III Международный конкурс
научно-исследовательских и творческих работ учащихся
«СТАРТ В НАУКЕ»
 
     

ПОЛЯРНОЕ СИЯНИЕ В КИЗЕЛОВСКОМ МУНИЦИПАЛЬНОМ РАЙОНЕ
Михалев А.А.
Текст научной работы размещён без изображений и формул.
Полная версия научной работы доступна в формате PDF


Нет слов, которыми можно описать это явление природы. В ночной тишине, наблюдая за игрой красок, кажется, что слышишь, как “шуршит” сияние, перелистывая свои страницы. Северное (полярное) сияние – одно из самых потрясающих природных явлений, равных по красоте которому просто нет! Долгие годы ответить на вопрос «Почему возникает северное сияние?» никто не мог.

С северным сиянием связанно множество мифов и легенд. Наши предки, не понимая природы некоторых явлений, связывали их с чем-то мифическим, порой божественным. Так, эскимосы считали, что огни в небе были душами китов, тюленей, а индейцы Канады полагали, что это искры огромного костра, который в небе зажигал «Большой дух».[5]

У нас на Руси сияния прозвали пазорями или сполохами – от слова «зоря» и от слов «полошить», «тревожить». К примеру, воины Александра Невского, сражавшиеся в 1242 году на льду Чудского озера с немецкими рыцарями сочли северное сияние полками божьего воинства, прибывшими на помощь. В норвежской мифологии часто упоминается мост Бифрост – горящая дрожащая арка, пересекающая небо, по которой боги могли спускаться с неба на землю. Лучи полярных сияний восприняты как огни, которые несут валькирии.[4]

23января 2012 года в Кизеловском муниципальном районе можно было наблюдать явление необычайной красоты - это полярное (северное) сияние. Причина его появления для многих неясна, но данная тема вызывает интерес.

В ходе исследования была выдвинута гипотеза, что Северное сияние при определенных условиях может наблюдаться в Кизеловском муниципальном районе, находящемся в умеренных широтах.

Цель исследовательской работы: выявление причин образования северного сиянияв Кизеловском муниципальном районе.

Для достижения цели были поставлены следующие задачи:

  • ознакомиться с понятием «северное (полярное) сияние»;

  • анализ теоретического материала по теме исследования;

  • провести опрос учащихся МБОУ СОШ №1 для выявления интереса к теме исследования;

  • определить районы распространения северного сияния;

  • выявить причины образования северного сияния;

  • провести эксперименты, подтверждающие гипотезу.

В работе были использованы следующие методы исследования:

  • метод анализа и синтеза;

  • наблюдение;

  • эксперимент;

  • социологический;

  • обобщение.

Данной теме посвящены работы русского ученого М. В. Ломоносова, профессора физики Университета Калгари Эрика Донована, физика Александра Чижевского. Авторы определили, что для появления северного (полярного) сияния необходимо сочетание определенных условий.

«Пылающее небо».

…Радугой сияние – ночной,

Кружевной вуалью – проплывает

И волной небесной нас с тобой,

Словно покрывалом, накрывает…

Н. Языкова

При изучении различных источников информации были выделены следующие понятия:

Полярное сияние (северное сияние) – это свечение верхних слоев атмосфер планет, обладающих магнитосферой, вследствие их взаимодействия заряженными частицами солнечного ветра. Солнечный ветер— поток заряженных частиц (в основном гелиево-водородной плазмы), истекающий из солнечной короны со скоростью 300—1200 км/с окружающее космическое пространство. Является одним из основных компонентов межпланетной среды.[8]

Полярное сияние - свечение верхних разреженных слоев атмосферы, вызванное взаимодействием атомов и молекул на высотах 90-1000км с заряженными частицами больших энергий (электронами и протонами), вторгающимися в земную атмосферу из космоса.[5]

Полярное (северное) сияние — естественное явление в высоких широтах южного и северного полушарий Земли, так называемых «аврориальных овалах». Отсюда происходит и научное название сияний «Aurora Australis».

