Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования Санкт-Петербургский государственный университет Нефтегазовый факультет Кафедра разработки месторождений полезных ископаемых ОБРАЗЕЦ КУРСОВОЙ РАБОТЫ (в качестве студенческой работы не использовалась) на тему: «ПОЛЯРНОЕ СИЯНИЕ» Работу выполнил: студент группы 371 Грибанов Е.С. Руководитель: доцент, ст. преподаватель Коломойцев А.П. Санкт-Петербург 2019 Результат проверки текста курсовой работы (без титульного листа и списка литературы) на оригинальность на сервисе antiplagiat.ru (без дополнительных модулей) – 96,2% РЕФЕРАТ Курсовая работа: 29 с., 3 ч., 1 приложение, 21 источник. ПОЛЯРНОЕ СИЯНИЕ, АТМОСФЕРНЫЕ ЯВЛЕНИЯ, СУББУРИ, ИОНОСФЕРА, ЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ, СОЛНЕЧНЫЙ ВЕТЕР, ГЕОМАГНИТНОЕ ПОЛЕ, ПЛАЗМА, АВРОРАЛЬНЫЙ ОВАЛ, СПЕКТРАЛЬНЫЙ СОСТАВ, СПУТНИКОВЫЕ НАВИГАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ GPS/ГЛОНАС. Объект исследования курсовой работы – физика полярных сияний. Цель курсовой работы – исследование полярного сияния во всем многообразии его характеристик и проявлений. 2 Методы исследования – аспектный и концептуальный анализ наиболее важных вопросов рассмотренных первоисточников; аксиоматический метод. Полярное сияние представляет собой высокоширотное геофизическое атмосферное явление, причиной возникновения которого является взаимодействие атомов и молекул разреженной земной атмосферы с отрицательно заряженной плазмой солнечных корональных выбросов. В настоящее время не существует окончательно разработанной теории полярных сияний и принята наиболее достоверно отвечающая на проблемы полярных сияний теория Штермера. Исследования отечественных и зарубежных ученых показали, что существует соответствие распределения сияния аврорального овала во времени и пространстве и аналогичных параметров сигналов навигационных спутников, что позволяет повысить точность позиционирования систем GPS/ГЛОНАС. ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ .............................................................................................. 4 Глава 1. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И ИСТОРИЯ ИЗУЧЕНИЯ ПОЛЯРНЫХ СИЯНИЙ ................................................ 7 1.1. К формулировке понятия «полярное сияние». Классификация и характеристики полярных сияний ....... 7 1.2. Вклад отечественных и зарубежных ученых в исследование тайн полярных сияний ................................. 9 Глава 2. ПРИРОДА И ФИЗИКА ПОЛЯРНЫХ СИЯНИЙ .......... 13 2.1. Физическая сущность полярных сияний .................... 13 2.2. Теория полярных сияний ................................................ 16 Глава 3. К НЕКОТОРЫМ ПРИКЛАДНЫМ АСПЕКТАМ ПОЛЯРНЫХ СИЯНИЙ: НАВИГАЦИОННЫЕ СПУТНИКОВЫЕ СИСТЕМЫ И ПОЛЯРНЫЕ СИЯНИЯ ......... 20 3.1. Влияние состояния ионосферы на ухудшение качества приема GPS-сигналов ........................................... 20 3.2. О соответствии распределения сияний аврорального овала и параметров сигнала навигационных спутников ................................................................................... 21 ЗАКЛЮЧЕНИЕ ..................................................................................... 24 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ......................... 26 ПРИЛОЖЕНИЕ А ................................................................................ 29 3 ВВЕДЕНИЕ Полярное сияние рассматривается физикой как видимая реакция солнечной атмосферы на прохождение через нее потока заряженных частиц. Исходной причиной полярного сияния является солнечный ветер. Взаимодействие потока плазмы солнечного ветра и с геомагнитным полем Земли приводит к генерированию электрического поля и токов, вызывающих магнитосферные возмущения, одним из проявлений которых являются суббури. Актуальность. Исследование природы полярного сияния как одного из наиболее красочных природных явлений представляет и познавательный, и практический интерес, что связано и с освоением космического пространства, и с разрешением проблем космической и наземной радиосвязи. Необходимость изучения полярных сияний тесно связана с комплексом геофизических высокоширотных атмосферных явлений и является актуальной не только для решения большого числа геофизических проблем, но и для решения проблем физики атмосферы и физики плазмы. Начало космической эры дало человечеству возможность проникнуть в ионосферу и магнитосферу Земли и содействовать постепенному превращению их среду собственного обитания. При этом возникла важнейшая прикладная задача – обеспечить работоспособность и радиационную безопасность космических систем, решить которую невозможно без выполнения фундаментальных исследований физических процессов, протекающих в космическом пространстве. Глубокое изучение полярных сияний предоставляет науке информацию о составе и структуре полярной ионосферы и о процессах, которые происходят в магнитосфере. 