Электронные полярные сияния

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Волгоградский государственный педагогический университет»

Физический факультет

Кафедра теоретической физики

Курсовая работа

по физике

Электронные полярные сияния

Научный руководитель:

Профессор Коробов В.Е.

Выполнила: студентка физического факультета,

гр. Ф-43 Уварова Ю.В.

Волгоград

2006



Содержание

электронный люминесцентный излучение магнитный

Введение

1. Общие сведения о полярных сияниях

1.1 Восприятие полярных сияний в прошлом

1.2 История постижения полярных сияний

1.3 Понятие полярного сияния

1.4 Где и когда наблюдаются полярные сияния

1.5 Формы полярных сияний

2. Электронные полярные сияния

2.1 Возникновение электронных полярных сияний

2.2 Движение заряженной частицы в однородном магнитном поле

2.3 Движение заряженной частицы в неоднородном магнитном поле

2.4 Электронные полярные сияния как люминесцентное излучение

2.5 Спектр электронного полярного сияния

Заключение

Литература



Введение

Актуальность. В последнее время геофизические науки обогатились большим потоком научной информации, способствовавшей развитию теории явлений и расширившей применение ее на практике. Исследования, сочетающие наземные и прямые методы изучения геофизических процессов при помощи ракет и искусственных спутников земли, раскрыли по-новому проблему солнечно-земной физики. В результате проведения таких научных мероприятий как Международный геофизический год (1957-1958 гг.), международное геофизическое сотрудничество (1958-1959 гг.) и Международный год спокойного Солнца (1964-1965 гг.), был собран настолько большой фактический материал, что стало возможным составить более полное представление о физических свойствах полярной ионосферы, о природе геомагнитных бурь и полярных сияний. В период указанных международных научных исследований согласованные наблюдения за полярными сияниями проводились во многих странах мира. Полярные сияния, во время которых происходит выделение огромной энергии, возникают при вторжении в атмосферу потоков быстрых электрически заряженных частиц - протонов и электронов. Оптические эмиссии этого излучения значительно усиливаются во время возмущенного состояния атмосферы и изменяются по своему характеру. Электроны полярных сияний непосредственно были зарегистрированы приборами, поднятыми на ракетах, когда одновременно удалось наблюдать причину и следствие, т. е. потоки частиц и само свечение. При запусках ракет выявилось, что электронные потоки наиболее интенсивны в областях яркого свечения; они сильно варьируют во времени и пространстве. Поток протонов относительно постоянен и его энергии недостаточно для поддержания ярких форм сияния. В полярном сиянии наглядно проявляется поведение плазмы в магнитном поле в таких масштабах, которые невозможно создать в лабораторных условиях. Поэтому долгое время они оставались уникальным объектом для исследований. Спектроскопические данные, геометрическая структура видимых полярных сияний и другие параметры этого свечения также свидетельствуют о том, что они вызываются в основном электронами и в меньшей степени протонами, внедряющимися в верхние слои атмосферы, где завершается винтовое движение частиц вдоль силовых линий геомагнитного поля. В период МГГ и МГС были широко распространены не только визуальные наблюдения, но и инструментальные методы; были поставлены визуальные наблюдения в северном и южном полушариях, и, кроме того, работало более 120 фотокамер полного обзора неба, в том числе 35 на территории СССР. Примерно 30 камер было размещено в Антарктике (в период МГСС число камер всего неба в высоких широтах существенно уменьшилось). Наземные данные о полярных сияниях дополнялись наблюдениями, проведенными с борта кораблей и самолетов. Большое число станций было оснащено спектральными камерами С-180-8. На многих станциях действовали спектрометры и фотоэлектрическая аппаратура. Во многих пунктах функционировали радиолокационные установки для исследования электронных неоднородностей полярной ионосферы. Проведение МГГ и МГСС позволило на основе однородного материала детально сопоставить данные за периоды максимума и минимума солнечной активности. Впервые за время исследований полярных сияний были получены обширные сведения для южного полушария, что дало возможность сопоставить явления в сопряженных точках, связанных магнитной силовой линией, и выявить роль геомагнитного поля в формировании полярных сияний.

Поскольку полярные сияния долгое время оставались необъяснимым природным явлением, будоражащим воображение многих людей, вызывающим огромный интерес и необъяснимый страх, поэтому темой данной работы мы выбрали «Электронные полярные сияния». И поставили перед собой цель - изучить это явление природы.

В связи с этим мы сформировали задачи:

1) изучить историю восприятия и постижения полярного сияния;

2) дать представление о полярных сияниях;

3) рассмотреть их виды и формы;

4) объяснить, причины возникновения и процесс образования полярных сияний.

Таким образом, объектом наших исследований мы выбрали электронные полярные сияния.

Практическая значимость исследования: с зонами полярных сияний и с самим сиянием сложным образом связано необычайно большое число других геофизических явлений, таких, например, как геомагнитные и ионосферные возмущения, рентгеновское тормозное излучение, поглощение космического шума и др.



1. Общие сведения о полярных сияниях

1.1 Восприятие полярных сияний в прошлом

«Небо пылало. Прозрачная вуаль покрывала небосвод. Какая-то невидимая сила колебала ее. Вся она горела нежным лиловым светом. Кое-где показывались яркие вспышки и тут же бледнели, как будто лишь на мгновение рождались и рассеивались облака, сотканные из одного света... В нескольких местах еще раз вспыхнули лиловые облака. Какую-то долю секунды казалось, что сияние погасло. Но вот длинные лучи затрепетали бледно-зеленым цветом, быстрые как молнии, метнулись к зениту. На мгновение замерли в вышине, образовали огромный сплошной венец, заколебались и потухли...» -- так описал полярное сияние известный полярник Г. А. Ушаков.