Полярные сияния чаще всего можно наблюдать зимой. Видимо, это мнение сложилось от того, что полярные сияния в России очень часто называют «северными сияниями» (по названию полушария, где его наблюдали), а север у нас ассоциируется с морозом, снегом и, соответственно, зимой. На самом деле полярные сияния чаще всего происходят весной и осенью, в периоды, приближенные к весеннему и осеннему равноденствию, они повторяются в виде циклов, чья продолжительность составляет примерно 27 дней и11 лет.[6]

Так почему возникает северное сияние? Происхождение полярных сияний начинается на поверхности Солнца, которое «выбрасывает» облако газа. Ученые называют это «корональным выбросом массы» (Рис.1). В течение двух – трех дней такое облако достигает магнитного поля Земли (Рис. 2). Такая «встреча» вызывает сложный процесс движения заряженных частиц вдоль магнитных силовых линий в полярных зонах. В этот момент (при столкновении с атомами азота и кислорода) появляется то самое, ослепительное северное сияние.[2]

Взрыв на Солнце. Рис. 1

Магнитные и географические полюса Земли. Рис.2

Северное сияние возникает на высоте 80 – 1000 км и длится от одного часа до суток. Причём, чем выше активность Солнца, тем интенсивнее и дольше будет северное сияние на Земле. Обычно, северное сияние окрашивает небо, словно закат, но иногда возникает в виде спиралей или дуг. Эти цветные ленты имеют ширину до 160 км, и длину примерно 1500 км.

Северное сияние открывается жителям северных стран: Норвегии, Швеции, Финляндии, Исландии, Канады, России. Также его можно наблюдать в Антарктиде (Рис. 3, 4).

Область распространения полярного сияния в Южном полушарии. Рис.3

Область распространения полярного сияния в Северном полушарии. Рис.4

Не во всех уголках мира можно увидеть это уникальное явление, чаще всего вблизи магнитных полюсов. Это объясняется тем, что геомагнитное поле Земли отклоняет большую часть потока заряженных частиц, идущих от Солнца, и лишь некоторые всё же попадают в атмосферу Земли, но только над полюсами.

У северного сияния много цветов. Его цвет зависит от того, с частицами какого газа произошло взаимодействие солнечного ветра, вернее, в каком слое атмосферы Земли произошло столкновение. Если слой выше 150 км, то цвет северного сияния будет красным, 120-150 км – жёлто-зелёным и если ниже 120 км, то фиолетово-синим. Самым частым является бледно-зелёное северное сияние.(Рис.5)

Полярное сияние. Рис.5

Интенсивность свечения полярного сияния определяется по принятой международной шкале в пределах I–IV баллов. Сияния с низкой интенсивностью свечения не кажутся человеческому глазу разноцветными, т.к. цветовая гамма в них ниже порога нашего восприятия. Полярные сияния с интенсивностью в четыре балла воспринимаются как цветные, - чаще как желто-зеленые, реже красные и фиолетовые.

Чтобы увидеть Северное сияние во всей его красе, нужно выбрать период наивысшей активности Солнца. К тому же, это должна быть морозная, ясная ночь, и лучше, если вы будете проводить наблюдения вдали от города. Чаще всего северное сияние появляется в период с октября по январь. Ещё одна помеха для наблюдения северного сияния – полная луна.

В спектре полярных сияний Земли наиболее интенсивно излучение основных компонентов атмосферы — азота и кислорода, при этом наблюдаются их линии излучения, как в атомарном, так и молекулярном состоянии. Самыми интенсивными являются линии излучения атомарного кислорода и ионизированных молекул азота. Северное сияние имеет различные цвета от темно-зеленого до ярко-фиолетового(Рис.6).

Северное сияние.Рис.6

2. Причины появления полярного сияния

в Кизеловском муниципальном районе.

