«Полярное сияние над Мордовией: реальность или вымысел?» (исследовательская работа) 11 класс

Муниципальное бюджетное образовательное учреждение

«Средняя общеобразовательная школа №9»

Рузаевского муниципального района Республики Мордовия

ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ РАБОТА

«ПОЛЯРНОЕ СИЯНИЕ НАД МОРДОВИЕЙ:

РЕАЛЬНОСТЬ ИЛИ ВЫМЫСЕЛ?»

Автор работы: Щербаков Владислав,

11 класс, МБОУ «СОШ №9»

Рузаевского муниципального района

Республики Мордовия

Руководитель: Ермакова М.Н.,

учитель географии

Рузаевка 2012

Содержание

Введение……………………………………………………………………….3

1. Полярное сияние: как оно образуется?…………………………………………5

2. Высотное и широтное распространение: кольцо сияний………………6

3. Возможность наблюдать полярное сияние над Мордовией:

реальность или вымысел?………………………………………………………….7

4. Особенности полярного сияния в средних широтах:

как наблюдать?……………………………………………………………………….11

5. Полярное сияние и приметы: что они предвещают?………………………12

Заключение………………………………………………………………….…14

Литература………………………………………………………………………16

Введение

«В течение получаса над мордовской деревней Старое Заберезово, что в четырех километрах от Краснослободска, местные жители наблюдали редкое природное явление — северное сияние. По утверждению старожилов, последствия этого видения могут быть самыми страшными.

В 21.30 на небе начало происходить удивительное зрелище: звездное небо озарялось столбами то красного, то зеленого цвета. На севере, в стороне от Сарова, были заметны сразу два столба — багрово-красный и зеленоватый. Спустя несколько минут там же появились горы менее насыщенного зеленого цвета. По рассказам старожилов, в селе до войны наблюдалось четыре кровавых столба вокруг деревни» [1].

Так что же за явление наблюдали жители Краснослободского района?

Цель работы: доказать возможность наблюдения полярного сияния над территорией Мордовии.

Задачи:

1. Изучить световое явление полярного сияния, причину их происхождения.

2. Изучить вопрос о циклах солнечной активности и провести сопоставление циклов с датами полярных сияний над республикой Мордовия

3. Провести анализ полярного сияния в средних широтах России

4. Сопоставить народные приметы с показателями погоды в период наблюдения полярного сияния в средних широтах

5. Изучить методы и способы наблюдения полярного сияния над республикой Мордовия

Методы исследования: работа с литературными источниками, Интернет-ресурсами, метод анализа, объяснение, описание природных явлений с точки зрения правил, законов, теорий

Объект исследования – полярное сияние

Полярное сияние —  поразительное явление свечения, наблюдаемое на небе, чаще всего в полярных областях. В Северном полушарии его называют также северным сиянием, а в высоких широтах Южного полушария – южным. Предполагается, что этот феномен существует также и в атмосферах других планет, например Венеры. Природа и происхождение полярных сияний – предмет интенсивных исследований, и в этой связи были разработаны многочисленные теории.

Работа актуальна. Я заинтересовался явлением полярного сияния в атмосфере над Мордовией, т.к. публикаций по данному вопросу нет. Тема интересна и неоднозначна. Некоторые ученые склоняются к версии, что возможность наблюдения полярного сияния над территорией республики вполне допустима, в то время, как группа других исследователей отрицают это. Материал имеет большую ценность в качестве дополнения краеведческого материала в курс краеведения 6 класса, географии 6, 8 класса, для уроков физики, т.к. раскрывает причины происходящих явлений, дополняет материал.

1. Полярное сияние: как оно образуется?

Земля — это гигантский магнит. Когда заряженные частицы, которые летят во все стороны от нашего Солнца, долетают до окрестностей Земли, они начинают взаимодействовать с ее магнитным полем. Магнитное поле не дает им прорваться к поверхности планеты и отклоняет к магнитным полюсам. Частицы разгоняются и врезаются в атмосферу на большой высоте, вызывая свечение газа.