4 Постановка проблемы. Процессы, протекающие в полярной ионосфере, оказывают влияние и на состояние ионосферы на других широтах. Поэтому изучение состояния полярной ионосферы является одной из ключевых в проблеме глобального контроля и прогноза состояния геосферы Земли. Поставленная проблема сложна, и наиболее перспективным ее решением может служить решение комплексное, предусматривающее исследование характеристик как самого полярного сияния, так и различных его проявлений. Такой подход позволяет глубоко исследовать полярное сияние и механизм взаимодействия магнитосферы Земли и солнечного ветра. Гипотеза исследования. В качестве рабочей гипотезы исследования курсовой работы примем положение, непосредственно перекликающееся в определением полярного сияния, в соответствии с которым полярное сияние представляет собой случайное, неповторяющееся ионосферное явление, характеризующееся свечением верхних слоев атмосферы, связанное с преобразованием поглощаемой энергии солнечного ветра в световое излучение. Целью исследования является полярное сияние во всем многообразии его характеристик и проявлений. Задачи исследования. Для достижения поставленной цели в реферате необходимо решить следующие задачи: − сформулировать наиболее широко используемое определение и охарактеризовать общепринятую классификацию полярных сияний; − оценить вклад отечественных и зарубежных ученых в исследование полярных сияний; − определить физическую сущность полярных сияний; − рассмотреть общепризнанную теорию полярных сияний: − исследовать возможность повышения точности позиционирования системы GPS/ГЛОНАС в условиях Арктики. 5 Объектом исследования курсовой работы является физика полярных сияний. Предмет исследования − полярные сияния. Методы исследования – аспектный и концептуальный анализ наиболее важных вопросов рассмотренных первоисточников; аксиоматический метод. Структура курсовой работы. Курсовая работа содержит введение, основную часть, состоящую из трех глав по два параграфа в каждой, заключение, список использованной литературы и приложение. Глава 1. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И ИСТОРИЯ ИЗУЧЕНИЯ ПОЛЯРНЫХ СИЯНИЙ 1.1. К формулировке понятия «полярное сияние». Классификация и характеристики полярных сияний Из всех определений полярного сияния (от упрощенных, данных М.В. Ломоносмовым, до современных), проанализированных в источниках курсовой работы [1, с. 26], [6], [9, с. 17], [15, с. 437], [19, с. 127], [8, с. 101], [14, с. 177], [11, с 35], наиболее полным, точным и универсальным можно считать следующее определение: «Полярное сияние представляет собой спорадическое явление в ионосфере, выражающееся в люминесценции (свечении) разреженного воздуха в высоких слоях атмосферы» [8, с. 101]. В настоящее время в нашей стране используется классификация полярных сияний, которая была разработана Специальным комитетом по решению Ассоциации геомагнетизма и аэрономии (IAGA), входящей в состав Международного союза геодезии и геофизики (IUGG). В соответствии с этой классификацией полярные сияния могут быть описаны при использовании таких характеристик, как форма, структура, яркость, положение, активность, характер и цвет. Этих данных достаточно, чтобы получить исчерпывающие сведения о характере полярного сияния. 6 Рассмотрим подробнее каждую из характеристик классификации полярных сияний. Форма полярного сияния описывает контур области свечения. Полярные сияния могут иметь самые разнообразные формы, однако их можно свести к четырем элементарным формам и их комбинациям. К ним относятся однородные дуги и полосы, пребывающие в спокойном состоянии; лучи с изменяющейся длиной; неправильные и диффузные пятна; однородные поверхности больших размеров. Структура полярного сияния описывает детали, располагающиеся в светящейся области. Различают однородную структуру с неявно выраженными или отсутствующими деталями свечения и волокнистую структуру, представляющую собой совокупность светлых волокон или нитей. Яркость (интенсивность) свечения полярного сияния оценивают визуально; она выражается в баллах по следующей международной шкале: 1 балл – почти неразличимое сияние, сопоставимое по яркости с галактикой Млечный путь на ясном звездном небе; 2 балла – достаточно легко определяемое сияние, сходное по яркости с перистыми облаками, которые освещены лунным светом; 3 балла − четко определяемое сияние, яркость которого сравнима с яркостью кучевых облаков, освещаемых Луной; 4 балла – очень яркое сияние, которое способно осветить местность, как полная Луна. Положение полярного сияния на небосводе может быть охарактеризовано азимутом и угловой высотой над горизонтом. Полярные сияния простираются не строго в направлении географических параллелей – их положение больше совпадает с геомагнитной системой координат, что требует определять азимут сияния относительно точки геомагнитного севера, отстоящего от точки географического севера на угол. Понятие «активность» используется для характеристики скорости изменения очертаний полярного сияния. В классификации приняты 7 следующие классы активности полярных сияний: класс q – спокойное сияние с медленным изменением положения и очертаний (за период наблюдения 3-5 минут характеристики полярного свечения выраженно не меняются); класс а – активное сияние с быстро изменяющимися очертаниями и яркостью за промежуток времени около одной минуты: класс p – пульсирующие сияния, для которых характерно изменения яркости с периодом от долей секунды до одной минуты. Под характером в классификации полярных сияний понимают такие особенности сияния, как зарождение нескольких форм одного вида, а также фрагментов лентообразных форм и свечений в виде короны. У полярных сияний наблюдаются следующие цвета и сочетания цветов: красный цвет на верхней части сияния и зеленый на нижней; красный – на нижней части сияния и зеленый − на верхней; белесый или желто-зеленый цвет; красный цвет на всем сиянии; чередующиеся зеленые и красные участки сияния; голубой или фиолетовый цвет сияния [7, с. 7-8]. Для наглядности классификация оформлена в виде таблицы (см. Приложение А). 