Полярное сияние

МКОУ  «Курмановская СОШ»

 

 

 

 

 

 

 

 

РЕФЕРАТ

 

на тему: «ПОЛЯРНОЕ СИЯНИЕ»

 

 

 

 

 

Работу выполнил (а): уч-ся

11 класса

Иванова М.А.     Проверил (а): Газизова Г.С.

 

 

 

 

 

 

 

                                                                                                                                           

 

 

 

 

 

с. Новое  Курманово

                                      2012

Содержание:

 

Введение

Природа полярных сияний

Высотное и широтное распространение

Интенсивность свечения и цвет

Искусственные "полярные сияния"

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                      Введение

   Полярное сияние (лат. Aurora Borealis, Aurora Australis) — свечение (люминесценция) верхних слоёв атмосфер планет, обладающих магнитосферой, вследствие их взаимодействия .

    Поразительное явление свечения, наблюдаемое на небе, чаще всего в полярных областях. В Северном полушарии его называют также северным сиянием, а в высоких широтах Южного полушария - южным. Предполагается, что этот феномен существует также и в атмосферах других планет, например Венеры. Природа и происхождение полярных сияний - предмет интенсивных исследований, и в этой связи были разработаны многочисленные теории. Явление свечения, до некоторой степени близкое полярным сияниям, называемое "свечением ночного неба", можно наблюдать при помощи специальных приборов на любой широте.

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.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                          Природа полярных сияний

 

Полярные сияния возникают вследствие бомбардировки верхних слоёв  атмосферы заряженными частицами, движущимися к Земле вдоль  силовых линий геомагнитного  поля из области околоземного космического пространства (Авроральные течения), 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 обусловливают  и форму полярных сияний — размытая верхняя и достаточно резкая нижняя границы.

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.

 

В спектре полярных сияний Земли  наиболее интенсивно излучение основных компонентов атмосферы - азота и  кислорода, при этом наблюдаются  их линии излучения как в атомарном, так и молекулярном (нейтральные  молекулы и молекулярные ионы) состоянии. Самыми интенсивными являются линии  излучения атомарного кислорода  и ионизированных молекул азота.

 

Свечение кислорода обусловлено  излучением возбужденных атомов в метастабильных состояниях с длинами волн 557.7 нм (зелёная линия, время жизни 0.74 сек.) и дублетом 630 и 636.4 нм (красная область, время жизни 110 сек). Вследствие этого  красный дублет излучается на высотах 150-400 км, где вследствие высокой разреженности  атмосферы низка скорость гашения  возбужденных состояний при столкновениях. Ионизированные молекулы азота излучают при 391.4 нм (ближний ультрафиолет) 427.8 нм (фиолетовый) и 522.8 нм (зелёный).

 

Спектр полярных сияний меняется с  высотой и зависимости от преобладающих  в спектре полярного сияния линий  излучения полярные сияния делятся  на два типа: высотные полярные сияния типа A с преобладанием атомарных  линий и полярные сияния типа B на относительно небольших высотах (80-90 км) с преобладанием молекулярных линий в спектре вследствие столкновительного  гашения атомарных возбужденных состояний в сравнительно плотной  атмосфере на этих высотах.

 

Полярные сияния весной и осенью возникают заметно чаще, чем зимой  и летом. Пик частотности приходится на периоды, ближайшие к весеннему  и осеннему равноденствиям. Во время  полярного сияния за короткое время  выделяется огромное количество энергии. Так, за одно из зарегистрированных в 2007 году возмущений выделилось 5·1014 джоулей, примерно столько же, сколько во время землетрясения магнитудой 5,5.

 

При наблюдении с поверхности Земли  полярное сияние проявляется в виде общего быстро меняющегося свечения неба или движущихся лучей, полос, корон, «занавесей». Длительность полярных сияний составляет от десятков минут до нескольких суток.

 

Считалось, что полярные сияния в  северном и южном полушарии являются симметричными. Однако одновременное  наблюдение полярного сияния в мае 2001 из космоса со стороны северного  и южного полюсов показало, что  северное и южное сияние существенно  отличаются друг от друга.

 

             Высотное и широтное распространение

 

Расчеты, выполненные на основе множества  фотонаблюдений на Аляске, в Канаде и особенно в Норвегии, показывают, что ок. 94% полярных сияний приурочено к высотам от 90 до 130 км над земной поверхностью, хотя для разных форм полярных сияний характерно свое собственное  высотное положение. Максимальная до сих  пор зарегистрированная высота появления  полярного сияния - ок. 1130 км, минимальная - 60 км.

Герман Фриц и Гарри Вестайн  на основе большого числа наблюдений в Арктике установили географические закономерности встречаемости полярных сияний, охарактеризовали их относительную  частоту в каждой конкретной точке  как среднее за год количество суток их появления. Линии равной частоты возникновения полярных сияний (изохазмы) имеют форму несколько  деформированных окружностей с  центром, примерно совпадающим с  Северным магнитным полюсом Земли, находящимся в районе Туле в северной Гренландии (см. рис.). Изохазма максимальных частот проходит через Аляску, Большое  Медвежье озеро, пересекает Гудзонов залив, южную часть Гренландии и Исландию, север Норвегии и Сибири. Аналогичная  изохазма максимальных частот полярных сияний для Антарктического региона  была выявлена во время исследований, проводившихся в рамках Международного геофизического года (МГГ, июль 1957 - декабрь 1958). Эти пояса максимальной частоты  полярных сияний, представляющие собой  почти правильные кольца, называются северной и южной зонами полярных сияний. Наблюдения во время МГГ  подтвердили, что полярные сияния появляются почти одновременно в обеих зонах. Некоторые исследователи высказывали  предположение о существовании  спиралевидной или двойной кольцевой  зоны полярных сияний, не получившее, однако, подтверждения. Полярные сияния могут  проявляться и вне упомянутых зон (см. ниже). Исторические материалы  свидетельствуют о том, что полярные сияния иногда отмечались даже на весьма низких широтах, например, на п-ове Индостан.

 См. также ГЕОМАГНЕТИЗМ. 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, по-видимому, 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.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                       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 , а также  бывают красные лучистые полярные сияния с длиной волны 6300 (тип А). Сильное  излучение молекулярного азота  на волнах 4278 и 3914 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.

 См. также СПЕКТРОСКОПИЯ. Теории  происхождения полярных сияний. Как упоминалось выше, уже давно  было известно, что проявления  полярных сияний и возмущения  магнитного поля Земли, или  магнитные бури, имеют некоторые  важные общие характеристики. Поэтому  любая теория, предлагаемая для  объяснения одного из этих  явлений, должна объяснять и  другое. Частота проявления возмущений  магнитного поля Земли и полярных  сияний с периодом 27 дней и  11-летний цикл указывают на  связь этих явлений с солнечной  деятельностью, поскольку период  вращения Солнца составляет ок. 27 суток, а солнечная активность  подвержена колебаниям циклического  характера со средним периодом  ок. 11 лет. Тот факт, что как  полярные сияния, так и возмущения  магнитного поля Земли концентрируются  в одних и тех же поясах, приводит к выводу, что те и  другие вызваны воздействием  движущихся с высокой скоростью  электрически заряженных частиц (протонов и электронов), испускаемых  активными областями на Солнце (вспышками) и проникающих в зоны полярных сияний под воздействием магнитного поля Земли