Полярное сияние — это свечение, возникающее в ионосфере на высотах 100-700 км, чаще зеленое, реже с красно-розовыми и беловато-зеленоватыми оттенками. Иногда упоминается экзотика – «черные» сияния, но это скорее резкие провалы свечения на фоне обычного.

Другие названия: Аврора, Северное сияние, Сплох (сев. России).

Спектры полярных сияний зависят от состава атмосфер планет: так, например, для Земли наиболее яркими являются линии излучения возбуждённых кислорода и азота в видимом диапазоне.

География областей, в которых возможно появление полярных сияний, определяется на самом деле не географическими координатами, а геомагнитными.

Поскольку магнитные полюса Земли не совпадают с географическими, то и геомагнитные координаты отличаются от географических.

Сияния возникают только при определенных условиях, связанных с возмущениями геомагнитного поля (геомагнитные бури) и состоянием ионосферы Земли, которые, в свою очередь, в основном зависят от поведения Солнца — вспышек на солнце, но не только.

Основные причины, способные вы звать или повлиять на возникновение геомагнитных бурь:

1. Вспышки на Солнце;

2. Выбросы корональной массы, т.е. ускоренные облака заряженных частиц солнечной короны — часто связаны со вспышками, но не всегда;

3. Корональные дыры (открытые магнитные структуры на Солнце) и порождаемые ими высокоскоростные потоки солнечного ветра;

4. Секторная структура межпланетного магнитного поля;

5. Предшествующее состояние магнитного поля Земли.

Каждый из этих факторов подробно отслеживается, большинство данных отображается в интернете. Например, для просмотра активности солнца можно воспользоваться одним из интернет сервисом https://www.tesis.lebedev.ru/sun_flares.html

2. Высотное и широтное распространение: кольцо сияний

На Земле полярные сияния наблюдаются преимущественно в высоких широтах обоих полушарий в овальных зонах-поясах, окружающих магнитные полюса — авроральных овалах. Диаметр этих овалов составляет около 3000 км.; Полярным сияниям свойственна сезонность — весной и осенью они возникают заметно чаще, чем зимой и летом. При наблюдении с поверхности полярное сияние проявляется в виде общего быстро меняющегося свечения неба или движущихся лучей, полос, корон.

Поскольку магнитные полюса не совпадают с географическими, поэтому зона самых интенсивных полярных сияний приходится на Лапландию. Так же смещена и зона наибольшего числа полярных сияний — в Северной Америке они полыхают примерно на 900 километров южнее, чем в России или Финляндии.

Зона наивысшей частоты наблюдения этого феномена проходит через север Норвегии, захватывает часть Швеции, всю финскую Лапландию, российский Кольский полуостров и, проходя севернее Архангельска, через Ямал, Таймыр (с Норильском) тянется к Чукотке.

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

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

Полярные сияния могут проявляться и вне упомянутых зон. Исторические материалы свидетельствуют о том, что полярные сияния иногда отмечались даже на весьма низких широтах, например, на п-ове Индостан.

3. Возможность наблюдать полярное сияние над Мордовией: реальность или вымысел?

В годы наивысшей солнечной активности полярное сияние наблюдали не только в средних широтах, но и ближе к экватору: в Египте и Индии, в Мексике и Одессе.

Все просто – такого рода свечение верхних слоев атмосферы возникает при «бомбардировке» их заряженными частицами, приходящими из космоса, прежде всего – от Солнца (солнечный ветер). Большинство заряженных частиц, летящих к Земле, как и положено по законам физики, отклоняются вдоль его силовых линий к магнитным полюсам – северному и южному. Когда заряженных частиц много и скорость их велика – велик шанс, что большой части их удастся прорваться и в верхнюю атмосферу над средними широтами, и южнее. При таком взаимодействии потока солнечного ветра заодно возникает и пресловутая магнитная буря.

Большие выбросы плазмы на Солнце происходят во время вспышек, частота их колеблется с периодом в 11 лет – в годы минимума активности может не быть ни одной, сейчас же солнце наше проснулось от спячки – вспышки на нем происходят практически непрерывно. Но, чаще всего, слабые. Мощные случаются даже не каждый месяц, и выбросы не всегда направлены в сторону Земли.

