В момент соприкосновения их с ионосферой происходит взаимодействие с частичками разряженных газов. Из-за этого и появляется красивое свечение – северное сияние природное явление.

Земной шар, по сути, представляет собой гигантское магнитное тело, которое способно образовывать магнитные поля благодаря электротокам. Появляются они из-за того, что железоникелевое ядро нашей планеты вращается вокруг своей оси. Чтобы понять, северное сияние что это такое, нужно представлять себе магнитное поле Земли. Земной шар играет роль огромного магнита, к которому летит солнечный ветер. Силовые линии отталкивают солнечные частички к северному и южному полюсу нашей планеты. Там они попадают в ионосферу через полярные каспы (это воронки в атмосферном слое).

Именно здесь и рождается энергетический сгусток, потом он превращается в свечение. Атомы, которые находились в возбужденном состоянии, постепенно успокаиваются. От частиц начинает исходить мягкое свечение.

Чаще всего явление характеризуется следующими параметрами:

  • Высота, на которой обычно происходит это столкновение – около сотни километров над поверхностью Земли.
  • Длительность свечения – от нескольких минут до суток. Яркость и продолжительность прямо зависит от активности небесного светила.
  • Обычно северное сияние это занавес, который состоит из лазурных полос и красно-розовых вкраплений. Оттенок свечения обусловлен высотой, на которой произошло столкновение частиц. Если явление находится на расстоянии сто пятьдесят километров выше уровня земли, то небосвод принимает алый оттенок. В случае, когда свечение располагается немного пониже этой отметки (до 120 километров), можно наблюдать лазурные цвета на ночном небе. Когда северное сияние природное явление находится в самом нижнем слое атмосферы, оно принимает фиолетово-лиловый оттенок. По статистике, чаще всего люди любуются желто-зеленым окрасом неба.
  • Простирается окрашенная полоса на полторы тысячи километров вдоль небесного свода, ширина – около 150 километров.
  • Сияние высвобождает гигантский объем энергии, который сопоставим с энергетическим выбросом во время землетрясения. Десять лет назад было зарегистрировано возмущение, во время которого высвободилось 5*1014 Дж.

Как появляется северное сияние: звуки

Полярное сияние может производить различные шумовые эффекты, к примеру, потрескивания, хлопки или короткие стреляющие звуки. Выяснилось это не так давно. В конце 2012 года финские ученые зафиксировали звуковые шумы во время авроры. Исследователи сделали вывод, что эти звуки аккумулировались на высоте семьдесят метров над поверхностью.

Услышать что-то во время наблюдения за авророй – огромная удача. Чаще всего звуки сияния заглушаются шумом окружающего мира.

Когда бывает северное сияние

Наблюдатели установили, что возникновение полярных сияний имеют циклический характер. Наиболее часто люди имеют возможность любоваться прекрасным зрелищем каждые одиннадцать лет. Последний такой пик был зафиксирован три года назад, а это значит, что следующий максимум придется на 2024 год.

Грандиозное событие чаще всего наблюдают в осенне-весенний период, а именно с октября месяца до начала следующего года. Пиком частотности является время, наиболее приближенное к осеннему и весеннему равноденствию.

Оптимальное время суток для наблюдений – ночь. Именно в ночное время ничего не будет отвлекать от созерцания невероятного свечения на небосводе. Идеально подходит для этого полночь на Севере.

Где бывает северное сияние

Понаблюдать за чудом природы можно вблизи магнитных полюсов нашей планеты. Важно помнить о том, что в городских условиях достаточно сложно разглядеть и оценить очарование полярного свечения. В мегаполисах это вовсе невозможно из-за ночного освещения улиц. Чтобы своими глазами встретиться с феноменом, придется за ним «поохотиться».