1.2. Вклад отечественных и зарубежных ученых в исследование тайн полярных сияний М. В. Ломоносов, основатель Московского государственного университета, академик Петербургской Академии Наук, был одним из первых ученых мира, которые обратили свой взор на такое физическое явление, как северное полярное сияние. М. В. Ломоносов первым определил природу и физическую сущность северного сияния. В работе [13] Ломоносов указывает на электрическую природу северного полярного сияния и ориентировочно определяет его высоту, при этом физику северного сияния он ошибочно связывает с перемещением теплых восходящих и холодных нисходящих воздушных потоков [2]. 8 Намного глубже исследованы труды М. В. Ломоносова в [19]. С.А. Черноус указывает, что одним из первых научных трудов М. В. Ломоносова была ода «Вечернее размышление о божием величестве при случае великого северного сияния», где в поэтической форме были сформулированы базовые проблемы природы и физики полярных сияний. «Се хладный пламень нас покрыл! …» [16, с. 174] – в этих строках М. В. Ломоносов подводит нас к тому, что полярное сияние представляет собой собственное свечение (люминесценцию, как позже назовут это явление). «Хладный пламень» − это плазма, разреженный ионизированный газ. «Что зыблет ясной ночью луч?» − поставленная в этих строках научная проблема и в наше время нашла лишь частичное решение. Далее Ломоносов подвергает критике гипотезу академика СанктПетербургской Академии наук Георга Вольфганга Крафта (к которому, кстати, относился с глубоким уважением): «Как может быть, чтоб мерзлый пар Среди зимы рождал пожар?». В переводе на современный язык это означает, что природные явления нельзя бездумно переносить из нижних слоев атмосферы в верхние [19, с. 126-127] . М. В. Ломоносов был одним из тех первооткрывателей, которые осознали электрическую природу полярных сияний. Принято считать, что это является главным его открытием в области изучения полярных сияний. Гипотеза об электрической природе полярных сияний была неординарной для того времени, но она полностью подтвердилась. Леонард Эйлер, будучи иностранным членом Санкт-Петербургской академии наук, рецензировавший целый ряд работ М. В. Ломоносова, по поводу этой гипотезы писал так: «… В явлениях электрических некоторая тонкая материя выявляет себя столь очевидно, что не должно отрицаться …» [Цит. по: 19, с. 127]. Наиболее значимой работой М. В. Ломоносова о полярных сияниях является «Слово о явлениях воздушных, от электрической силы происходящих, предложенное от Михаила Ломоносова» [19, Т.3, с. 15-99.], 9 в которой было выдвинуто предположение, что причиной полярных сияний может быть электрическая сила: «… весьма вероятно, что северное сияние рождается от происшедшей на воздухе электрической силы …» [19, Т.3, с. 81]. Мысль М. В. Ломоносова о том, что цвет полярного сияния связан с конкретным веществом, была перспективной. Более того, Ломоносов отвергал предположение, что физический механизм возникновения радуги может быть применен для объяснения природы полярных сияний: «… причины их в разности эфира искать должно» [Цит. по: 19, с. 129]. Поставленными лабораторными опытами Ломоносов доказал, что полярные сияния происходят на больших высотах в разреженном воздухе. Вот фрагмент описания измерений верхнего края полярного сияния: «Северное сияние нарочито порядочное октября 16 сего года приметил я здесь, в Санкт-Петербурге и, сколько возможно было смерив, вышину нашел 20, ширину 136 градусов; откуда выходит вышина верхнего края дуги около 420 верст» [Цит. по: 19, с. 129], (420 верст примерно равно 450 км). Эти результаты прекрасно согласуются с современными данными, в соответствии с которыми полярные сияния наблюдаются на высоте 801200 км [8, с. 102]. М. В. Ломоносов посредством одновременного наблюдения звезд и северного полярного сияния также показал, что полярное сияние представляют собой собственное свечение атмосферы. В то же время Ломоносов заблуждался – однако у великих людей и заблуждения великие! – в вопросе причин, вызывающих полярные сияния (в то время о солнечном ветре ученые мужи имели, мягко выражаясь, весьма смутное представление …. Он полагал, что сияния возникают в результате вертикального движения слоев атмосферы. На самом деле роль вертикального движения слоев атмосферы в полярном сиянии ничтожна [19, с. 130]. 10 Примерно в то же время, что и Ломоносов, атмосферное электричество изучали Франклин, Далибар, Рихтер, однако их основное внимание было сосредоточено на исследовании гроз и молний. Норвежский физик Кристиан Олаф Бернхард Биркеланд получил известность как ученый, который при помощи законов физики смог объяснить сущность полярных сияний. Им было организовано несколько научных экспедиций в высокоширотные области Норвегии, где в районах, удобных для наблюдений северного полярного сияния, была создана целая сеть обсерваторий. В конце XIX века эти обсерватории выдали первые результаты работ по измерению магнитного поля Земли и структуры электрических токов. Биркеланд одним из первых предсказал существование солнечного ветра как потока положительно заряженных ионов и электронов [2, с. 5]. Активное изучение полярных сияний в СССР началось в конце 1940х годов и было тесно связано с именем профессора Ленинградского и Московского государственных университетов А. И. Лебединского. Его величайшая заслуга состоит в оценке им большой роли и перспективности работ по исследованию физики полярных сияний. Под руководством А. И. Лебединского были полярных на сияний осуществлены территории СССР, синхронные составлены наблюдения программы исследований и подготовлены высококвалифицированные специалисты. Результатом усилий проф. А. И. Лебединского стал огромный объем уникальных по научной значимости материалов [15, с. 437]. 