«Ночь была безлунная, звездная, морозная и ясная. Темно, только на юго-востоке небо внизу слабо освещено, будто за холмом горят огни. Я любовался этим слабым светом, который вдруг превратился в сходящиеся снопы лучей, протянувшиеся кверху. От их прикосновения на юго-востоке зажглась медленно колеблющаяся завеса, свисающая складками с неба. Быть может, это было вознесенное в небеса покрывало Изольды, и там, где его касалось дыхание ее желания, оно становилось горячим и светлым. Дыхание Изольды пробегало по нему, оно трепетало и волновалось. Это было так похоже на ее крик: Он идет! Боже, он идет!-- Завеса вспыхнула пламенем и зажгла небо».

Так поэтично описывает полярное сияние Рокуэлл Кент в автобиографической книге «Саламина», рассказывающей о Гренландии-- ее природе и жителях.

Полярные сияния издавна привлекали внимание людей своей необычностью. Они никогда не повторяются в деталях и характеризуются большим разнообразием форм и красок.

С древнейших времен люди восхищались величественной картиной полярных сияний и задавались вопросом об их происхождении. Одно из наиболее ранних упоминаний о полярных сияниях встречается у Аристотеля. В его «Метеорологике», написанной 2300 лет назад, можно прочитать: «Иногда в ясные ночи наблюдается на небе множество явлений -- зияния, провалы, кроваво-красная окраска... Кажется, будто полыхает пламя». Там, где жил Аристотель, полярные сияния бывают довольно редко, но все же бывают. В подобных редкостных случаях они отличаются особенным богатством красок с преобладанием красных тонов -- «полыханием пламени». А вот описание полярных сияний, сделанное в I в. н. э. римским философом Сенекой: «Некоторые из них выглядят как пустота, когда под светящейся короной свечение отсутствует и образуется как бы овальный вход в пещеру, другие -- как бочки, когда видно большое закругленное пламя, перемещающееся с места на место... Среди них примечательны те, которые имеют вид огня на небе. Иногда они стоят высоко, сияя среди звезд, иногда так низко, что могут быть приняты за далеко горящую усадьбу или город».

Богиню утренней зари древние римляне называли Авророй. С ее именем они связывали и полярные сияния, изредка наблюдаемые на средних широтах. Ведь подобно утренней заре эти сияния были окрашены в розовые и красные цвета. С легкой руки римлян термин «аврора» стал впоследствии применяться к полярным сияниям. В настоящее время этот термин закрепился и в научной литературе; все явления, связанные с полярными сияниями, принято называть теперь авроральными явлениями.

Полярные сияния, как и многие другие необычные природные явления, суеверные люди издавна считали за некие «божьи знамения». Это им усиленно внушали церковники, особенно если «знамение» совпадало с каким-то выдающимся событием.

Во время грандиозного сражения 5 апреля 1242 г. на льду Чудского озера, вошедшего в историю под названием Ледового побоища, русские войска нанесли жестокое поражение немецким захватчикам, вторгшимся на нашу землю. Русскими воинами командовал Александр Невский. Он разгадал тактический замысел немцев -- разбить русскую армию на части и уничтожить ее. Для этого они строили свои войска в форме «свиньи» -- своеобразного клина. В головной части и по бокам ее двигались рыцари, закованные в броню. Они действовали как таран, все сокрушая на своем пути.

Александр Невский решил беспрепятственно пропустить «свинью» в глубь озера, а затем разгромить ее ударами с флангов. На ледяном поле разгорелась жестокая битва. Русские воины сражались героически.

«Были сердца у них, как у львов... -- отмечает летописец, -- ...была тут злая и великая сеча... и слышен был треск от ломающихся копий и звук от ударов мечей, так что и лед на замерзшем озере подломился, и не видно было льда, потому что покрывался кровью».

В самый разгар сражения небосвод на севере начал светлеть и затем вспыхнул мерцающим пламенем. Из-за горизонта выдвинулась разноцветная дуга. Она вдруг рассыпала по небосводу бесчисленные снопы розовых, красных, оранжевых, бледно-зеленых лучей.

«Божье знамение! Чудо!» -- радостно восклицали русские люди, глядя на небо. С удесятеренной силой они обрушились на врага и сокрушили его.

Это победоносное сражение имело большое историческое значение. Русские земли были освобождены от иноземцев.

Что это было за явление природы, которое невольно помогло нашим воинам одержать победу?

Никакого чуда, конечно, не было. Во время сражения на небе появилось полярное сияние. Оно было столь необычным и красочным, что верующим и монахам померещились «небесные воинства», сходившие на землю, чтобы помочь сражавшимся русским воинам.

В холодных северных и южных приполярных районах зимы долгие и суровые, с продолжительной ночью, солнце месяцами не появляется на горизонте. Как бы компенсируя отсутствие дневного светила, мрак полярной ночи развеивается полярными сияниями. Они полыхают по нескольку часов подряд, а иногда в течение суток. В это время становится светло, как при полнолунии.

Древние эсты предсказывали по полярным сияниям не только войну, голод, болезни, но даже изменения погоды. Они верили, что полярное сияние отражает борьбу добрых и злых духов.