Красоту северного сияния где увидеть:

  • Для многих россиян проблематично добраться до северного или южного магнитного полюса. Но рассмотреть явление можно, не покидая пределов нашего государства. Необыкновенное северное сияние в России замечено в Мурманске и на Кольском полуострове.
  • Самое невероятное свечение наблюдается в высоких широтах – в северных канадских городах, в Дании, Норвегии, на Аляске, на острове Гренландия, в Скандинавии и Исландии. В городах Шотландии апрельскими ночами отлично видно, как по небу стелется светящаяся пелена.
  • Англичане и французы несколько раз в год могут стать свидетелями свечения. Особенно хорошо оно просматривается на европейской территории между Парижем и Лондоном.
  • Предугадать время возникновения на небесном своде северного сияния в Антарктиде в состоянии специальные космические станции. Они передают и обрабатывают данные об активности небесного светила.
  • Из космоса открывается завораживающее зрелище на полярное свечение. Но такая удача сопутствует космонавтам далеко не всегда. Чаще невозможно оценить прелесть явления из-за плотных слоев атмосферы.
  • Многих волнует вопрос, есть ли сияние на южном полюсе. Есть, ведь дело не в названии, а в расположении магнитных полюсов. Там его правильнее назвать южным сиянием.
  • На других планетах Солнечной системы также замечен этот природный феномен. Сатурн, Венера, Марс и Юпитер подвергаются бомбардировке солнечными частицами.

Несмотря на то, что природа возникновения полярного сияния давно объяснена научно, люди не перестают верить в то, что в этом явлении есть что-то магическое. Человек, хоть раз ставший свидетелем этого незабываемого зрелища, получит впечатления на всю оставшуюся жизнь.

Полярное сияние

Полярные сияния, также известные как северные и южные полярные сияния, являются естественным светом в небе, и обычно наблюдаются в ночное время. Обычно они возникают в ионосфере. Как правило, видны от 65 до 72 градусов северной и южной широт, образующих кольцо в пределах Арктики и Антарктики.

Полярное сияние образуется, когда заряженные частицы (электроны и протоны) попадают в атмосферу вблизи полюсов. Когда эти частицы сталкиваются с атомами и молекулами верхних слоев атмосферы, в первую очередь кислорода и азота, часть энергии в этих столкновений преобразуется в видимый свет, который характеризует сияние. Высокоскоростные частицы сталкиваются с атомами в атмосфере Земли на высоте где-то от 50 до нескольких сотен километров над поверхностью Земли. Частицы происходят из космоса, в частности, из солнечного ветра дующего в направлении от Солнца.

Когда электроны из космоса сталкиваются с атомами или молекулами в атмосфере Земли, электрон переходит на более высокий энергетический уровень и атом находится в возбужденном состоянии. Через некоторое время, электрон в возбужденном атоме переходит на исходный низкий энергетический уровень. Он освобождает энергию как свет, вызывая свечение полярных сияний.

Цвет сияния зависит от химического состава, и каждый тип атомов производит свой ​​собственный уникальный образец цвета. Таким образом, различные цвета в полярных сияниях происходят из различных элементов в атмосфере Земли.

Два основных атмосферных газа, участвующих в полярном сиянии — кислород и азот:

· Кислород отвечает за появление двух основных цветов : желто-зеленый длина волны 557,7 нанометров (нм) является наиболее распространенным, в то время как темно-красный 630,0 нм свет встречается реже. Атомарный кислород образуется на больших высотах, поэтому красный цвет в полярном сиянии обычно располагается над зеленым.

· Азот в ионизированном состоянии будет производить синий свет, в то время как нейтральные молекулы азота — багрово-красные цвета. Азот часто является ответственным за пурпурно-красные нижние границы и рифленые края сияния.

Смеси этих цветов образуют другие цвета.

Полярные сияния, как правило, не происходят выше 500-1000 км , так как на этой высоте атмосфера слишком тонкая, чтобы обеспечить достаточное число столкновений с входящими частицами.

Наиболее заметны ближе к полюсам из-за длительных периодов темноты и магнитного поля.

Почти все планеты Солнечной системы имеют полярные сияния. Если планета имеет атмосферу и бомбардируется энергичными частицами, она будет иметь полярные сияния.

Планеты, как Венера, не имеющие магнитного поля, имеют очень «неправильную» форму сияния, в то время как Земля, Юпитер, или Сатурн, у которых есть собственное магнитное дипольное поле, имеют полярные сияния овальной формы в виде коронок на обоих полушариях. Когда магнитное поле планеты не совпадает с осью вращения, получается искажение овала полярных сияний, которые могут быть в районе экватора, как на Уране и Нептуне.