Для выявления интереса учащихся МБОУ СОШ №1 г. Кизела к полярному сиянию, его возникновения был проведен опрос, в котором приняли участие 39 человек.

Результаты опроса.

Вопрос 1. Ваш возраст.

Рис. 7

В опросе приняли участие ученики 4 -5 классов.(Рис.7)

Вопрос 2. Знаете ли вы, что такое «полярное сияние»?

Рис. 8

Большинство учащихся имеют представление о полярном сиянии, знают что такое «полярное сияние».(Рис.8)

Вопрос 3. Что такое «полярное сияние»?

Рис. 9

Большая часть респондентов затрудняется дать точное определение полярного сияния. (Рис.9)

Вопрос 4. Видели ли Вы «полярное сияние»?

Рис. 10

Часть ребят видели полярное сияние (наблюдали в г. Кизеле).(Рис. 10)

Вопрос 5. Как вы думаете, почему возникает полярное сияние?

Рис. 11

Большинство учащихся затрудняются указать точную причину возникновения полярного сияния. (Рис. 11)

Вопрос 6. Интересно ли Вам узнать что-то новое о полярном сиянии?

Рис. 12

Большинству респондентов интересно узнать новое о полярном сиянии. (Рис.12)

Таким образом, можно сделать вывод, что знания учащихся о полярном сиянии недостаточны, данная тема вызывает интерес у ребят.

О природе полярного (северного) сияния задумывался М. В. Ломоносов:

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? [1]

Ему удалось разгадать тайну появления полярного сияния. Именно этот выдающийся учёный первым предположил, что природа этого явления электрическая. Чтобы доказать это предположение, заполнили несколько колб следующими газами: азотом, водородом, неоном, аргоном и рядом других разреженных газов. После, через эти газы был пропущен электрический ток, и каждый из них засветился своим, уникальным цветом.

Для наглядного доказательства образования полярного сияния при ионизации газов был проведен опыт. (Приложение 3)

19 января 2012 года на Солнце наблюдалась повышенная активность. Для примера в 2012 году было зафиксировано 36 дней с бурями, а это получается, больше 10% года прошли в условиях увеличенной геомагнитной активности (Рис.13). Такая активность привела к усилению солнечного ветра, проникновению большого числа заряженных частиц в верхние слои атмосферы. Как следствие полярные сияния из-за смещения магнитных полюсов наблюдались не только в полярных областях, но и на более низких широтах. [7]

Активность Солнца. Рис. 13

23 января 2012 года в Кизеле была ясная морозная погода, штиль. [3] (Приложение 2)

Все эти факторы повлияли на появление полярного сияния в Кизеловском муниципальном районе.

Заключение

С Северным сиянием связано ещё немало загадок и тайн. Сейчас учёные пытаются разобраться, сопровождается ли северное сияние звуковым эффектом? В этом вопросе их мнения расходятся.

Северное сияниемистическое, непредсказуемое и красивое небесное свечение, внезапно появляющееся и точно так же внезапно исчезающее. Это зрелище захватывает дух, и может продолжаться от десяти минут до нескольких суток. В один миг появляются бегущие цветные лучи и полосы или на всем небосводе с востока на запад вспыхивает многоцветныйпульсирующий занавес.Упоминания о сияниях можно встретить в трудах Плиния, Аристотеля, Сенеки. Долгое время полярные сияния рассматривали как проявление сверхъестественных сил.

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

Опрос, проведенный среди учащихся МБОУ СОШ №, показал, что данная тема интересует респондентов. Большинство из опрошенных имеют представление о северном сиянии, но не могут назвать причин его образования. Результаты исследовательской работы помогут учащимся получить больше информации об этом загадочном явлении, их можно использовать на уроках физики и классных часах.

В ходе выполнения работы были проанализированы различные источники информации по теме, дано определение понятию - Полярное (северное) сияние.