11 Глава 2. ПРИРОДА И ФИЗИКА ПОЛЯРНЫХ СИЯНИЙ 2.1. Физическая сущность полярных сияний Полярное сияние по праву считают одним из красивейших природных явлений, завораживающих своей неземной красотой. О полярных сияниях сообщалось уже в трудах Аристотеля и Плиния. Одно время полярные сияния рассматривались как предвестники войн, катастроф и гнева богов. Российские северяне, для который северное сияние было не редкостью, называли его сполохами или пазорями. Полярные сияния наблюдаются и в южном полушарии. Одним из первых, кто описал это явление в южных широтах, был английский путешественник-исследователь, первооткрыватель и картограф Джеймс Кук. Чаще всего полярные сияния выглядят как облака или ленты, высота которых превышает сотни километров при толщине всего лишь в несколько сотен метров. В некоторых случаях возникают чрезвычайно интенсивные полярные сияния, вызываемые суббурями, имеющими локальный характер в отличие от магнитных бурь, приводящим к почти глобальным возмущениям. Как же возникают полярные сияния? Наша планета представляет собой огромный магнит. Ее южный полюс находится вблизи южного географического полюса, а северный полюс – возле северного географического полюса. Силовые линии этого магнита (или геомагнитные линии), охватывая всю нашу планету, они идут из северного магнитного полюса к южному. Геомагнитные линии имеют несимметричную форму, что вызвано воздействием солнечного ветра – потока имеющих высокую энергию протонов и электронов, излучаемых Солнцем [1, с. 75-77]. Полярные сияния в первую очередь связывают с корональными выбросами Солнца, представляющими собой потоки отрицательно заряженной плазмы [3, с. 167]. 12 Лишь незначительная доля заряженных частиц из межпланетного пространства достигает земной атмосферы – остальные частицы отклоняются геомагнитным полем Земли; однако и их энергии достаточно, чтобы вызвать полярные сияния и возмущения магнитного поля нашей планеты [10, с. 1344]. Современные научные познания в области физики полярных сияний свидетельствуют, что полярное сияние на нашей планете и планетах Солнечной системы представляет собой люминесценцию верхних слоев атмосферы планет, обладающих магнитосферой, вследствие взаимодействия разряженных слоев атмосферы с солнечным ветром. В процессе столкновения частиц плазмы солнечного ветра с разряженной атмосферой ее атомы и молекулы возбуждаются и начинают светиться, и именно излучение возбужденных атомов представляется нами как полярное сияние. При этом спектр полярного сияния зависит от состава атмосферы той или иной планеты. К примеру, наиболее яркими линиями свечения атмосферы Земли являются линии излучения возбужденных атомов и молекул кислорода и азота, а атмосферы Юпитера – линии излучения атомов и молекул водорода. Высота полярных сияний также зависит от параметров атмосферы планеты. Для Земли, имеющей сложную по составу атмосферу, красный цвет полярного сияния, свойственный свечению кислорода, наблюдается на высоте от 200 до 400 км, а одновременное свечение кислорода и азота – на высоте около 110 км. Качественный состав атмосферы обусловливает и форму полярного сияния. Для земной атмосферы характерны полярные сияния с размытой верхней и резкой нижней границами. Полярные сияния наблюдаются чаще всего в высотных широтах как северного, так и южного полушарий в так называемых авроральных овалах –зонах-поясах овальной формы, которые окружают магнитные полюса. Диаметр земных авроральных овалов составляет около 3000 км в период 13 солнечного спокойствия. При этом дневная сторона границы авроральной зоны отстоит от магнитного полюса на 10-16º, а ночная – на 20-23º. Полярные сияния чаще всего наблюдают в широтах 67-70°, и это связано с тем, что магнитные полюса отклонены от географических полюсов на примерно 12º. В то же время в периоды солнечной активности авроральные овалы увеличиваются и полярные сияния наблюдаются на более низких широтах. Спектр земных полярных сияний зависит от высоты их расположения. Различают два типа полярных сияний: высотные сияния типа А, в которых преобладают атомарные линии свечения , и сияния типа В, находящиеся на сравнительно небольших высотах (от 80 до 90 км). В полярных сияниях этого типа преобладают молекулярные линии свечения. Астрофизики обнаружили, что свечение кислорода происходит вследствие излучения его возбужденных атомов; длина волны свечения при этом составляет 557,7 нм, что соответствует зеленой линии с продолжительностью жизни около 0,74 с, и 636,4 нм (красная область линий, продолжительность жизни около 110 с). Поэтому красный цвет полярного сияния характерен для высот 150-400 км, где скорость гашения возбужденного состояния атомов кислорода низка. В то же время молекулы азота, находящиеся в ионизированном состоянии, излучают свечение в диапазонах 391,4 нм (этот диапазон относится к ближнему ультрафиолету), 427,8 нм (фиолетовый цвет) и 522,8 нм (зеленый цвет). Указанное обстоятельство в совокупности с непостоянством химического состава земной атмосферы и погодных факторов приводит к тому, что каждое полярное сияние на Земле имеет свою неповторимую гамму и форму [2, с. 5-6]. Не следует думать, что полярные сияния вызываются только солнечным ветром. Космическое излучение также приводит к полярным сияниям [5]. 