1.2 История постижения полярных сияний

Почему же происходят полярные сияния?

Тайна полярных сияний оставалась нераскрытой в течение многих веков. Относительно их природы и происхождения было высказано много гипотез, подчас весьма наивных.

Так, например, считали, что полярные сияния являются отблесками солнца, опустившегося за горизонт. Предполагали так же, что это свет, который якобы испускают полярные льды во время особенно сильных морозов. Аристотель полагал, что «верхние слои воздуха, сгущаясь, могут воспламеняться»; в этом он ошибочно усматривал причину полярных сияний. В учебнике физики ХVIII в. в разделе, посвященном сияниям, утверждается, что «выскакивающие лучи не что иное суть, как зажженные горючие пары», и что «материя северного сияния и молнии одинаковая».

Все эти утверждения также являются ошибочными.

Именно М. В. Ломоносов высказал правильное предположение, что небесные сполохи, так называют полярные сияния жители Севера, в своей основе имеют электрическую природу. Он брал стеклянный шар, из которого был выкачан воздух, пропускал через него электрические заряды и получал нечто похожее на полярные сияния в миниатюре. Ученый полагал, что природа полярного сияния такая же, как и свечения газового разряда. Он писал: «Возбужденная электрическая сила в шаре, из которого воздух вытянут, внезапные лучи испускает, которые в мгновенье ока исчезают, и в то же время новые на их места выскакивают, так что беспрерывное блистание кажется. В северном сиянии всполохи или лучи вид подобный имеют». Отметим также опыты Ломоносова по наблюдению зеленого свечения ртутных паров в откачанной трубке с жидкой ртутью при резких встряхиваниях трубки. Это свечение в еще большей степени походило на холодное свечение полярных сияний.

Наблюдавшееся в опытах Ломоносова свечение в самом деле сродни свечению сияний. Забегая вперед, заметим, что во всех этих случаях наблюдается так называемое люминесцентное свечение. Правда, причины, вызывающие свечение паров ртути во встряхиваемой трубке, свечение в газовом разряде, полярное сияние, различны; здесь мы имеем дело с разными видами явления люминесценции.

Таким образом, хотя Ломоносов довольно близко подошел к пониманию природы полярных сияний: «...весьма вероятно, что северные сияния рождаются от происшедшей на воздухе Електрической силы...». Независимо от него вывод о близости физической природы газового разряда и полярного сияния сделали Бенджамин Франклин и англичанин Ж. Кэнтон.

Исследования продолжались, ученые подтвердили предположение М. В. Ломоносова. Они заполняли полые трубки азотом, водородом, аргоном, неоном и другими разреженными газами и пропускали через них электрический ток. Опыты показали, что каждый газ светится по-своему: неон -- красным, аргон -- голубым, кислород -- зеленым цветом и т. д. Научным путем было доказано, что полярные сияния действительно имеют электрическую основу.

Далее установлено, что свечение происходит в верхней части атмосферы -- ионосфере -- и возникает на высоте от 80 км и выше.

Активность полярных сияний зависит от состояния Солнца. Если на светящейся его поверхности -- фотосфере -- появляется много пятен, а это происходит примерно через каждые одиннадцать лет, то полярные сияния наблюдаются чаще и охватывают обширные пространства. В таких случаях их можно увидеть в Ленинграде, Москве и в более южных районах. Например, полярное сияние 4 февраля 1872 г. наблюдали почти на всем земном шаре.

Очень сильным полярное сияние было в ночь с 25 на 26 января 1938 г. Его видели жители почти всей европейской части нашей Родины.

Наша планета представляет собой гигантский магнит, и потому у нее есть свое огромное магнитное поле, которое оказывает влияние на многие природные процессы.

С поверхности Солнца выбрасывается огромный поток заряженных частиц (протонов и электронов), называемых «солнечным ветром»; сталкиваясь с различными атомами и молекулами воздуха в верхней части атмосферы, они порождают полярные сияния. Изучая их, ученые получают сведения о составе газов верхних частей атмосферы, о скорости и энергии частиц «солнечного ветра», одновременно исследуются процессы, связанные с возникновением магнитных бурь.

Ученым стало, известно, что полярные сияния и магнитные бури -- явления взаимосвязанные. Интенсивные полярные сияния вызывают сильные возмущения в магнитном поле Земли -- разражаются мощные магнитные бури. Это ничего хорошего не сулит, ибо нарушается нормальная работа телеграфа, телефона, радиосвязи, сильно «шалит» стрелка компаса.

По-настоящему загадку полярных сияний удалось разгадать лишь в наше время. И хотя здесь еще осталось немало невыясненных вопросов, все же картина в целом вполне ясна. Это стало возможным благодаря развитию современной физики и успехам в области космических исследований.

В конце 50-х - начале 60-х проводились такие научные мероприятия, в результате которых был собран настолько большой фактический материал, что стало возможным составить более полное представление о физических свойствах полярной ионосферы, о природе геомагнитных бурь и полярных сияний.

В январе 1975 г. русские и французские ученые произвели грандиозный эксперимент «Аракс». Слово это составлено из начальных букв французских слов, которые означают: искусственное полярное сияние -- Кергелен -- Советский Союз.

С острова Кергелен в Индийском океане была запущена ракета «Эридан» с электронной пушкой, созданной нашими учеными. В заданное время в атмосферу был выброшен поток заряженных частиц, вызвавший над северной тайгой искусственное полярное сияние, зарегистрированное установками в Пинежском районе. И, хотя сияние было слабым и коротким, и погода не благоприятствовала проведению эксперимента, все же опыт удался. Перед учеными открылась перспектива более углубленного познания процессов, совершающихся в околоземном пространстве.