5 августа 2011 г. На Земле началось умеренная магнитная буря – самая сильная за последние 5 лет. В это же время полярное сияние было отмечено в средних широтах Европейской территории СНГ. Полярное сияние наблюдалось в Витебске, Смоленске, Туле, Малоярославце, а также в Поволжье.

Индекс КР

К-индекс – это отклонение магнитного поля Земли от нормы в течение трехчасового интервала. Индекс был введен Дж. Бартельсом в 1938 г. И представляет собой значения от 0 до 9 для каждого трехчасового интервала (0-3, 3-6, 6-9 и.т.д.) мирового времени.

Кр-индекс – это планетарный индекс. Кр вычисляется как среднее значение К-индексов, определенных на 13 геомагнитных обсерваториях, расположенных между 44 и 60 градусами северной и южной геомагнитных широт. Его диапазон также от 0 до 9.

Чем сильнее «возмущается» магнитное поле Земли, тем выше значение Kp. Для каждого значения геомагнитной широты места наблюдения примерно известно значение Kp, при котором ПС будет наблюдаться.

Качественно состояние магнитного поля в зависимости от Кр-индекса можно приблизительно охарактеризовать следующим образом:

Кр<=2 – спокойное

Кр=2,3 – слабовозмущенное

Кр=4 – возмущенное

Кр =5,6 – магнитная буря

Кр>=7 – сильная магнитная буря

Возмущения уровня Кр=3 бывают довольно часто, но это не магнитная буря. Начиная с 4 и далее до 9 — это магнитная буря, которая и сопровождается полярными сияниями в авроральной зоне. 

Магнитные бури с индексом Кр=9 за 11-летний период солнечной активности бывают до 4-х раз.

Когда говорится о солнечной активности, то подразумевается целый комплекс событий, отражающих динамику магнитного поля на Солнце. Говоря же об 11-летнем цикле активности, имеется в виду, что в среднем через каждые 11 лет пространственная конфигурация магнитного поля Солнца с той или иной степенью точности повторяются.

В годы минимума на Солнце долгое время может не быть ни одного пятна, а в максимуме их число обычно измеряется десятками. Последний максимум солнечной активности, с многими пятнами и факелами, наблюдался в 2011 г. В 2000-2001 гг. их было очень много, поскольку на этот период пришелся пик цикла солнечной активности. В середине 2000-х гг. солнечных пятен было относительно немного. В 2011 г. плотность пятен снова была наибольшей. В годы повышения солнечной активности увеличивается и количество полярных сияний.

Многочисленные источники зафиксировали в марте, августе-октябре 2011 года полярное на широте 55°. Авроральное кольцо располагается несимметрично относительно Северного полюса, оно смещается в сторону геомагнитного полюса Земли, однако в период повышенной активности Солнца границы этого кольца опускаются до наших широт (вплоть до Орловской, Курской, Челябинской областей).

Наблюдать полярное сияние над нашей республикой можно на пике 11-летнего солнечного цикла активности и во время солнечных бурь максимальной интенсивности.

Что касается исторических предпосылок, то в Темниковском уездном училище в XIX веке ученым удалось увидеть это природное явление – многодневное северное сияние.

О наблюдении полярного сияния над Мордовией в 2001 г. свидетельствует и Юрий Малыханов, преподаватель теоретической физики МГПИ им.М.Е. Евсевьева: «Всех заранее предупреждали о том, что из-за сильной активности Солнца северное сияние может дойти и до средних широт. Явление для наших мест очень редкое, такого давно не было. Специально следил несколько ночей подряд за этим явлением и дождался. Продолжалось оно всего несколько минут. Около полуночи 31 марта в северной и западной стороне виднелось багровое свечение. На севере оно было более отчетливо заметно. Это в первую очередь связано с магнитными бурями, когда из радиационных полей выбрасываются частицы, которые в дальнейшем ионизируются. Кстати, некоторые преподаватели института лично рассматривали Солнце через темное стекло. Большое пятно на Солнце было заметно даже невооруженным глазом. Из-за него и произошло это явление. Есть данные, что из-за сверхактивности Солнца сияние наблюдалось довольно долго даже в Средней Азии».