Полярное сияние - свечение верхних разреженных слоев атмосферы, вызванное взаимодействием атомов и молекул на высотах 90-1000км с заряженными частицами больших энергий (электронами и протонами), вторгающимися в земную атмосферу из космоса. Чаще всего полярные сияния встречаются

Также были выявлены причины появления полярного сияния в земной атмосфере:

  • Частота и интенсивность полярных сияний четко следует солнечному циклу: в максимуме солнечной активности редкий день обходится без сияний в земной атмосфере, в минимуме они могут отсутствовать месяцами. В период появления полярного сияния в Кизеле на Солнце наблюдалась высокая активность.

  • Заряженные частицы, попадая в магнитное поле Земли, могут достигать ее атмосферы вполярных областях. Под действием заряженных частиц электроны ионосферы нагреваются в электрическом поле до энергий, при которых начинается ионизация встолкновениях с атомами и молекулами, появляется свечение. При усилении солнечного ветра полярныесияния могут наблюдаться в более низких широтах, в том числе на широте Кизела.

  • Поверхность Земли – не лучшее место для наблюденияза полярнымисияниями, т. к. могут помешать солнце, облака, искажение за счет плотныхслоев атмосферы. Полярные сияния чаще наблюдаются втихую ясную погоду, именно такая погода была в Кизеле 23.01.2012года.

Был проведен экспериментдля наглядного доказательства электрической природы возникновения полярного сияния.

Современные российские и французские ученые смогли создать искусственное полярное сияние. Эксперимент «Аракс» был начат в 1985 году на острове Кергелен и пос. Согра Архангельской области. С Кергелена была запущена ракета с небольшим ускорителем частиц, который на определенной высоте создал поток электронов. Эти электроны проникли в северное полушарие и вызвали полярное сияние в районе поселка Согра. Изучение полярных сияний будет продолжено, они сохранили репутацию одного из самых ярких явлений природы.

Библиографический список

  1. www.filipoc.ru

  2. www.hotshowlife.com

  3. www.kizel.nuipogoda.ru

  4. www.liveinternet.ru

  5. www.molomo.ru/myth_light.html

  6. www.pochemu-da-pochemu.ru

  7. www.ruqrz.com/aktivnost-solntsa-sejchas-i-v-sleduyushhi

  8. www.Wikipedia.org.ru

Приложения

Приложение1

Географическое положение города Кизела.

Карта Пермского края

Координаты - 59 град 03 мин 14.40 сек северной широты, 57 град 39 мин 09.09 сек восточной долготы.

Кизел расположен в 244 км от Перми в западных предгорьях Среднего Урала на реке Кизел, притоке реки Вильвы бассейна реки Яйвы. Кизел является железнодорожной станцией линии Чусовская - Соликамск. Кизелу подчинена территория площадью 1314,3 кв. км с 5 поселками городского типа и 6 сельскими населенными пунктами. Кизел является центром Кизеловского угольного бассейна, одним из крупнейших узлов Кизеловско-Губахинского промрайона.

Приложение 2

Погода 23.01.2012года в г. Кизел Пермского края

             

Пн23 Янв

 

00:00

-24°

штиль

756мм рт.ст.

 
 

03:00

-29°

штиль

756мм рт.ст.

 
 

06:00

-25°

штиль

757мм рт.ст.

 
 

09:00

-31°

штиль

756мм рт.ст.

 
 

12:00

-27°

штиль

756мм рт.ст.

 
 

15:00

-16°

штиль

757мм рт.ст.

 
 

18:00

-19°

штиль

757мм рт.ст.

 
 

21:00

-23°

штиль

757мм рт.ст.

 
 

24:00

-24°

штиль

757мм рт.ст.

 

Приложение 3

Проведение опыта, доказывающего образование свечения при прохождении заряженных частиц через газы.

Для опыта взяли трубки наполненные газами, источник электрического тока. Через трубки с газом пропустили электрический ток, в результате появилось свечение.

Прохождение электрического тока через гелий.

Прохождение электрического тока через неон.

Прохождение электрического тока через криптон.