14 2.2. Теория полярных сияний В свое время М. В. Ломоносов указывал, что возникновение полярных сияний является результатом действия электрических сил, а их природа сходна с природой электрического разряда. Позже в научных кругах появилась гипотеза (авторство которой установить не удалось), что полярные сияния возникают вследствие воздействия катодных лучей, исходящих из солнца и проходящих через высотные слои земной атмосферы. В 1896 году Кристиан Биркеланд, о котором уже упоминалось в параграфе 1.2, экспериментально доказал, что эта гипотеза имеет право на существование. Биркеланд поставил опыт, техника которого состояла в том, что внутрь катодной трубки объемом около 1 м3 он поместил шар с электромагнитом, служащий моделью Земли. Поверхность модели Земли была покрыта составом, фосфоресцирующим под действием катодных лучей. При включенном электромагните модель Земли светилась подобно полярному сиянию. Биркеланд сделал вывод, что поток частиц, исходящих из Солнца, способен вызвать свечение разреженных слоев атмосферы. Такой поток солнечных частиц Биркеланд назвал «корпускулярными лучами» (позже его назовут «солнечным ветром»). Оставалось лишь решить вопрос, при каких условиях солнечные корпускулы достигают Земной атмосферы и какой будет их траектория. Эту задачу решил шведский геофизик К. Штермер, который выполнил анализ движения заряженных частиц в поле магнитного диполя [4, с. 32-36]. При этом Штермер использовал следующие предположения и допущения: 1. Скорость движущихся к Земле корпускул должна быть настолько велика, что за время их полета от Солнца до Земли относительное положение Земли и Солнца остается неизменным; 2. Корпускулы не попадают под воздействие иных сил, кроме магнитного поля Земли; 15 3. Общий поток корпускул состоит из тонких и длинных потоков частиц, не влияющих друг на друга; 4. Магнитное поле Земли представляет собой поле однородного намагниченного шара или поле диполя. Выполнив расчеты, Штермер построил пространственную модель траекторий корпускул. Анализ Штермера показал, что копускулы, исходящие из Солнца, движутся в магнитном поле по спирали, которая закручивается вокруг силовой линии магнитного поля. Произведенные Штермером расчеты объяснили и общую картину, и отдельные детали полярного сияния, позволили получить определенные количественные его характеристики и определить условия, при которых возникают основные формы полярных сияний. Свойства природы безграничны, и теория Штермера, базирующаяся на указанных выше предположениях и допущениях, не в состоянии дать ответы на все вопросы теории полярных сияний и нуждается в дальнейших уточнениях. Кроме того, недостатком теории Штермера является то, что она не дает объяснений, каким образом узкий пучок корпускул достигает Земли, не рассеиваясь на своем пути из-за сил электростатического отталкивания. В этой связи Ферраро и Чепменом было высказано предположение, что поток корпускул в целом нейтрален и содержит электроны и положительно заряженные ионы; такой поток не рассеивается под действием сил электростатического отталкивания. К Земле такой поток движется со скоростью 1000 -2000 км/c. На расстоянии нескольких земных радиусов от Земли магнитное поле Земли начнет отклонять положительно заряженные ионы потока к западу, а электроны – к востоку, одновременно вызывая торможение в результате воздействия магнитного поля Земли. В этом случае Земля оказывается внутри этого потока, что приведет к образованию электрического поля и кругового тока, протекающего в плоскости экватора Земли с востока на запад. 16 Теория Штермера с учетом поправок Ферраро и Чепмена удовлетворительно объясняла причины образования экваториального кругового тока с последующим расширением авроральных зон. Теория Штермера также объясняет причины возникновения полярных сияний. В соответствии с этой теорией, полярные сияния возникают не в результате соударений частиц солнечного потока с атомами и молекулами разреженной земной атмосферы, а вследствие электрического разряда между стенками полости потока и ионосферой. Теория Штермера не исключает возможности того, что еще до возникновения замкнутого экваториального тока часть корпускул может вторгнуться в полярные районы Земли и вызвать полярное сияние. Каковы же причины глубокого проникновения положительно заряженных ионов и электронов солнечного потока в атмосферу Земли ? Видный советский астрофизик, член-корреспондент АН СССР И. С. Шкловский предложил для объяснения этой проблемы гипотезу, согласно которой в земной атмосфере происходит перезарядка положительно заряженных ионов при их столкновении с молекулами и атомами атмосферы, вследствие чего часть этих ионов продолжает свое движение уже в качестве нейтральных атомов. Теории полярных сияний достаточно многочисленны, однако структурные границы курсовой работы не позволяют подробно их исследовать; вкратце рассмотрим лишь «ультрафиолетовую» теорию. В