1.3 Понятие полярного сияния

От Солнца во все стороны, и в частности к Земле, непрерывно распространяются не только волны электромагнитного излучения, но и потоки летящих с огромной скоростью заряженных частиц -- так называемый солнечный ветер. Вторгаясь в земную атмосферу, частицы солнечного ветра (в основном электроны и протоны) определенным образом фокусируются и направляются магнитным полем Земли. Благодаря воздействию со стороны земного магнитного поля космические электроны и протоны проникают в пределах зон полярных сияний достаточно глубоко в атмосферу-- вплоть до высот порядка 100 км (но не ниже!). Сталкиваясь с атомами и молекулами атмосферного воз духа, они ионизуют и возбуждают их, в результате чего возникает свечение люминесценции, которое, собственно говоря, и есть полярное сияние.

Итак, полярное сияние -- это люминесцентное свечение, возникающее в результате взаимодействия летящих от Солнца заряженных частиц (электронов и протонов) с атомами и молекулами земной атмосферы. Появление же этих заряженных частиц в определенных районах атмосферы и на определенных высотах есть результат взаимодействия солнечного ветра с магнитным полем Земли.

1.4 Где и когда наблюдаются полярные сияния

Что же является причиной полярных сияний? Чем они вызываются? Когда их лучше всего наблюдать?

Уже давно норвежские геофизики Биркеланд и Штермер пришли к выводу, что Солнце испускает потоки корпускул - электрически заряженных частиц. По их мысли, эти частицы, попадая в земную атмосферу, могли вызвать возмущения магнитного поля Земли и полярные сияния. В периоды повышения солнечной активности учащаются и усиливаются полярные сияния и магнитные бури на Земле

Г. М. Никольский, С. К. Всехсвятский и В. И. Чередниченко отождествили корпускулярные потоки с лучами солнечной короны, рассматривая ее как динамическое образование.

Самые внешние и наиболее горячие слои солнечной атмосферы -- солнечная корона -- как бы испаряются в межпланетное пространство. Таким образом, возникает поток вещества, текущего от Солнца, который представляет собой дующий от него плазменный ветер. Поток частиц составляет в среднем сотни миллионов частиц (главным образом протонов и электронов) через квадратный сантиметр за секунду. На расстоянии Земли этот ветер «обдувает» верхние слои земной атмосферы со скоростью около 450 км/с. В каждом кубическом сантиметре вещества, проносящегося мимо Земли, содержится в среднем 5 протонов и столько же электронов.

Солнечный ветер вытягивает далеко в межпланетное пространство силовые линии солнечных магнитных полей, концы которых прочно удерживаются солнечной атмосферой. Вращение Солнца придает силовой линии форму спирали. Вследствие этого общая структура межпланетной среды имеет вид спиральных секторов, причем в пределах каждого из этих секторов магнитное поле направлено приблизительно одинаково. Земная магнитосфера находится под постоянным воздействием солнечного ветра. Особенно заметно она реагирует на прохождение через границы секторов, когда резко меняются направление и величина напряженности магнитного поля в солнечном ветре, а также скорость и плотность потока плазмы. Под влиянием солнечно го ветра магнитосфера Земли принимает характерную обтекаемую форму. Земное магнитное поле защищает верхние слои земной атмосферы от непосредственного воздействия солнечного ветра. Тем не менее, в областях высоких географических широт частицы солнечного ветра имеют возможность непосредственно проникать в верхние слои земной атмосферы. При этом они пополняют энергичными частицами области радиационных поясов и вызывают полярные сияния.

Полярные сияния чаще всего, почти ежедневно, наблюдаются в кольцевых зонах радиусом 23° с центром около магнитных полюсов Земли. Самые мощные и высокие полярные сияния наблюдаются не только в высоких и средних широтах, но даже в тропиках, сопровождая собой наступление магнитных бурь, отмечаемых одновременно по всей Земле. Виды и типы полярных сияний, этого электрического свечения в стратосфере, весьма разнообразны. Хотя все они вызваны проникновением в стратосферу частиц высоких энергий, связанных с активностью Солнца, причины существования разных форм сияний неодинаковы. Высота полярных сияний определяется по параллаксу их деталей. Для этого одновременно фотографируют полярное сияние из двух точек и определяют его положение на фоне неба по отношению к звездам. Чаще всего сияния происходят на высотах 95--120 км, но иногда и немного ниже; изредка же сияния можно увидеть на высотах до 1000 км. Знание этой высоты и плотности воздуха на разных высотах позволяет определить скорость и энергию корпускул, вторгающихся в стратосферу. До высоты 100 км могут проникать протоны с энергией 100 кэВ (килоэлектронвольт) и электроны с энергией даже в 10 раз меньшей.

Магнитное поле Земли, в общем, похоже на поле намагниченного железного шара с силовыми линиями, выходящими из одного магнитного полюса и входящими в другой. В связи с этим дуги полярных сияний вытягиваются вдоль геомагнитных параллелей, а их лучи - вдоль геомагнитных силовых линий.

