ШКОЛЬНАЯ НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ «ЮНОСТЬ И НАУКА – ТРЕТЬЕ ТЫСЯЧЕЛЕТИЕ» СЕКЦИЯ ЕСТЕСТВЕННЫХ НАУК

ШКОЛЬНАЯ НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ
«ЮНОСТЬ И НАУКА – ТРЕТЬЕ ТЫСЯЧЕЛЕТИЕ»
СЕКЦИЯ ЕСТЕСТВЕННЫХ НАУК
ТАЙНЫ СЕВЕРНОГО СИЯНИЯ
Автор:
Цемма Данила,
ученик 3 «В» класса
МБОУ «Гимназия № 5»
города Норильска
Научный руководитель:
Котлярова Валентина
Александровна,
учитель начальных классов
Норильск – 2014
Содержание
Введение....................................................................................................... 3
Глава 1. Северное сияние
1.1. История объяснения полярного сияния ............................................ 5
1.2. Причины возникновения полярных сияний ..................................... 7
1.3. Формы полярных сияний .................................................................. 9
1.4. Загадки полярных сияний ............................................................... 11
Заключение ................................................................................................ 13
Библиографический список ..................................................................... 14
2
Введение
Что зыблет ясной ночью луч?
Что тонкий пламень в твердь разит?
Как молния без грозных туч
Стремится от земли в зенит?
Как может быть, чтоб мерзлый пар
Среди зимы рождал пожар?
М.В. Ломоносов
Выше самых высоких гор, выше, чем могут подняться самолеты,
раскинулось царство полярных сияний – одного из самых красивых световых
явлений в природе. Они привлекали внимание человека на протяжении всей
его истории. Тайна полярных сияний оставалась нераскрытой в течение
многих веков. Почему возникает полярное сияние? Какие удивительные
легенды рождало это загадочное явление в умах человечества? Что известно
о полярном сиянии сейчас?
На все эти вопросы мы постарались найти ответы в своем исследовании.
Объектом работы стало явление полярного сияния. Предметом – причина
возникновения удивительного явления природы. Гипотезой послужило
предположение о том, что полярное сияние, в прошлом связывающееся с
трагедиями в природе и обществе, действительно может оказывать
влияние на жизнь человека.
Целью работы стало
изучение причины возникновения полярного
сияния.
В ходе работы мы познакомились с тем, как объясняли это явление в
прошлом, выяснили причину появления полярного сияния, собрали все
основные формы сияния и подобрали фотографии, выявили нерешенные
проблемы, связанные с ним.
3
По-настоящему загадку полярных сияний удалось разгадать лишь в
наше время. Это стало возможным благодаря развитию современной физики
и успехам в области космических исследований. Удалось даже создать
искусственное полярное сияние. И хотя картина в целом вполне ясна, еще
осталось немало невыясненных вопросов.
4
Глава 1. Северное сияние
1.1. История объяснения полярного сияния
С древнейших времён люди восхищались величественной картиной
полярных сияний и задавались вопросом об их происхождении. Упоминания
о полярных сияниях можно найти в трудах Аристотеля, Плиния, Сенеки и
других древних философах.
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 сияния, провалы, кроваво-красная окраска.… Кажется, будто полыхает
пламя». А вот описание полярных сияний, сделанное в 1 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. То могут быть приняты за далеко горящую усадьбу или город».
Древние римляне связывали полярные сияния, изредка наблюдаемые
на средних широтах розового и красного цветов, с богиней утренней зори Авророй. 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.
Долгое время полярные сияния рассматривали как предвестники
катастроф – эпидемий, голода и войн. Например, это явление связали с
падением Иерусалима и смертью Юлия Цезаря. Во всяком случае, в этом
видели проявление гнева богов или других сверхъестественных сил.
В одних случаях они вызывали страх перед «божьим наказанием», в
других,
напротив,
они
представлялись
«небесным
воинством»,
поспешающим на помощь. Летописцы повествуют, что во время битвы войск
5
Александра Невского с немцами на льду Чудского озера (1242 г.) вдруг
появились на небе «сполохи». Согласно легенде, русские воины увидели в
этом добрый знак и с удвоенной силой обрушились на врага.
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. Известны случаи, когда полярное
сияние красного цвета принимали за зарево пожара и пожарные команды
выезжали к огромному зареву в северной части горизонта.
Северные народы тоже связывали полярное сияние с небесным огнем, о
чем свидетельствуют сказки. Одна из них приведена в приложении.
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.
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.