Презентация к элективному курсу «Физика в природе» на тему «Полярные сияния»

за привлеченного слушателя на курсы профессиональной переподготовки

Описание презентации по отдельным слайдам:

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! М. В. Ломоносов

Историческая справка Долгое время полярные сияния рассматривали как предвестники катастроф — эпидемий, голода и войн. Например, это явление связали с падением Иерусалима и смертью Юлия Цезаря.

На русском Севере полярные сияния называли пазорями или сполохами. Первое из этих слов указывает на сходство рассматриваемого явления с зорями, а второе происходит от слова «полошить», то есть тревожить, беспокоить, поднимать тревогу. Действительно, во время полярных сияний небо может стать красным, как на пожаре.

Люди, проживающие в местах, где полярное сияние не редкость, старались объяснить его появление естественным путем. Например, высказывались предположения о том, что это отражение солнечного света от морской поверхности или излучение солнечных лучей, накопленных за день в толще льда.

Видели полярные сияния и в южном полушарии. Английский мореплаватель Джеймс Кук (1728-1779) был одним из первых, кто не только дал их описание в южном полушарии, но и обратил внимание на то, что полярные сияния появляются в высоких широтах обоих полушарий одновременно.

Что такое полярные сияния? Полярные сияния – это люминесцентное свечение, возникающее в результате взаимодействия летящих от солнца заряженных частиц (электронов и протонов) с атомами и молекулами Земной атмосферы.

Читайте также:  Центр лазерной коррекции зрения в витебске

Где наблюдают полярные сияния? Полярные сияния чаще всего наблюдаются в двух неправильной формы зонах, окружающих северный и южный магнитные полюсы Земли и простирающихся на широтах 60-70°. Полярные сияния иногда называют Северной и соответственно Южной Авророй — в честь римской богини утренней зари. Иногда полярные сияния наблюдались даже в Сингапуре, расположенном вблизи магнитного экватора.

В последнее время ученые установили, что полярные сияния более интенсивны у берегов океанов и морей.

Формы полярных сияний Различают четыре типа полярных 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; Шквалы – сияние в виде беловато-зеленой шапки во время увеличения солнечной активности.

Полярные сияния: а) спокойная диффузная дуга; б) аналогичная дуга с усиленным розовым свечением; в) г) лучистые полосы; д) е) складчатые полосы

Интенсивность свечения и цвет По принятой международной шкале оценивают: слабые полярные сияния, по интенсивности свечения приблизительно соответствующие Млечному Пути — в I балл; полярные сияния с интенсивностью, аналогичной лунной осовещенности тонких перистых облаков — в II балла; кучевых облаков — в III балла; свету полной Луны — в IV балла.

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.

Как возникают полярные сияния? (физика явления) Землю можно рассматривать как большой магнит, южный полюс которого располагается вблизи северного географического полюса, а северный — вблизи южного. Силовые линии магнитного полюса Земли (так называемые геомагнитные линии) выходят из области северного магнитного полюса Земли, охватывают нашу планету и входят в нее в области южного магнитного полюса Земли. .

Солнечный ветер — поток высокоэнергичных электронов и протонов, постоянно излучаемых Солнцем, резко увеличивающийся по интенсивности во время вспышек на Солнце. Налетая на магнитную оболочку Земли, потоки заряженных частиц приводят к сжатию магнитных силовых линий со стороны Солнца и их оттягиванию в противоположном направлении, образуя у Земли магнитный хвост.

Электроны и протоны, попавшие из солнечного ветра в магнитное поле Земли, стекают в область полюсов, где достигают плотных слоев атмосферы и производят ионизацию и возбуждение атомов и молекул газов. Нейтральные частицы распределены в атмосфере по барометрическому закону (естественно, частиц больше на низких высотах), что также увеличивает скорость ионизации вблизи поверхности Земли. С этим и связаны резкая нижняя и размытая верхняя границы полярных сияний.

Анализ спектров излучения в полярных сияниях показывает, что зеленое и красное свечение испускается возбужденными атомами кислорода, а инфракрасное и фиолетовое — ионизованными молекулами азота. Часть линий испускания кислорода и азота образуется на высоте 110 км, а красное свечение кислорода — на высоте 200-400 км (рис. 2). Слабое излучение испускается также атомами водорода, которые образуются в верхних слоях атмосферы из протонов солнечного ветра при захвате электронов от нейтральных частиц атмосферы. Захватив электрон, такой протон превращается в возбужденный атом водорода, который и излучает красный свет.