Сияния в области геомагнитных полюсов, аморфного вида, производятся очень энергичными электронами, приходящими непосредственно от Солнца, но отклоняемыми в своем движении магнитным полем Земли. Сияния в области наибольшей их повторяемости - в области полярных кругов - возбуждаются электронами с энергией 10кэВ и меньше, которые не могут прийти прямо от Солнца, а приобрели большую скорость, странствуя в магнитном поле Земли, хотя они и не принадлежат к радиационным поясам Земли.

Наукой установлено, что особенно мощные потоки электронов выбрасываются Солнцем из областей так называемых “солнечных пятен”.

Связь “солнечных пятен” и полярных сияний на Земле была замечена уже давно. Дело в том, что количество пятен на Солнце, а также площадь, которую они занимают, не одинаковы в разные годы. В отдельные годы число пятен сильно уменьшается, а в другие -- значительно возрастает.

Замечено, что солнечные пятна бывают особенно многочисленны через каждые одиннадцать лет. И замечательно -- полярные сияния усиливаются и ослабевают также через каждые одиннадцать лет. В годы, когда на Солнце наблюдается наибольшее число пятен, полярные сияния особенно часты и мощны. Убывает число солнечных пятен -- и полярные сияния наблюдаются реже.



1.5 Формы полярных сияний

Полярные сияния - одно из самых красивых явлений в природе, всегда необычайно величественное зрелище. Они отличаются большим разнообразием: то это своеобразные светлые столбы, то это изумрудно-зеленые, с красной бахромой занавеси, пылающие длинные ленты, расходящиеся многоцветные лучи-стрелы, а то и просто бесформенные светлые, порой цветные пятна на небе. Но при всем разнообразии можно выделить несколько определенных их форм.

Обычно выделяют четыре основные формы.

Наиболее простая форма -- однородная дуга (однородная полоса). Она имеет довольно ровное свечение, более яркое в нижней части дуги и постепенно исчезающее вверху. Дуга простирается обычно через весь небосвод в направлении восток -- запад; ее протяженность достигает тысяч километров, тогда как толщина составляет всего несколько километров. Протяженность светящейся полосы в вертикальном направлении измеряется сотнями километров; нижний край полосы находится, как правило, на высотах 100--150 км. Однородные дуги (полосы) бывают беловато-зеленого, а также красноватого или лилового цвета.

Следующая форма сияний -- лучи. На небе видны тесно вы строившиеся друг за другом узкие вертикальные светящиеся линии, как будто множество поставленных в ряд мощных прожекторов светят вверх . Для наблюдателя, который смотрит на сияние не сбоку, а непосредственно снизу, лучи представляются сходящимися в вышине (эффект перспективы); вспомним у Рокуэлла Кента: «сходящиеся снопы лучей». Начинаясь с высоты при мерно 100 км, лучи уходят вверх на сотни и даже тысячи кило метров. Все вместе они образуют лучистую полосу. Обычно она зеленоватого цвета; внизу полоса часто имеет розовато-оранжевую кайму.

Особенно сильное впечатление производят свечения, имеющие форму лент, которые могут образовывать складки или закручиваться в своеобразные спирали. Высоко в небе повисают гигантские занавеси, они колышутся, волнуются, меняют очертания и яркость. Их-то и называл Рокуэлл Кент «покрывалом Изольды». Толщина этих занавесей порядка километра; по высоте они располагаются примерно от 100 до 400 км. Окраска лент в основном зеленовато-синяя, с переходом к розоватым и красным тонам в нижней части.

Наконец, надо отметить сияния, имеющие форму размытых пятен, похожих на гигантские светящиеся облака; их называют диффузными пятнами. Отдельное такое пятно имеет площадь порядка 100 км Как правило, пятна окрашены в белесые или красноватые тона. Образуются они на высотах около 100 км, а также на высотах 400...500 км.

Различные формы полярных сияний могут возникать одновременно, накладываясь одна на другую. Лучи, ленты, пятна вовсе не неподвижны: они перемещаются и при этом интенсивность их свечения со временем изменяется. Скорость движения лучей и лент может достигать десятков кило метров в секунду. В течение ночи можно наблюдать постепенное превращение одних форм сияний в другие. Например, однородная дуга может вдруг разбиться на лучи или превратиться в складки ленты, а последняя может затем распасться на облакообразные пятна.

Таким образом, форма наблюдаемого полярного сияния оказывается непостоянной -- она способна совершенно измениться в течение часа и даже нескольких минут.



2. Электронные полярные сияния

Различают два типа полярных сияний -- вызываемые потоками космических электронов (электронные сияния) и вызываемые потоками протонов (протонные сияния). Вклад протонных сияний в свечение неба относительно невелик. Главную же роль играют электронные сияния. Все формы сияний, имеющие достаточно четко выраженную структуру (дуги, лучистые полосы, ленты), обусловлены электронами. Фактически лишь диффузные пятна могут быть обязаны своим происхождением протонам. Поэтому в нашей работе мы будем рассматривать именно электронные полярные сияния.

2.1 Возникновение электронных полярных сияний

Приносимый солнечным ветром поток электронов, достигая Земли, начинает взаимодействовать с ее магнитным полем. Электроны захватываются геомагнитным полем и далее движутся по спиральным траекториям вокруг силовых линий поля. Линии, постепенно «сгущаясь», подходят к земной поверхности в приполярных областях. Туда-то и устремляются закручивающиеся вокруг силовых линий электроны.

2.2 Движение заряженной частицы в однородном магнитном поле

Почему же электроны движутся именно по спиральным траекториям?

