XVII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Изучение природы северного сияния на модели
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Северное сияние является удивительным явлением, которое мы может встретить как в южных, так и в северных широтах Земли. Иногда его можно наблюдать во Флориде или в Англии, а также на Южном полюсе. В связи с чем, более верным названием северного сияния является – полярное сияние. Это явление наблюдается и на других планетах Солнечной системы.
В детстве мне нравился мультфильм «Умка». В этом мультфильме медвежонок в одном из фрагментов был заворожен странным для меня явлением – свечением неба, причём это свечение было окрашено в разные цвета. Позже я узнала, что это северное сияние. С этих пор я стала изучать данное явление. Конечно, на широте, на которой находится Волгоградская область, данное явление наблюдать нельзя. Отправиться на север, чтобы посмотреть это чудо, нет возможности. А посмотреть хочется. Поэтому я стала работать над тем, чтобы получить северное сияние искусственно.
Данная тема является актуальной, так как природа северных сияний и воздушных явлений вообще до сих пор не полностью раскрыта. Люди не используют энергию воздушных явлений, хотя энергия, выделяемая, допустим, синими джетами достигает 30 МДж. Количество зарядов в верхних слоях атмосферы настолько велико, что может влиять на прочие метеорологические явления.
В результате проведения ионизированными газами электрического тока возникает тлеющий разряд, который и получил название северного или полярного сияния. По своей сути, это почти то же, что и молния, но в более высоких слоях атмосферы, где газ находится в сильно разряженном состоянии. И именно это является причиной того, что тлеющий заряд не переходит в дуговой [4].
Известный факт, что на полюсах нашей планеты практически не наблюдаются молнии, зато можно встретить северное сияние, которое завораживает своей красотой. Это огромные облака газа, которые находятся в плазменном состоянии.
Кроме того, электрическое поле может ионизировать газ. К примеру, электрофорная машина также может быть использована для получения северного сияния.
С электрофорной машиной мы познакомились в 8 классе на уроках физики. Получаемый электрический разряд этим устройством напомнил мне о молнии. И я решила применить её, чтобы получить северное сияние.
Целью моего исследования является изучение природы северного сияния на модели.
Объект исследования: явление северного сияния.
Предмет исследования: получение искусственного северного сияния.
Гипотеза исследования: благодаря электрофорной машине возможно получить электрически ток, которые буквально проходит по воздуху, при этом формируются небольшие электрические разряды – молнии. Используя электрофорную машину, можно создать настоящее миниатюрное полярное сияние, заставить окружающий воздух светиться.
Задачи исследования:
1. Познакомиться с северным сиянием, с его видами.
2. Выявить природу образования северного сияния, места их образования, а также их свойства.
3. Подобрать оборудование для получения искусственного северного сияния.
4. Провести опыт по образованию северного сияния.
5. Дать объяснение наблюдаемому опыту.
Основными методами нашего исследования были:
- теоретические: изучение литературы по физике по проблеме исследования;
- эмпирические: изготовление оборудования и проведение эксперимента.
Новизна работы: в нашем лицее нет исследовательских работ с такой темой. Кроме всего прочего, работая в этом направлении, я выяснила, что литературы и материалов для получения северного сияния с помощью электрофорной машины, пока нет. Поэтому, считаю, что этот опыт по получению северного сияния является новым. А материал, который здесь представлен по теме северного сияния структурирован, систематизирован по-новому.
Практическая значимость исследования: данная исследовательская работа может быть использована на уроках географии, физики. Я думаю, она интересна не только школьнику, но взрослому, поэтому может послужить хорошим материалом для знакомства с природой северного сияния на опыте, предложенному в этом исследовании. Было снято видео получения северного сияния, которое в последующем может быть использовано многими пользователями сети Интернет.
Глава 1. Северное сияние как явление природы
1.1. Северное сияние, его виды
Северное сияние является необычайно красивым зрелищем, регулярно наблюдаемым людьми на небе. Но никто долгое время не мог объяснить, как оно образуется.
Еще в давние времена мы встречаем упоминания об этом явлении. Например [6].
1. Совершая путешествий вокруг мыса Горн, которое приходилось на 1745 год, Анатолий де Уллоа несколько раз обнаружил свечение неба на Южном полюсе земли.
2. Джеймсом Куком проводилось наблюдение явления в Южном полушарии нашей планеты. Записи Кука дали ученым информацию о том, что этот феномен может происходить одновременно на обоих полюсах Земли.
Некоторые гипотезы формирования сияния даже примерно не соответствовали реальности. Например:
Причиной люминесценции на небе является гниющая рыба, которую выбросила на побережье морская пучина.
Результатом свечение является попадание «материи зодиакального света» в атмосферу.
Наиболее близкой современной научной трактовке является предложенная Э.Галеем. Он считал, что причиной северного сияния является «магнитная светящаяся жидкость».