Но научное объяснение всех явлений, связанных с полярными сияниями, встречает ряд трудностей. Например, неизвестен точно механизм ускорения частиц до 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.

Когда возникают полярные сияния Количество полярных сияний тесно связано с циклом солнечной активности, точнее, с солнечными пятнами и достигает максимума спустя год-два после максимума солнечной активности. Нередко яркие полярные сияния возникают во время мощных вспышек на Солнце. Повторение некоторых полярных сияний через 26-28 дней (период обращения Солнца вокруг своей оси) указывает на их связь с долгоживушими наиболее активными областями на поверхности Солнца.

Искусственные полярные сияния Эксперимент, получивший название «Аракс»(Artificiel polaire aurore — Kergelen — Sogra, которые в переводе означают «искусственное полярное сияние-Кергелен-Согра»), начат в 1985 году совместно российскими и французскими исследователями. С острова Кергелен в Индийском океане стартовала геофизическая ракета с небольшим ускорителем частиц, который на определенной высоте создал поток электронов. При движении вдоль магнитной силовой линии от Земли, которая над экватором была уже на расстоянии 20 000 км, эти электроны проникли в северное полушарие и вызвали искусственное полярное сияние над поселком Согра.

Влияние космоса Полярные сияния сигнализируют о месте и времени воздействия Космоса на земные процессы. Вызывающее их вторжение заряженных частиц влияет на многие стороны нашей жизни. Изменяется содержание озона и электрический потенциал ионосферы, нагрев ионосферной плазмы возбуждает волны в атмосфере. Все это сказывается на погоде. Из-за дополнительной ионизации в ионосфере начинают течь значительные электрические токи, магнитные поля которых искажают магнитное поле Земли, что прямо влияет на здоровье многих людей.

На территории ЯНАО сияния видны преимущественно в северной части неба. Максимальная частота появления полярных сияний в округе наблюдается на Крайнем Севере – 100 сияний в год, к югу повторяемость сияний резко уменьшается, на широте Нового Порта – 30, на широте Салехарда 10, в южных районах округа – 5.

Источники информации: Diclib.com Potomy.ru Nature.web.ru Nature.ru bio-nica.narod.ru Физика в природе/ Л. В. Тарасов, М.: Просвещение, 1988

  • Гарифуллина Марина НиколаевнаНаписать 721 06.05.2017

Номер материала: ДБ-444508

ВНИМАНИЮ УЧИТЕЛЕЙ: хотите организовать и вести кружок по ментальной арифметике в своей школе? Спрос на данную методику постоянно растёт, а Вам для её освоения достаточно будет пройти один курс повышения квалификации (72 часа) прямо в Вашем личном кабинете на сайте «Инфоурок».

Пройдя курс Вы получите:
— Удостоверение о повышении квалификации;
— Подробный план уроков (150 стр.);
— Задачник для обучающихся (83 стр.);
— Вводную тетрадь «Знакомство со счетами и правилами»;
— БЕСПЛАТНЫЙ доступ к CRM-системе, Личному кабинету для проведения занятий;
— Возможность дополнительного источника дохода (до 60.000 руб. в месяц)!

Пройдите дистанционный курс «Ментальная арифметика» на проекте «Инфоурок»!

    06.05.2017 663
    06.05.2017 471
    06.05.2017 707
    06.05.2017 249
    06.05.2017 348
    06.05.2017 805

Не нашли то что искали?

Вам будут интересны эти курсы:

Все материалы, размещенные на сайте, созданы авторами сайта либо размещены пользователями сайта и представлены на сайте исключительно для ознакомления. Авторские права на материалы принадлежат их законным авторам. Частичное или полное копирование материалов сайта без письменного разрешения администрации сайта запрещено! Мнение редакции может не совпадать с точкой зрения авторов.

Ответственность за разрешение любых спорных моментов, касающихся самих материалов и их содержания, берут на себя пользователи, разместившие материал на сайте. Однако редакция сайта готова оказать всяческую поддержку в решении любых вопросов связанных с работой и содержанием сайта. Если Вы заметили, что на данном сайте незаконно используются материалы, сообщите об этом администрации сайта через форму обратной связи.