Всякое реальное поле является неоднородным, так что однородное поле -- это идеализация. Однако идеализация эта весьма полезная, поскольку в пределах достаточно малой области пространства поле практически всегда можно приближенно считать однородным. Поэтому, прежде чем переходить к магнитному полю Земли (являющемуся, разумеется, неоднородным), рассмотрим однородное магнитное поле и выясним, как будет двигаться в таком поле заряженная частица. Итак, поле называют однородным, если его напряженность одинакова во всех точках. Силовые линии такого поля представляют собой семейство взаимно параллельных прямых. Предположим, что частица массой m с положительным зарядом е влетает в такое поле со скоростью , направленной перпендикулярно силовым линиям поля (). Обозначим через S плоскость, перпендикулярную к силовым линиям поля. Частица будет двигаться в этой плоскости по окружности, под действием силы Лоренца ,играющей роль центростремительной силы. В этом не трудно убедиться. Сила Лоренца изображена на рисунке для двух точек траектории частицы.

Всякий к вектору магнитной индукции и применять описанное ранее правило буравчика. Из формул

(1); = sin (1)

следует, что в рассматриваемом случае

.

Радиус окружности частицы R (его называют гирорадиусом) найдем, воспользовавшись вторым законом Ньютона, который в данном случае можно записать в виде

(2)

Из (3) получаем

(3)



Рисунок относился к частице c положительным зарядом; в этом случае сила Лоренца совпадает по направлению с векторным произведением

.

Если у частицы отрицательный заряд, то, как уже отмечалось, векторы и /е будут направлены в противоположные стороны. Такая частица совершает движение по окружности вокруг силовых линий поля в направлении, обратном по отношению к направлению движения положительно заряженной частицы. На рисунке сравниваются движения частицы с положительным и частицы с отрицательным зарядом. Если смотреть навстречу силовым линиям поля, то положительно заряженная частица совершает поворот по часовой стрелке, а отрицательно заряженная против часовой стрелки.

Теперь предположим, что частица с положительным зарядом е, массой m и скоростью влетает в однородное магнитное поле (магнитная индукция) под углом к силовым линиям; этот угол называют питч-углом.

Разложим вектор на две составляющие и -- соответственно вдоль силовых линий () и перпендикулярно к ним (). Вектор параллелен вектору , и поэтому ; значит, вдоль силовых линий поля частица будет перемещаться с постоянной скоростью (скоростью ). В то же время она будет совершать обороты вокруг силовых линий со скоростью ; в соответствии с (4) радиус оборотов (гирорадиус частицы) есть

.



Таким образом, частица будет двигаться в однородном магнитном поле по спиральной траектории, которая как бы намотана на силовые линии поля. Эта спираль изображена на рисунке 10.4,в, где R и L -- соответственно радиус и шаг спирали.

2.3 Движения заряженной частицы в неоднородном магнитном поле

На рисунке сопоставляются картины силовых линий для однородного (а) и неоднородного (б) магнитных полей.

Магнитная индукция неоднородного поля, изображенного на рисунке 10.5,6, возрастает в направлении оси z по мере увеличения z силовые линии все более сближаются («сгущаются»).

Предположим, что в рассматриваемое неоднородное магнитное поле влетает положительно заряженная частица со скоростью , ориентированной в плоскости S перпендикулярно к оси z (рис.а). Вектор магнитной индукции в точке А на рисунке разложим на две составляющие, перпендикулярную к плоскости S (составляющая ) и лежащую в плоскости S (составляющая ). Последняя составляющая перпендикулярна к оси z; ее наличие связано с неоднородностью поля (в однородном поле, показанном на рисунке а, такой составляющей нет).

Сила

лежит в плоскости S. В этом не трудно убедиться, если мысленно совершить поворот от вектора к вектору и воспользоваться правилом буравчика. Сила заставляет частицу совершать обороты вокруг силовых линий поля. Однако остаться в пределах плоскости S частица не может. Ведь есть еще одна составляющая вектора магнитной индукции -- составляющая Она обусловливает силу



.

Совершая мысленно поворот от к применяя правило буравчика, убеждаемся, что сила перпендикулярна к плоскости S, причем ее направление противоположно направлению оси z. Во всех точках штриховой окружности, изображенной на рисунке 10.б,а, составляющая магнитной индукции, лежащая в плоскости S, будет направлена к центру окружности (см., например, показанное на рисунке разложение вектора магнитной индукции в точке Б). Таким образом, во всех точках окружности на частицу будет действовать сила , направленная противоположно оси z. Эта сила будет выталкивать частицу из плоскости S в сторону уменьшения индукции магнитного поля, т. е. в направлении, в котором поле ослабевает.

Такой же результат мы получим, рассматривая не положительно, а отрицательно заряженную частицу. Как мы уже знаем, такая частица совершает обороты вокруг силовых линий поля в обратную сторону. При этом она, как и положительно заряженная частица, будет выталкиваться полем в направлении, в котором поле ослабевает. Предлагаем читателю самостоятельно изучить рисунок б, построенный по аналогии с рисунком ,а. В отличие от рисунка а, здесь частица движется по окружности в обратную сторону. Кроме того, следует учесть, что для отрицательно заряженной частицы вектор направлен противоположно вектору (направление последнего определяется по правилу буравчика).