При стечении благоприятных природных условий на наших широтах полярное сияние – это нормальное явление. Если использовать специальную аппаратуру, то фиксировать полярное сияние на территории Мордовии можно довольно часто.

4. Особенности полярного сияния в средних широтах: как наблюдать?

Если вы задались целью увидеть полярное сияние над Мордовией — то нужно следить за рентгеновской активностью солнца — отслеживать прогноз погоды, где говорится о магнитных бурях.

Чтобы увидеть полярное сияние, нужно выезжать загород. Если магнитная буря будет слабой или даже средней (Кр=4-7), в городе вы ничего не заметите. Если прогнозируется экстремально сильная (Кр=8-9), можно наблюдать и в городе, хотя такие бури бывают редко.

Чаще всего бури бывают слабые и почти незаметны для невооруженного глаза. 

Нужно искать столбы света. Они очень быстро движутся и исчезают. Потом снова появляются.

Существует статистика, указывающая на то, что чаще наблюдения приходятся на время незадолго до местной полночи, плюс минус пару-тройку часов. 

Если мы живем к югу от аврорального овала, то смотреть нужно на север, ожидая увидеть в начале активной фазы зеленую дугу, надеясь на ее развитие.

Очень редко, история такие случаи упоминает, сияние уходит далеко на юг, тогда не только в северном направлении, но и над головой и в южной стороне можно созерцать небесную феерию. В этом случае и цветовая гамма будет побогаче, чаще насыщаясь пурпуром, и динамика поэнергичней. 

Именно в такой ситуации можно увидеть над головой лучистую форму сияния в виде короны, когда из одной точки неба выходят лучи света, переливаясь, вздрагивая и пульсируя, порой вызывающее жутковатое ощущение нахождения «под колпаком» у какого-то сверх естественного разума.

5. Полярное сияние и приметы: что они предвещают?

Вернемся к наблюдениям сияния жителями деревни Старое Заберезово. Вот как описывает свои впечатления Денис Тюрькин: «Все, что раньше видел по телевизору и на картинках, нисколько не похоже на то, что увидел в тот вечер». Парень поначалу даже испугался, один не решился идти за двор для лучшего обозрения. Еще больше его смутили слова бабки: «Дениска, война, наверно, скоро будет» [1].

Полярные сияния, или Aurora Borealis, описывались еще древними философами — Аристотелем, Плинием Старшим. Философы пытались понять природу этого свечения — например, предполагали, что это особое свечение льда, который накопил в себе дневной свет. Широкие же массы просто видели в них проявление воли богов и иных сверхъестественных сил. Появление сияний воспринималось как предвестник катастрофы — убийств, голода, эпидемий, кровавых войн. И действительно, наблюдались сияния и перед падением Иерусалима, и перед смертью Гая Юлия Цезаря.

В годы Возрождения и после Великой французской революции над этими верованиями стали просто смеяться. Однако в ХХ веке все вновь повернулось — стало понятно, что полярные сияния являются индикатором сложных процессов, которые влияют, в том числе, и на людей.

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.

Что такое полярное сияние? Это кванты света, которые выделяются от столкновения заряженных частиц с молекулами кислорода и азота на высотах от 90 до 600 километров. Частицы эти выбрасывает Солнце весьма непостоянно. Во время его активности поток частиц резко усиливается. Сияния становятся ярче — примерно в 10 раз, их свет становится соизмерим по яркости со светом полной Луны.

Верхние слои атомосферы нагреваются, образуются огромные по своим масштабам, но очень медленные восходящие потоки. Магнитное поле Земли испытывает возбуждение — начинается магнитная буря. Резко ухудшается радиосвязь, в планете индуцируются мощные электротоки. Все это оказывает заметное влияние на человека: люди начинают в это время испытывать беспокойство, тревогу, агрессию или, наоборот, впадают в ступор. Так что, хотя сами по себе полярные сияния не вредят здоровью, они показывают, что планета под властью магнитного шторма и нужно быть немного осторожнее, чем обычно.