Полярное свечение — красивое явление природы

Полярное сияние – это электрическое свечение ионосферы Земли. Солнечное излучение представляет собой потоки протонов и электронов. Они, достигая атмосферы, вторгаются в ее верхний разряженный слой и соударяются с содержащимся в нем кислородом и азотом, возбуждая их. Сообщенный молекулам электрический разряд провоцирует выброс энергии, которая и становится светом.

Цвет полярного свечения зависит от того, молекулы какого вещества возбуждены больше: кислород придает желтый и зеленый цвета, а азот – красный и фиолетовый. Данное природное явление характерно только для поясов Земли, расположенных близ северного и южного магнитных полюсов. Высотность явления – 80-1000 километров над поверхностью Земли.

Полярное сияние ошибочно носит название северного, ведь оно характерно не только для северного полушария, но и для южного. Сезонная активность сияния приходится на первые весенние и осенние месяцы, на дни равноденствия. В течение суток наибольшая интенсивность свечения проявляется около 23.00 ночи.

Полярные свечения носят цикличный характер, обусловленный периодами активности солнечного излучения: 27 дней (время оборота Солнца) и 11 лет (периоды усиления солнечного ветра из-за групп черных пятен).

Виды полярных сияний

Различают следующие формы явления:

    — Лентообразная. Полосы или дуги со сплошным четким нижним краем, могут быть многоярусными.

— Диффузная. Пятна с нечеткими контурами наподобие облаков или вуали, обычно появляются на завершающих стадиях явления.

  • — Лучи. Тонкие световые пучки, расположенные впродоль магнитных линий полюсов.
  • Выделяют следующие структуры полярного сияния:

      — Однородная. Безлучевая внутренняя структура.

    — Лучистая. Группы разрозненных мерцающих лучей.

  • — Волокнистая. Беспорядочные полосы вдоль нижнего края свечения.
  • Различают следующие степени активности явления:

      — Спокойная. Сияние без особых изменений или медленно преобразующееся.

  • — Активная. Яркие и стремительные изменения.
  • Наблюдение полярного сияния

    Полярное сияние является одним из самых красивых явлений природы, хотя, стоит заметить, существуют и другие столь же прекрасные явления. Только далеко не все из них обладают столь масштабным характером. Благодаря тому, что полярное свечение происходит на большой высоте, видно оно из многих приполярных районов планеты. Хотя бывало и так, что наблюдалось это явление по всей Земле.

    Лучше всего наблюдать за явлением из космоса, так как ни Солнце, ни облачность, ни другие слои атмосферы не искажают обзор. Длительность свечения может исчисляться сутками, а может и несколькими десятками минут. Береговые линии материков и островов оказывают влияние на высотность и интенсивность полярного сияния. Так, вдоль берега оно, как правило, ниже, а над водными пространствами более подвижное.

    Перламутровые облака
    Данное явление выглядит очень красиво — радужные облака, парящие высоко в небе.

    Зарницы
    Летом, во время сильной жары, можно наблюдать на горизонте вспышки света — это и есть зарницы.

    Источники:
    • http://sitekid.ru/fizika/polyarnoe_siyanie.html
    • http://www.bolshoyvopros.ru/questions/908811-kak-objasnit-javlenie-severnogo-sijanija-s-fizicheskoj-tochki-zrenija.html
    • http://elhow.ru/ucheba/opredelenija/s/chto-takoe-severnoe-sijanie
    • http://forkettle.ru/vidioteka/estestvoznanie/fizika-dlya-chajnikov/779-optika/opticheskie-yavleniya-v-prirode/8623-polyarnye-siyaniya
    • http://otvet.expert/kak-obyasnit-yavlenie-severnogo-siyaniya-s-fizicheskoy-tochki-zreniya-706137
    • http://biosfera.space/np/severnoe-siyanie.html
    • http://www.all-fizika.com/article/index.php?id_article=2475
    • http://infourok.ru/prezentaciya-k-elektivnomu-kursu-fizika-v-prirode-na-temu-polyarnie-siyaniya-1866535.html
    • http://naturae.ru/atmosfera-zemli/atmosfernye-yavleniya/polyarnoe-siyanie.html