соответствии с этой теорией ионизированные частицы, вызывающие полярное сияние, образуются в верхних слоях планетарной атмосферы в результате ионизации атомов и молекул газов очень высоких (до десятков тысяч километров) и сильно разреженных слоев атмосферы ультрафиолетовым излучением Солнца. На такой высоте атомы и молекулы атмосферы имеют очень большую длину свободного пробега. В случае, если эти частицы возвращаются к земной поверхности, они под 17 влиянием геомагнитного поля будут отклоняться в направлении полярных областей, где и вызовут полярные сияния. «Ультрафиолетовая» теория встретила большое число серьезных возражений и была отвергнута. Окончательно разработанной, полной и отвечающей на все вопросы теории полярных сияний в настоящее время не существует. Есть вероятность того, что такая теория будет создана все же на основе теории Штермера-Биркеланда после учета особенностей, установленных для потока корпускул, излучаемых солнцем [8, с. 105-109] . Глава 3. К НЕКОТОРЫМ ПРИКЛАДНЫМ АСПЕКТАМ ПОЛЯРНЫХ СИЯНИЙ: НАВИГАЦИОННЫЕ СПУТНИКОВЫЕ СИСТЕМЫ И ПОЛЯРНЫЕ СИЯНИЯ 3.1. Влияние состояния ионосферы на ухудшение качества приема GPS-сигналов В работе [17] путем сравнительного анализа данных приема навигационных сигналов при полярном сиянии на арктических станциях Баренцбург и Нью-Олезунд подтверждается, что дискретные полярные сияния, способные определять состояние ионосферы, служат доминирующим признаком влияния авроральных возмущений на условия распространения навигационных сигналов. Для этого использовались опубликованные данные синхронных измерений параметров приема навигационных сигналов во время полярного сияния 13.01.2013 г. на Шпицбергене (Нью-Олезунд). Авторами опубликованных данных [21] утверждалось, что в период, когда красное свечение пятен полярного сияния объединяется с приходящими красными пятнами, происходят нарушения приема сигналов GPS, а также что дискретные формы полярного сияния влияют на качество приема навигационных сигналов. М. В. Филатов с соавторами, сопоставив данные наблюдений полярных 18 сияний с данными приема навигационных сигналов на указанных станциях, находящихся на разных широтах, показали, что синхронные нарушения приема GPS-сигналов могут иметь место и что ухудшение качества приема навигационных сигналов может быть вызвано состоянием приполярной области ионосферы, насыщенной дискретными формами полярных сияний. В работе [18] авторский коллектив (М. В. Филатов, М. В. Швец, С. В. Пильгаев, А. В. Ларченко, С. А. Черноус) представил доказательства того, что состояние ионосферы, которое определяется полярными сияниями, оказывает существенное влияние на прием сигналов навигационных спутников. К настоящему времени установлено, что амплитудные флуктуации и сцинтилляции сигналов систем GPS/ГЛОНАС приводят к большим погрешностям позиционирования, срывам и потере слежения сигнала, и это в особой мере относится к арктическим районам. Ошибки позиционирования увеличиваются при сужении диаграммы направленности навигационного приемника со стороны экватора, а также при обнаружении в этом поле полярного сияния. Авторским коллективом была рассмотрена возможность прогнозирования и диагностики распределения неоднородностей полного электронного содержания во времени и в пространстве, которые способны ухудшить качество приема навигационных сигналов. Путем локальных измерений вариаций полного электронного содержания и параметров полярных сияний такая возможность была показана. В границах планетарных измерений распределений неоднородностей был продемонстрирован факт распределения этих явлений. Для ночной стороны аврорального овала наблюдалась высокая степень подобия, что объясняется концентраций дискретных форм полярного сияния. Было высказано предположение, что на базе существующей аврорального овала методики возможно прогнозирования также 19 параметров прогнозирование овала неоднородностей полного электронного содержания. Полученные в работе результаты могут быть использованы для повышения качества приема сигналов навигационными системами. 3.2. О соответствии распределения сияний аврорального овала и параметров сигнала навигационных спутников В современном мире спутниковые навигационные системы стали широко распространенной технологией – в настоящее время насчитываются миллионы их индивидуальных пользователей и тысячи технических и обеспечивающих предприятий. В то же время вариации космических и атмосферных факторов и природные катастрофы могут служить причинами проблем при приеме навигационных сигналов спутников, находящихся на высоких орбитах. Это особенно касается арктических условий, где космическая погода обусловливает воздействие полярной ионосферы на трансионосферное прохождение спутниковых систем GPS/ГЛОНАС. Солнечно-земные возмущения в ионосфере создают серьезные проблемы для аварийно-спасательных служб, использующих системы GPS/ГЛОНАС в навигационных устройствах летательных аппаратов, диспетчерских систем контроля полетов, судовых навигационных приборов. Предсказать опасные ситуации, которые могут дать ошибку позиционирования от десяти и более метров (а в Арктике – намного больше), можно путем анализа условий распространения и параметров радиосигнала. В условиях Арктики авроральные возмущения атмосферы, служащие одной из причин ошибочного позиционирования, случаются даже в периоды наименьшей солнечной активности, что дает