Тайна полярных сияний оставалась нераскрытой в течение многих
веков. Относительно их природы и происхождения было высказано много
гипотез, подчас весьма наивных. Люди, проживающие в тех 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, или отблески солнца,
опустившегося за горизонт. Предполагали также, что это свет, который
якобы испускают полярные льды во время особенно сильных морозов.
6
Аристотель полагал, что «верхние слои воздуха, сгущаясь, могут
воспламениться»; в этом он ошибочно усматривал причину полярных
сияний. В учебнике физики 18 века 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.
Много размышлял над природой полярных сияний М.В. Ломоносов,
проводил
различные опыты со стеклянными шарами, пытаясь понять
природу полярного сияния. Хотя Ломоносову и не удалось установить
природу этого явления, он все же довольно близко подошел к ее пониманию.
Независимо от него вывод о близости физической природы газового разряда
и полярного сияния сделали Бенджамин Франклин и англичанин Ж. Кэнтон.
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.
1.2. Причины возникновения полярного сияния
Полярные сияния – наблюдаемые временами, преимущественно в
полярных
областях,
сияния
отдельных
участков
ночного
неба,
представляющие собой свечение верхних слоёв атмосферы на высоте около
100 км и более до 1 000 км.
На Земле существуют две зоны, где Полярные сияния наиболее часты,
интенсивны и продолжительны: одна – в Северном, другая – в Южном
полушариях. (Полярные сияния, наблюдаемые в Северном полушарии, часто
называют северными сияниями).
Чтобы понять, как появляются полярные сияния, нужно рассматривать
Землю, как большой магнит. Его южный полюс располагается вблизи
северного географического полюса, а северный – вблизи южного. Силовые
линии магнитного полюса Земли (геомагнитные линии) выходят из области
7
северного магнитного полюса Земли, охватывают нашу планету и входят в
нее в области южного магнитного полюса Земли. Так образуется магнитная
оболочка Земли.
Форма
магнитных
силовых
линий
не
является
симметричной
относительно Земли. Это связано с солнечным ветром – потоком частиц,
постоянно излучаемых Солнцем, резко увеличивающимся по своей силе 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. Но прорваться поперек силовых линий Земли они
не могут, особенно в низких широтах. Поэтому заряженная частица движется
по спирали, продвигаясь по спирали к высоким широтам, где силовые линии
магнитного поля Земли почти вертикальны. Там они и проникают в
атмосферу Земли. Таким образом, частицы, попавшие из солнечного
ветра в магнитное поле Земли, стекают в область полюсов, где
достигают плотных слоев атмосферы и вступают в реакцию с частицами
тех газов, которые окружают нашу планету.
Вспышки северного сияния обычно наблюдаются через день-два после
вспышек на Солнце. Это служит прямым доказательством, что причиной
Полярного сияния являются вспышки солнечного излучения. На зону
Полярного сияния приходятся максимум числа и интенсивности магнитных
бурь.
Эта идея была выдвинута Ойгеном Гольдштайном еще в 1881 и
получила подтверждение в результате лабораторных экспериментов, впервые
проведенных Кристианом Биркеланном. Позднее математическая разработка
этой проблемы была реализована Карлом Фредериком Стёрмером.
Поверхность Земли не самое лучшее место для наблюдения за
полярными сияниями: во-первых, почти всегда их нужно наблюдать ночью,
когда не мешает солнце; во-вторых, наблюдению могут помешать облака.
Легко можно наблюдать полярные сияния из Космоса, где к тому же нет
8
искажающего влияния нижних плотных слоев атмосферы. Наблюдения с
космических кораблей и орбитальных станций дали богатый материал о
расположении сияний, их изменении во времени, даже побывать внутри
полярных сияний и провести измерения. Таким способом можно наблюдать
сияния и на дневной стороне Земли.
1.3. Фомы полярных сияний
Полярное сияние – всегда необычайное величественное зрелище. При
всем разнообразии можно выделить четыре определённые формы: наиболее
простая форма – однородная дуга. 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; её
протяженность достигает тысяч километров, тогда как толщина составляет
всего
несколько
километров.
Протяженность
светящейся
полосы
в
вертикальном направлении измеряются сотнями километров; нижний край
полосы находится, как правило, на высотах 100-150 км. Однородные дуги
бывают беловато-зелёного, а также красноватого или лилово цвета.
Следующая форма сияний – лучи. На небе видны тесно
выстроившиеся 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 представляют сходящимеся в вышине (эффект перспективы).
Начинаясь с высоты примерно 100 км, лучи уходят вверх на сотни и даже
тысячи километров. 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 занавески, они
колышутся, волнуются, меняют очертания и яркость. Их-то и называл
Рокуэлл Кент «покрывалом Изольды». Толщина этих занавесей порядка
9
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 км². Как
правило, пятна окрашены в белёсые 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 неподвижны6 они
перемещаются и при этом интенсивность их свечения со временем
изменяется. Скорость движения лучей и лент может достигать десятков
километров 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.