Теперь нетрудно представить, как в общем случае должна двигаться в неоднородном магнитном поле заряженная частица. Как и в однородном поле, она будет описывать спиральную траекторию вокруг силовых линий. Однако, в отличие от однородного поля, спираль эта обладает двумя особенностями. Во-первых, по мере перемещения частицы вдоль силовой линии радиус спирали теперь не остается неизменным. Если частица, перемещаясь, попадает в область более сильного поля, то ее гирорадиус уменьшается; при перемещении же частицы в направлении, в котором поле ослабевает, ее гирорадиус возрастает. Это следует непосредственно из соотношения, согласно которому гирорадиус частицы пропорционален обратной величине магнитной индукции поля (~1/B). Во-вторых, изменяется не только гирорадиус, изменяется также и шаг спирали.

Предположим, что начальная скорость частицы направлена таким образом, что частица, описывая спираль, перемещается в область более сильного поля. Как мы уже выяснили, в этом случае она будет встречать противодействие со стороны поля; на частицу будет действовать сила, стремящаяся вернуть ее назад, в результате шаг спирали станет постепенно уменьшаться. Уменьшение будет происходить до тех пор, пока шаг не обратится в нуль, после чего частица, продолжая движение по спирали, начнет перемещаться обратно--в область более слабого поля. Теперь указанная сила будет подгонять частицу, вследствие чего шаг спирали начнет возрастать.

На рисунке ,а показана спиралеобразная траектория частицы, перемещающейся вдоль оси, т. е. в направлении усиления магнитного поля. Видно, что радиус спирали и ее шаг постепенно уменьшаются. На рисунке ,6 показана траектория частицы уже после того, как поле заставило ее начать перемещение назад; теперь шаг и радиус спирали посте пенно возрастают.

Если вначале частица двигалась по сворачивающейся спирали, то после изменения направления перемещения она движется по разворачивающейся спирали. Заметим, что, когда мы говорим об изменении (обращении) направления перемещения частицы, мы имеем в виду лишь ее перемещение вдоль силовой линии (вдоль оси z). Что же касается направления движения частицы вокруг силовой линии, то оно сохраняется неизменным: если смотреть на положительно заряженную частицу так, чтобы ось z была направлена на наблюдателя, то частица будет закручиваться по часовой стрелке как при ее приближении к наблюдателю, так и при удалении от наблюдателя. Отрицательно заряженная частица будет закручиваться против часовой стрелки.

Как мы уже знаем, неоднородное магнитное поле стремится вытолкнуть заряженную частицу в направлении, в котором оно ослабевает. Поэтому по мере перемещения вдоль линии поля и приближения к земной поверхности электрон попадает в области все более сильного поля и достигнуть поверхности Земли он все же не может. Значит, на опускающийся в земной атмосфере электрон будет действовать со стороны геомагнитного поля сила, стремящаяся отбросить его назад -- в верхние слои атмосферы. В результате, опустившись до высоты порядка 100 км, электроны как бы «отражаются» геомагнитным полем назад; вдоль тех же самых силовых линий они возвращаются в верхние слои атмосферы -- с тем, чтобы, следуя этим линиям, начать опускаться к земной поверхности теперь уже в другом полушарии. Вплоть до нового «отражения» назад.

Сказанное поясняет рисунок а, где схематически, без наблюдения масштаба, изображена траектория одного из электронов. Красным цветом показана траектория электрона, когда он приближается к земной поверхности в районе Северного полюса, а зеленым -- когда он движется назад -- от Северного полюса к Южному.

Любуясь лучистой полосой полярного сияния, мы обычно не задумываемся над тем, что каждый светящийся луч -- это светящийся след, оставленный лавиной электронов, спустившихся вдоль силовых линий магнитного поля Земли до высоты примерно 100 км (рис. б). Иными словами, вертикальные лучи, равно как вертикальные светящиеся нити лент,-- все это своеобразная «фотография» силовых линий геомагнитного поля.

Оговоримся, что описанная картина движения электронов, за хваченных магнитным полем Земли, верна лишь в общих чертах. На самом деле все оказывается более сложным. Электроны не просто захватываются и направляются полем Земли. Они еще и ускоряются в нем. Это означает, что на электроны в геомагнитном поле действуют не только магнитные, но и электрические силы. Оказывается, что при этом существенную роль играет хвост геомагнитного поля, образующийся на ночной стороне земного шара; именно благодаря ему электроны ускоряются и собираются в лентообразную структуру пучков. Правда, до сих пор непонятно, каким образом все это происходит.

2.4 Электронные полярные сияния как люминесцентные излучения

При рассмотрении движения электронов в геомагнитном поле мы не принимали во внимание их столкновения с атомами и молекулами атмосферы. Конечно, на высотах выше 100 км атмосфера сильно разрежена, так что с точки зрения влияния на движение электрона столкновения несущественны и ими можно пренебречь. Однако столкновения все же происходят. Более того, они принципиально важны, так как именно благодаря им возбуждаются и ионизуются атомы и молекулы атмосферы, в результате чего и возникает свечение полярного сияния. Основную роль в возникновении наблюдаемого свечения полярных сияний играют столкновения космических электронов с атомами и молекулами кислорода и азота. В результате этих столкновений атомы и молекулы возбуждаются или ионизуются. В первом случае происходит изменение электронной оболочки микрочастицы, связанное с переходом ее в возбужденное состояние. Во втором случае частично разрушается электронная оболочка; микрочастица теряет электрон и пре вращается в атомарный или молекулярный ион. Возбужденная микрочастица возвращается вскоре в основное состояние; ион рекомбинирует со свободным электроном. В обоих случаях возможно испускание фотона люминесцентного излучения, уносящего энергию возбуждения. Это люминесцентное излучение мы и наблюдаем, когда любуемся полярным сиянием.