Первым человеком, обосновавшим теорию это красивого явления, стал М.В.Ломоносов. Проводя научные исследования в лаборатории, он продемонстрировал процесса образования полярного сияния. Он использовал стеклянный шар, из которого откачал воздух. Затем через этот шар пропускался электрический ток. В результате этого, в шаре наблюдалось похоже на полярное сияние свечение. М.В.Ломоносов в экспериментах использовал различные газы. Им было доказано, что каждым видом газа создается разное свечение.
Гипотеза, предложенная М.В. Ломоносовым, стала развиваться другими учеными. Ими было найдено подтверждение электрического характера северного сияния.
Затем ученые стали изучать «солнечные ветер», который образуется выбросом заряженных частиц Солнцем. Эти частицы устремляются к магнитному полю нашей планеты. Помимо этого, ученые установили связь между полярным сияние и магнитными бурями, так как частицы «солнечного ветра», сильно возмущают магнитное поле Земли, когда проникают в него [8].
Только в наше время дано самое точное определение феномена, причиной чего было значительное развитие физики и полученные результаты исследований космоса. Например, в январе 1975 года русские и французские ученые провели эксперимент, в котором создавали искусственный прототип полярного сияния, наблюдаемого над северной тайгой. С этой целью запустили ракету «Эридан» с острова Кергелен в Индийском океане, несущую электронную пушку на борту. В означенное время поток заряженных частиц был выпущен из пушки. Но свечение на небе было недолгим и слабой интенсивности. У ученых появилась перспектива, которая дала возможность для более продуктивного подхода к исследованию процесса формирования полярного сияния [5].
Северное сияние является уникальным завораживающей красоты феноменом природы. Это явление – единственное заметное невооруженным человеческим глазом проявление воздействия солнечных радиационных частиц на атмосферу и околоземное пространство Земли (рис. 1).
Рис.1. Северное сияние
В соответствии с астрономом Стюартом Кларком, различают такие виды полярных сияний [3].
- Мягкое свечение на горизонте. Можно наблюдать в пределе видимости. Внешне это облака, но сверх звезд, проходящий через этот вид сияния, не претерпевает искажений.
- Светящиеся поверхности. Представляет собой цельные пятна.
- Дуговое сияние. Образуется в виде большого изогнутого свечения. Это не лунная радуга, природа возникновения которой иная.
- Лучи. В виде светлых и темных полос различной высоты, которые проходят через дуги.
- Короны, которые охватывают большую часть небо и визуально исходят из одной точки, направляясь в разные стороны (рис. 2).
Рис. 2. Короны
Другим типом сиянием, выделенным А. Брекке, являются занавески. Они похожи на шторы. Видимое небо полностью заполняется разноцветными складками внутри дуг. Другим названием такого вида является «дискретная аврора». Характерной чертой является отблески и высокая яркость. В это время под открытым небом можно комфортно читать книгу.
Разнообразные формы этого явления обусловлены магнитным полем планеты. Внешний вид определяется формами светящихся частиц. На угол обзора формы влияет положение наблюдателя.
Также существуют различия полярного сияния по цвету.
- Красный. Самыми распространенными подвидами красного сияния являются малиновые оттенки. Они сопровождаются самой большой амплитудой. Поскольку зрение слабо чувствительно к этой длины волны, то этот цвет виден в случае повышенной активности Солнца (рис. 3).
- Зеленый. Возникает, когда образуется высокая концентрация атомарного кислорода. Длиной волны излучения является значение 557,7 нм. Наше зрение очень чувствительно к этому цвету, поэтому чаще всего наблюдаются именно такие сияния. Красивые оттенки образуются при смешении зеленого и красного оттенков.
- Синий оттенок излучения обусловлен ионизированным молекулярным азотом. Образование такого оттенка связано с высокой солнечной активностью. В этот цвет окрашены нижние слои «занавесок».
- Ультрафиолетовый оттенок, который недоступен для наблюдения невооруженным глазом, но только с использование специального оборудования.
- Инфракрасный оттенок также недоступен для наблюдения человеком без специальных устройств.
- Желтый, розовый, которые представляют собой смесь синего, красного и зеленого цветов. Эти цвета являются основной для аддитивного синтеза цветов, с помощью которых можно получать промежуточные цвета.
Рис. 3. Красное полярное сияние
1.2. Природа образования северного сияния, места их образования и их свойства
В согласии с современным объяснением, северное сияние зарождается в результате столкновения с магнитными ионами Земли заряженных частиц Солнца. В результате мощного энергетического выброса возникает цветное свечение. Наблюдение явления доступно в регионах, которые максимально приближены к полюсам Земли. Если не погружаться в теорию, то причиной данного красочного явления является выброс Солнцем потока заряженных частиц. Направление этого потока может быть различным, в том числе и в направлении к Земле. Частицы движутся со скоростью до 960 км/с. Именно поэтому данный поток получил название «солнечного ветра» [8].