возможность исследования физических механизмов, приводящих к нарушению работы навигационных систем. С. А. Черноус с коллегами предположили, что 20 точность работы навигационных систем GPS/ГЛОНАС можно существенно повысить, если использовать данные о полярных сияниях как индикатор нарушений. Авторская методология этого коллектива ученых базируется на научном факте, что высыпание протонов и электронов в полярной атмосфере приводит к возбуждению основных эмиссий полярного сияния. Повышение структуризации ионосферы во время полярных сияний ухудшает качество приема сигналов GPS/ГЛОНАС в высокоширотной зоне, что вызывает ошибочное позиционирование, а в ряде случаев – и невозможность определения местоположения объекта. Следовательно, полярные сияния можно использовать как диагностический инструмент для оценки качества приема навигационного сигнала. По сути, полярную атмосферу можно представить как гигантский экран, на котором в виде полярных сияний отражаются географические события ближнего космоса. Для исследований необходимы лишь параметры принимаемых сигналов и параметры полярного сияния. Полярные сияния располагаются над Землей в виде овалов, которые показывают область проникновения частиц из магнитосферы в ионосферу. Планетарную картину овала можно получить с помощью высокоапогейных спутников с оптической аппаратурой – авроральный овал представит мгновенную картину распределения полярных сияний. С. А. Черноус с коллегами проанализировали большое число событий, которые демонстрировали влияние гелиофизических возмущений на качество приема спутниковых навигационных сигналов, обнаружив при этом, что общим явлением при этом является увеличение погрешности позиционирования и нарушение работоспособности системы в целом в случаях, когда полярным сиянием полностью охватывается диаграмма направленности навигационной аппаратуры [20]. 21 ЗАКЛЮЧЕНИЕ Выполненное в курсовой работе исследование позволяет сделать следующие выводы: 1. Не существует единого общепринятого понятия полярного сияния. В зависимости от поставленной в той или иной научной работе задачи формулировка понятия «полярное сияние» может включать в себя ту или иную характеристику, полное сочетание которых обычно содержится в определении, предназначенном для использовании в научных работах универсального характера. 2. Современная, действующая в СССР с 01.01.1964 г. классификация полярных сияний была разработана Специальным комитетом в соответствии с решением Ассоциации геомагнетизма и аэрономии Международного союза геофизики и геодезии. Классификация полностью удовлетворяет научным запросам. 3. М.В. Ломоносов одним из первых предположил, что причиной полярных сияний служат электрические разряды в разреженных слоях атмосферы. 4. По своей физической сущности полярное сияние представляет собой свечение (люминесценцию) верхних слоев атмосферы, вызываемое возбуждением ее молекул и атомов потоком протонов и электронов солнечного ветра и космического излучения. 5. В настоящее время общепризнанной теорией полярных сияний является теория Штермера, достоверно описывающая большинство качественных явлений, связанных с движением частиц в магнитном поле Земли. 6. В работах отечественных и зарубежных исследователей полярных сияний установлено соответствие распределения сияния аврорального овала во времени и пространстве и аналогичных параметров сигналов навигационных спутников. Показано, что 22 использование данных о полярных сияниях в качестве индикатора нарушений работы системы GPS/ГЛОНАС позволяет существенно повысить точность позиционирования в условиях Арктики. 7. Гипотеза исследования, принятая в курсовой работе, полностью подтвердилась. В заключительном слове к курсовой работе следует отметить, что полярные сияния принадлежат к наиболее красивым и масштабным явлениям природы. В России это явление чаще всего наблюдается в северных широтах: в Сибири (плато Путорана), на Шпицбергене, в Ненецком автономном округе, на Кольском полуострове. Однако оно бывает и в южных широтах. Так, к примеру, в ночь с 22 на 23 июня 2015 г. полярное сияние было отмечено в Волгоградской области. В то же время, несмотря на планетарную распространенность этого явления и длительный исторический период его научного изучения, мы еще далеки от решения проблем северного сияния. В настоящее время мы не можем предсказать характер и закономерности предстоящего полярного сияния, не говоря уже о том, чтобы дать количественное описание этому явлению – слишком сложна и многопланова проблема солнечного сияния. У нас нет объяснения тому, что полярные сияния наблюдаются чаще всего морозными ночами. На этот и другие вопросы мы еще должны ответить. Научные исследования полярных сияний следует продолжить … 23 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 1. Александров Н.А. Полярные сияния / Александров Н.А. // Соросовский образовательный журнал. − 2001. – Т.7. − №5. − С. 75-79. 2. Баранов М. И. Антология выдающихся достижений в науке и технике : Часть 29: Первооткрыватели тайн глобальных природных световых явлений / М. И. Баранов // Електротехнiка i Електромеханiка. – 2015. − № 6. – С. 3-13. 3. Белокуров Г.М. Земля, Солнце – генераторы электронов / Г.М. Белокуров // Вестник КемГУ. – 2003. − №3 (47). – С. 165-168. 