2.5 Спектр электронного полярного сияния

На рисунке представлен спектр полярного сияния. Ионизованные молекулы азота при рекомбинации высвечивают синие и фиолетовые полосы спектра, а возбужденные молекулы азота высвечиваются красным светом. Возбужденные атомы кислорода высвечивают зеленую () и красную (0,63 мкм) линии. Особенно интенсивными оказываются синие линии азота и зеленая линия кислорода, вследствие чего полярные сияния окрашиваются преимущественно в сине-зеленые тона.



Интересно рассмотреть, почему, например, красная линия в спектре кислорода оказывается значительно слабее зеленой линии. На рисунке 10.9 изображены квантовые переходы, соответствующие этим спектральным линиям.

Все дело в величине времени жизни атома кислорода на уровнях и , т. е. в том времени, какое проходит с момента попадания атома на рассматриваемый уровень до момента его ухода с него (имеется в виду уход, связанный с самопроизвольным, иначе говоря, спонтанным, возвращением атома в основное состояние). Заметим, что время жизни атома в том или ином состоянии не надо понимать буквально. Один атом «проживет» в данном состоянии дольше, другой меньше; время жизни -- это усредненная величина, получаемая при рассмотрении большого числа одинаковых атомов. Так вот, уровни и атома кислорода имеют существенно разные времена жизни: 0,7 с для уровня и 100 с для . Получается, что, оказавшись на уровне атом кислорода долго «живет» на нем, «не решаясь» сделать еще один скачок вниз. Пока атом «раздумывает», на него может налететь другой атом или свободный электрон; это столкновение может вынудить наш атом перескочить на основной уровень, передав избыток энергии частице, столкнувшейся с ним. В итоге испускание фотона с в данном случае не состоится. Практически все атомы кислорода переходят с уровня на , испуская фотон; в то же время лишь сравнительно немногие атомы испускают фотон, переходя с на основной уровень. Находящиеся на уровне атомы попросту не успевают высветиться -- столкновения с другими частицами вынуждают их перейти на основной уровень без испускания фотона. Вот почему излучение с оказывается существенно интенсивнее, чем излучение с .

Сегодня многое понятно в физике полярных сияний. Как мы убедились, нетрудно объяснить (хотя бы в общих чертах) форму, высоту и спектр сияний. Изменчивость сияния тоже вполне понятна -- она объясняется изменениями (возмущениями) магнитного поля Земли под воздействием солнечного ветра. В то же время остается еще немало загадок, связанных с сияниями. Как уже отмечалось, неясно, как именно хвост магнитосферы ускоряет и фокусирует электроны.



Заключение

Выбрав объектом исследования электронные полярные сияния, поставив перед собой цель и сформулировав задачи, нам удалось достигнуть ожидаемых результатов.

Что же мы узнали о полярных сияниях?

Итак, изучив историю восприятия и постижения полярного сияния, мы смогли сформулировать современное представление о полярных сияниях. Полярное сияние -- это совсем не «божье знамение», а люминесцентное свечение, возникающее в результате взаимодействия летящих от Солнца заряженных частиц (электронов и протонов) с атомами и молекулами земной атмосферы. Появление же этих заряженных частиц в определенных районах атмосферы и на определенных высотах есть результат взаимодействия солнечного ветра с магнитным полем Земли.

Полярные сияния чаще всего, почти ежедневно, наблюдаются в кольцевых зонах радиусом 23° с центром около магнитных полюсов Земли. Самые мощные и высокие полярные сияния наблюдаются не только в высоких и средних широтах, но даже в тропиках, сопровождая собой наступление магнитных бурь, отмечаемых одновременно по всей Земле.

Рассмотрев их основные типы и формы, мы можем сделать вывод, что полярные сияния отличаются большим разнообразием.

Можно выделить несколько определенных их форм: однородная дуга (однородная полоса), лучи, диффузные пятна, ленты. Различные формы полярных сияний могут возникать одновременно, накладываясь одна на другую. Лучи, ленты, пятна вовсе не неподвижны: они перемещаются и при этом интенсивность их свечения со временем изменяется. Скорость движения лучей и лент может достигать десятков кило метров в секунду

Кроме того, различают два типа полярных сияний -- вызываемые потоками космических электронов (электронные сияния) и вызываемые потоками протонов (протонные сияния). Главную роль играют электронные сияния, так как формы сияний, имеющие достаточно четко выраженную структуру (дуги, лучистые полосы, ленты), обусловлены именно электронами.

Также в своей работе мы объяснили причины возникновения и процесс образования полярных сияний.

А еще ученые утверждают, что полярные сияния издают своеобразные звуки, существует несколько теорий, объясняющих это. А также полярные сияния были замечены не только на Земле, а даже на Марсе, Сатурне, Юпитере, Венере.



Литература

1. Воронцов-Вельяминов Б. А. Очерки о Вселенной. - М.: Наука, 1980.

2. Исаев С. И. Морфология полярных сияний. - Л.: Наука, 1968.

3. Муранов А.П. В мире необычных и грозных явлений природы. Пособие для учащихся. - М.: Просвещение, 1977.

4. Тарасов Л.В. Физика в природе: Кн. для учащихся. - М.: Просвещение, 1988.

5. Энциклопедический словарь юного астронома / Сост. Н. П. Ерпылев. - М.: Педагогика, 1980.

Размещено на Allbest.ru

...