В процессе движения на высокой скорости в сторону нашей планеты происходят столкновения частиц с атмосферой, при этой создается возмущение магнитного поля. И в результате наблюдается северное сияние.
Это световое явление может достигать в ширину примерно 160 км, а в длину до 1500 км.
Их можно наблюдать в южном или северном полушарии в виде неправильной формы овала, центр которого находится над магнитным полюсом. Учеными было установлено, что чаще всего полярное сияние на разных полюсах зеркально отображают друг друга. Они проходят одновременно и имеют аналогичные цвет и форму.
Так как явления локализованы у полюсов, то наиболее удобными областями наблюдения является место за полярным кругом. Южная оконечность Исландии и Гренландии, северное побережье Норвегии и север Сибири также благоприятны для наблюдения. Северные сияния в южном полушарии чаще всего локализуются в южной части Индийского океана и в кольце вокруг Антарктиды.
Впервые связь между полярным сиянием и активностью Солнца была заподозрена в XIX веке. После 70-ти лет были проведены новые исследования, в результате которых каждому жителю Земли природа этих явлений стала понятна.
Свечение происходит в результате встречи заряженных частиц. Температура Солнечной поверхности достигает показателя в 6000 градусов, а корона нагревается до 1 000 000 градусов по Цельсию. Столкновение ионов происходит крайне интенсивно, в результате происходит выбивание свободных положительных и отрицательных частиц из солнечной атмосферы, вырываясь в просторы космоса [2].
Рис.4. Схема образования северного сияния
Частицы солнечного ветра, попадаю в околоземное пространство, магнитным полем планеты перемещается к полюсам, где наблюдение северного сияние является наиболее благоприятно.
Северное сияние является цикличным явление периодичностью в 11 лет. Это обусловлено солнечной активностью. Ближайший пик ожидается в 2024 года, предыдущий был в 2013 году.
Лучшим периодом для наблюдений является зима на Северном полюсе Земли. Это время длинных и темных ночей и коротких дней. Лучше всего наблюдать в полночь.
Иногда во время данного явления можно услышать разные шумы, треск, хлопки, обычно слабые и короткие статические звуки. Долго у ученых были сомнения относительно этого явления, так как задокументировать звук тяжело. Кроме того, исследования усложнялись высоким расположением авроры в небе. Однако, в 2012 году исследователи из Финляндии, Университет Аалто, опубликовал исследование. Ученые сообщали о том, что они смогли зарегистрировать шумы, которые связаны с северным сиянием. Команда исследователей указывают на образование звуком на высоте примерно 70 м над землей. Причиной звуков являются взаимодействий газов атмосферы и солнечных частиц. По утверждению финских исследователей, эти звуки очень редки, поэтому мало людей, которые их слышали. Проявление звуков приходится на максимальную солнечную активность, при этом наблюдатель должен находиться в безветренную ночь вдали от других источников шума. Это инфразвук с частотой от 6 до 13 Герц. Именно поэтому мы их не слышим [5].
Выводы по первой главе
Одно из самых красивых явлений природы – полярное сияние. Оно поражает и удивляет с тех пор, как его впервые увидели люди. Частицы солнечного ветра с газами в верхних слоях атмосферы начинают светиться – это называется полярным сиянием. Форма сияния определяется высотой, на которой происходит процесс. Самое распространенной формой является пятнышки или полосы. Цвет явления определяется слоями атмосферы, взаимодействующими с солнечным ветром. Кислород дает зеленый и алый цвет, азот – фиолетовый. Это явление наблюдается на всех планетах нашей системы.
Глава 2. Изучение северного сияния на модели
2.1. Условия и оборудование для получения искусственного северного сияния
Так как северное сияние возможно только в сильно разряженном воздухе, то нам понадобилась большая ёмкость, где бы мы могли создать такие условия для протекания этого явления. С этой целью мы обратились на рынок, где продают старые вещи. Нашли мы старый толстостенный бутыль, который в прошлом использовался в опытах по физике. Но использовать его в том виде, в котором он продавался мы не могли, так как нужно было поместить в него большую конструкцию. Поэтому мы с помощью болгарки отпилили у него верхнюю часть. Перевернув оставшуюся часть вверх дном, получили вот такой купол (рисунок 5).
Рис. 5. Купол из бутыли
В кабинете физики есть электрофорная машина, чтобы получить нам электрический разряд. Однако мы столкнулись с проблемой, как этот разряд получить под куполом, ведь вся машина туда не поместится и к тому же, у этой машины механический привод, чтобы она работала, нужно крутить ручку, что тоже под куполом не получится. Тогда мы решили сделать платформу, к которой прикрепили два гвоздя с шляпками. Чтобы весь гвоздь не электризовался в ходе работы электрофорной машины, мы шляпки обмотали изолентой. В качестве накопителей заряда мы использовали металлические прищепки-клеммы с проводами, которые были выведены из резиновой пробки бутыля наружу (рисунок 5).