4. Веселовский И. С. Физика межпланетного и околоземного пространства : учебное пособие / И. С. Веселовский, А. П. Кропоткин. – М. : Университетская книга, 20010. – 116 с. 5. Голина А. Г. Физическое объяснение полярного сияния / А. Г. Голина, Л. П. Глазова // Вестник научного студенческого общества. – 2018. − № 2. – С. 25-27. 6. Заннатов Н.Н. Физика полярных сияний / Н.Н. Заннатов, А.С Осина, А.Е. Аксенова, М.С. Крысин // Достижения науки и образования. – 2017. − №3 (16). 7. Исаев С.И. Полярные сияния и процессы в магнитосфере Земли // Л. : Наука, 1972. – 244 с. 8. Кашлева Л.В. Атмосферное электричество / Л.В. Кашлева : Учебное пособие / Л.В. Кашлева. – СПб. : изд. РГГМУ, 2008. – 116 с. 9. Кирилюк А.И. Перспективы использования полярного сияния в качестве источника энергии для ФЭП / А.И. Кирилюк // Современные инновации / Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана. – 2017. – №5 (19). – С. 17-21. 24 10. Кислякова Ю.В. Сила Солнца / Ю.В. Кислякова // Бюллетень медицинских Интернет-Конференций. − 2015. – Том 5. − №11. – С. 1341-1344. 11. Козелов Б.В. Природа полярных сияний и подходы к описанию структуры аврорального свечения / Б.В. Козелов // Математические исследования в естественных науках. Труды VII Всероссийской (с международным участием) научной школы, посвященной 300-летию со дня рождения М.В. Ломоносова. Апатиты, геологический институт Кольского НЦ РАН, Кольское отделение РМО, 3-6 октября 2011 г. / Ред. Ю.Л. Войтеховский. – Апатиты : Изд-во К&М, 20011. – 168 с. 12. Ломоносов М. В. Полное собрание сочинений / М. В. Ломоносов. – М. ; Л. : Изд-во АН СССР, 1952. – Т.3. – С. 15-99. 13. Ломоносов М. В. [Сообщение о наблюдениях, подтверждающих электрическую природу северного сияния] / М. В. Ломоносов ; пер. Я. М. Боровского // Полное собрание сочинений / М. В. Ломоносов ; АН СССР. – М. ; Л., 1952. – Т.3. Труды по физике и химии, 1753-1756 гг. – С. 477-479. 14. Панасюк М.И. Космический практикум / М.И. Панасюк [и др.]. − Первое издание. – М. : Издательство УНЦ ДО, 2005. – 181 с. 15. Панасюк М.И. О планетарном распределении полярных сияний / М.И. Панасюк, Е.А. Романовский, В.И. Тулупов // Вестник Российской Академии Наук . – М. : Издательство Российской Академии Наук, 2013. – Т. 83, № 5. – С. 437-442. 16. Путешествие в страну Поэзия: Поэзия – школе : в двух книгах. – Л. : Лениздат, 1975. Т.1. – 416 с. 17. Филатов М. В. Особенности приема навигационных сигналов на Шпицбергене в условиях развития полярных сияний / М. В. Филатов, М. В. Швец, С. А. Черноус // Труды Кольского научного центра РАН, 2016, − № 4-2 (38), − С. 85-91. 25 18. Филатов М. В. Полярные сияния как индикатор устойчивости сигнала GPS-приемника / М. В. Филатов [и др.] // Труды Кольского научного центра РАН, 2015. − № 6 (32). – С. 93-100. 19. Черноус С.А. Полярные сияния в трудах М.В. Ломоносова / С.А. Черноус // Труды фейнмановской научной сессии ГИ КНЦ РАН / Полярный геофизический институт КНЦ РАН. – 2012. − № 9. – С. 126-131. 20. Черноус C. А. Навигация GPS/ГЛОНАС в Арктике и полярные сияния / А. С. Черноус, И. И. Шагимуратов, Б. А. Вульфович, Н. В. Калитёнков // Вестник МГУ, 2016. − № 4. – С. 806-812. 21. Jin Y., Moen J. I., Miloch W. J. GPS scintillation effects associated with pilar cap patches and substorm auroral activity: direct comparison // J. Space Weather Space Clim. 2014. 4. A23. 26 ПРИЛОЖЕНИЕ А Таблица 1 – Классификация полярных сияний Характеристика Форма Структура Яркость Положение Активность Характер Цвет Содержание характеристики Элементарные формы: 1. Неизменяющиеся дуги и полосы, проходящие через небосвод; 2. Лучи переменной длины; 3. Неправильные диффузные пятна; 4. Однородные поверхности большого размера. Виды структур: 1. Однородная структура, у которой отсутствуют явно выраженные детали свечения; 2. Волокнистая структура сияния, состоящая из совокупности волокон или нитей. В международной шкале яркость сияния оценивается в баллах: 1 балл – слабо различимое сияние; 2 балла − легко различимое сияние; 3 балла – четко различимое сияние; 4 балла – очень яркое сияние. Координаты, характеризующие положение полярного сияния на небосводе – угловая высота над горизонтом и азимут. Азимут сияния определяется относительно точки геомагнитного севера. Активность сияния характеризует скорость изменения его формы, интенсивность и положение сияния. Различают следующие классы полярных сияний: 1. Класс q – спокойное сияние; 2. Класс а − активное сияние Подклассы: а1 – перемещающееся или движущееся волнообразно сияние; а2 – сияние с быстрым изменением очертанием нижнего края; а3 – сияние с быстрым горизонтальным движением лучей; а4 – сияние, для которого характерно быстрое исчезновение одних форм, в то время как возникают новые формы; 3. Класс p – пульсирующие сияния. Различают четыре вида пульсаций: р1 – сияния, у которых яркость изменяется одновременно по всей площади сечения; р2 – пламенные сияния; р3 – мерцающие сияния; р4 - струящиеся сияния. В характере сияния различают следующие особенности: m − кратность, выражающаяся в появлении нескольких однотипных форм сияний; f – фрагментарность полос и дуг; с – веерообразное сияние в зените (корона). Наиболее часто встречающиеся цвета свечения: красный цвет в верхней части сияния и зеленый цвет – в нижней; красный цвет в нижней части сияния и зеленый цвет – в верхней; белесый или желто-зеленый цвет сияния; красный цвет всего сияния; чередование или беспорядочное распределение красных и зеленых цветов; голубой или фиолетовый цвет сияния. По материалам [7, с. 7-9] 27