Иногда возникают интенсивные сияния, которые охватывают большую
часть полярного района и характеризуются беловато-зеленоватым свечением.
Они называются шквалами и характерны для периодов повышенной
солнечной активности. Таким образом, форма наблюдаемого полярного
сияния оказывается непостоянной – она способна совершенно измениться в
течение часа и даже нескольких минут.
По яркости сияния разделяются на четыре класса, отличающиеся друг
от друга в 10 раз. В первый класс попадают еле заметные сияния, сходные по
своей яркости с Млечным Путем. Сияния же четвертого класса по яркости
можно
сравнить
с
полной
Луной.
Яркие
вспышки
сияния
могут
сопровождаться звуками, похожими на треск.
10
1.4. Загадки полярных сияний
Исследования последних десятилетий, включая изучение явления с
искусственных спутников Земли и создание искусственных сияний,
расширили наши знания о полярных сияниях. Загадка полярных сияний
разгадана. Но проблема полярных сияний еще далека от своего решения.
Например, до сих пор не ясна связь полярных сияний с погодой. Северяне
хорошо знают, что полярные сияния чаще наблюдаются в морозные ночи.
Ученые пока не могут дать этому объяснения. Кроме, того, возникновение
полярных сияний до сих пор непредсказуемо.
В начале работы речь шла о том, что в свое время появление полярных
сияний связывалось с трагическими явлениями в природе и обществе. Только
ли страх перед непонятным лежит в основе этих суеверий? Сейчас известно,
что солнечные ритмы с различными периодами (период вращения Солнца
составляет около 27 суток, а солнечная активность подвержена колебаниям
циклического характера со средним периодом около 11 лет) влияют на самые
разные стороны жизни на Земле. Солнечные и магнитные бури (и связанные
с ними полярные сияния) могут вызывать рост числа различных заболеваний,
например, сердечно-сосудистой системы человека. С солнечными циклами
связаны изменения климата на Земле, появления засух и наводнений,
землетрясений и т.д. Все это заставляет еще раз серьезно задуматься над
связью между полярными сияниями и земными катаклизмами и бедами.
Может быть, не так и глупы старые представления о такой связи?
Полярные сияния сигнализируют о месте и времени воздействия
Космоса на земные процессы. Заряженные частицы, вторгаясь в магнитное
поле Земли, искажают его, что влечет за собой изменение атмосферы
планеты. Кроме того, что все это сказывается на погоде, они нарушают
высокочастотную радио- и телевизионную связь, ослабляют радиосигналы
спутников связи. Сильные полярные сияния способствуют увеличению
электрических токов в высоковольтных электролиниях, которые приводят
иногда к срабатыванию защитных реле и отключению электросистем,
11
питающих электроэнергией обширные районы. Изменения в атмосфере
Земли способствуют ускорению процессов коррозии в новых арктических
нефтепроводах. Рентгеновское излучение, возникающее при полярном
сиянии,
может
в будущем
представить
опасность для
пассажиров
авиалайнеров, если высота полета реактивных самолетов возрастет еще
больше. Искажения магнитных полей Земли прямо влияет и на здоровье
многих людей.
Таким образом, через полярные сияния и связанные с ними процессы
Космос воздействует на окружающую нас природу и ее обитателей. Гипотеза
подтвердилась.
12
Заключение
В последние годы значительное количество научных исследований
было посвящено изучению взаимосвязи авроральных и метеорологических
явлений.
Изучение природы полярных сияний имеет не только научный
интерес, ведь сияния — это одно из проявлений процессов, которые
оказывают влияние на жизнь людей. Многие необычные вопросы, связанные
с полярным сиянием, ждут своих будущих исследователей.
На все поставленные вопросы в начале исследования мы нашли ответы:
причины возникновения полярного сияния, легенды, связанные с этим
загадочным явлением, современные представления о полярном сиянии.
13
Библиографический список
1. Н.Л
Алесандров.
Полярные
сияния
//
Московский
физико-
технический институт. www.issep.rssi.ru – 2001 год.
2. Детская энциклопедия «Я познаю мир». Физика. Под редакцией
Ляхова П.Р. Москва: «АСТ», 1989 г.
3. Журнал «Свирель» - детский экологический журнал для чтения в
кругу семьи и в школе. 1998 г., №2
4. Полярная энциклопедия школьника. Арктика – мой дом. Москва:
Северные просторы, 1999г.
14