Располагая современными научными фактами, теперь мы можем сказать, что если кровавое полярное сияние видели в Риме и Иерусалиме, что гораздо южнее их обычного распространения, то можно уверенно говорить о солнечной активности небывалой силы, которая стимулировала сверхмощную геомагнитную бурю, которая в свою очередь стимулировала негативные процессы в живых организмах Земли и, как следствие, привела к социальным потрясениям.

Заключение

К сожалению, далеко не каждому жителю средней полосы России удается хотя бы раз в жизни увидеть это природное представление. В большинстве случаев полярные сияния появляются в пределах двух нешироких колец вокруг магнитных полюсов Земли. Лишь в годы максимума солнечной активности эти пояса могут спускаться до средних широт, а иногда и еще ближе к экватору.

Причина, по которой сияния появляются лишь недалеко от полюса, в самой природе этого явления и структуре магнитного поля Земли. Свет полярных сияний испускают по большей части атомы и ионы кислорода (зеленая и красная линия) и азота (лиловые оттенки), возбужденные ударами электронов, которые скользят вдоль магнитных линий. Земное магнитное поле похоже на поле постоянного магнита и к атмосфере спускается только в полярных областях. Поэтому только здесь электроны, которых уйма в радиационных полюсах Земли, могут столкнуться с атомами и спровоцировать полярное сияние.

Тем не менее, полярные сияния над Мордовией происходят чаще, чем это официально зафиксировано. В среднем, в годы активности полярные сияния на широтах Мордовии происходят до 5 раз в год. Мы их не все знаем, т. к. не знаем об этом, не ведём регулярные наблюдения, часто небо затянуто облаками (погодные условия).

Зная, что в годы повышенной солнечной активности над республикой Мордовия можно наблюдать полярные сияния, мы можем предсказывать годы, когда их можно будет наблюдать: 2011-2013гг, 2021-2023 и т.д. Полярные сияния могут быть за год до пика и после, т.к. идёт увеличение солнечной активности.

Регулярное наблюдение за сияниями, их предсказание становится особенно важно в современное время, в век сердечно-сосудистых заболеваний, в век Интернета и мобильной связи.

В годы солнечной активности увеличивается интенсивность магнитных бурь, что сказывается на здоровье населения. Синоптическая служба уже предупреждает население о данных явлениях. Я предлагаю, в годы повышения солнечной активности:

1. Ознакомить население с данными явлениями через средства массовой информации, например, серия телепередач «Полярные сияния», «Влияние Солнца на Землю», «Человек и Солнце» и т.д.

2. Предупредить население о возможных сбоях работы Интернета, радиосигналов, техники, организма человека уже в 2012-2013гг.

Литература

1. Белова О. Северное сияние над Поволжьем/ Независимая газета. – 12.04. 2001 г.

2. Воронцов-Вельяминов Б. А. Очерки о вселенной. М., 1980

3. Все о Мордовии / Сост.: Е.М. Голубчик, В.Д. Еремкин, В.С. Ионова, А.С. Лузгин. – Саранск: Мордов .книжн. изд-во, 1997. – 720с.

4. Исаев С. И., Пушков Н. В. Полярные сияния. М., 1958

5. Ишков В. Н., Э. В. Кононович. Солнечная активность. https://crydee.sai.msu.ru/Universe_and_us/1num/v1pap4.htm

6. Кибальчич И. Полярные сияния. https://weatherchasers.ucoz.ru/board/15-1-0-22

7. Омхольт А. Полярные сияния. М., 1974

8. Солнечная система. Выпуск «Астрогалактика» 16.02.2007

https://www.astrogalaxy.ru/678.html

9. Тарсуков Н., Зубова В. Полярное сияние  в Саранске // Мол. ленинец. — 1957. — 27 янв. 

10. Терехин С.Н. Закономерности циклов солнечной активности и особенности цикла № 23 https://geo.phys.spbu.ru/magnetosphere/STPpracticum2005/P2_Terehin/main.html

11. https://www.tesis.lebedev.ru/sun_flares.html