Купол, полученный из бутыли, был установлен на дощечке, но так как он не плотно прилегал к ней, мы воспользовались герметиком, чтобы исключить попадание воздуха внутрь купола. Насос Комовского служил нам для создания разряженного воздуха.
2.2. Проведение опыта и объяснение наблюдаемому явлению
После сбора всей установки, мы приступили к созданию северного сияния (рисунок 6).
Рис. 6. Экспериментальная установка
В бутыли в начале опыта был только воздух. И при прохождении заряда, ничего особенного не происходит (рисунок 7).
Рис.7. Электрический разряд при наличии воздуха в бутыли
Изменится ли картина при откачивании воздуха из бутыли, то есть, при создании низкого давления внутри? Для этого используется насос Комовского.
В этом случае наблюдается изменение характера молний внутри бутыля. При откачивании воздуха сопротивление снижается. Сначала это не тлеющий разряд, но уже не дуговой. Это миниатюрная молния.
И свечение возникает только в случае сильного разряжения. Если давление в бутыли увеличивать, то свечения добиться нельзя. Поэтому для получения свечение следует разрядить воздух внутри колбы.
Очевидное увеличение проводимости воздуха при низком давлении. Довольно длинные разряды наблюдаются в бутыли с низким давлением, чего нет в случае нормального давления. Разница очевидна! Следует отметить, что более ровное свечение наблюдается в случае более сильного разряжения воздуха, а вокруг – синее свечение (рис.8).
Рис. 8. Свечение вокруг разряда
Теперь светится воздух, находящийся вблизи разряда (рисунок 9).
Рис.9. Искусственное северное сияние
Но по какой причине сияние окрашено одним цветом.
Дело в том, что на разной высоте разный состав воздуха, поэтому и северное сияние разноцветное. Но на уровне моря цвет такой.
Для разрядки накопителей зарядом внутри колбы соединялись накопители электрофорной машины, к которым были подключены разрядные контакты в бутыли.
Выводы по второй главе
В результате нашего исследования удалось в миниатюре получить нечто похожее на настоящее северное сияние.
Заключение
В ходе написания работы мы выполнили поставленные перед собой задачи:
1. Познакомились с северным сиянием, с его видами.
2. Выявили природу образования северного сияния, места их образования, а также их свойства.
3. Подобрали оборудование для получения искусственного северного сияния.
4. Провели опыт по образованию северного сияния.
5. Дали объяснение наблюдаемому опыту.
Таким образом, мы достигли поставленной цели: получили и изучили северное сияние на модели.
Предполагаемая нами гипотеза подтвердилась. Мы с помощью электрофорной машины получили электрический ток, буквально проходящий по воздуху, образуя при этом небольшие электрические разряды - молнии. С помощью электрофорной машины мы создали самое настоящее северное сияние, но только в миниатюре, заставив светиться окружающий воздух.
Теперь я стала очевидцем северного сияния. Считаю, что впечатления, полученные в ходе этого опыта, сохранятся в памяти на долгие годы. Это незабываемое зрелище.
Работу считаю перспективной. Я считаю, что у нас получился неплохой материал, интересный и детям, и взрослым. Данная работа пополнит материал школьного экспериментального курса физики. Планируется дальнейшая работа по изучению необычных явлений природы.
Список литературы
Книжные издания:
1. Афонькин С. Чудеса природы. ООО ЛитРес, 2018. -
2. Булат В.Л. Оптические явления в природе. М.: Просвещение, 1974. - 143 с.
3. Зверева С.В. В мире солнечного света. Л.: Гидрометеоиздат, 1988. - 160 с.
4. Исаев С.И. Полярные сияния. Мурманск: Кн. изд-во, 1980. - 141 с.
5. Лукин Александр Наша планета: Удивительные природные явления. Издательство «АРДИС», 2014. – 134 с.
6. Мизун Ю.Г. Полярные сияния. М.: Наука, 1983. - 136 с.
7. Мишин Е.В., Ружин Ю.Я., Телегин В.А. Взаимодействие электронных потоков с ионосферной плазмой. Л.: Гидрометеоиз-дат, 1989. - 264 с.
8. Сурдин В. «Небо дневное и ночное». Что есть что. Москва СЛОВО/SLOVO 2001. Стр.39-41
Интернет-ресурсы:
1. Как звучит северное сияние: https://nat-geo.ru/nature/kak-zvuchit-severnoe-siyanie/
2. Полярное сияние: https://tainaprirody.ru/atmosfera/polyarnoe-siyanie
3. Чудеса мира: https://chydesa-mira.ru/severnoe-sianie/