XXII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
ВОЗДЕЙСТВИЕ СОЛНЕЧНЫХ ВСПЫШЕК НА МАГНИТОСФЕРУ ЗЕМЛИ И ИХ ВЗАИМОСВЯЗЬ С КРАСНЫМ ПОЛЯРНЫМ СИЯНИЕМ НАД ЗАБАЙКАЛЬЕМ
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Северное сияние является удивительным и захватывающим явлением в природе, привлекающим внимание людей. Это настоящая космическая радуга, переливающееся из красочных полос и пятен, которые освещают ночное небо вблизи полярных регионов. Наблюдение Северного сияния стало популярным видом туризма, притягивая людей со всего мира, увидеть это потрясающее природное явление. Многие специально отдают предпочтение той местности, где можно будет наблюдать северное сияние, однако они не всегда угадывают с местом и временем.
Северное сияние происходит в основном в окрестностях Северного полярного круга (Северное сияние) и Южного полярного круга (Южное сияние). В связи с чем, более верным названием северного сияния является – полярное сияние. Это явление наблюдается и на других планетах Солнечной системы.
Полярное сияние, которое во второй половине суток 05 ноября, 01 и 05 декабря 2023года могли наблюдать жители районов Забайкалья, совершенно не типично для географических широт края.
По данным ТАСС (Телеграфное агентство связи и сообщения) причиной необычного цвета неба в разных регионах России стала сильная магнитная буря, которая произошла на Земле во второй половине 5 ноября 2023 года. «Степень возмущенности магнитного поля Земли достигла уровня G3, означающего „сильно“ по шкале мониторинга из пяти показателей, где G5 — „экстремально сильно“, а G1 — „слабо“», — цитирует данные Института прикладной геофизики ТАСС.
Я был удивлен и поражен, когда впервые увидел на красное полярное сияние, чувства были самые разные, было сложно поверить, что такое вообще возможно, захватывало дух. Увидеть северное сияние мечта многих людей. Обычно полярное сияния бывают зелеными. Мысль о том, по какой причине происходит красное полярное сияние в нашем регионе, не покидала меня. Было принято решение исследовать данную тему. В своей работе я предлагаю ознакомиться с природой этого невероятного явления – как образуются всполохи, какие виды и формы северного сияния бывают, с чем это связано, как меняется магнитное поле Земли под влиянием солнечной активности.
Актуальность выбранной темы заключается в том, что полярное сияние в Забайкалье имеет свои особенности, связанные с климатом и географией региона. Полярное сияние может быть заметно на протяжении длительного времени и в больших географических широтах в холодные зимние месяцы. Вопреки суровости и природной красоте сибирской местности, полярное сияние в Забайкалье приобретает более глубокое и запоминающееся впечатление. Вживую полярное сияние особенно очаровывает, но даже на фотографиях, заснятое объективом фотоаппарата, выглядит как что-то фантастическое. Так это явление было обусловлено регулярным сообщениям в прогнозах погоды о проявлении солнечной активности и состоянием магнитного поля Земли.
Проблема состоит в том, что полярное сияние можно увидеть не везде и не всегда – только в ночное время, находясь ближе к северным широтам и преимущественно в зимнее время. К сожалению, многие люди не понимают причины этих явлений, боятся их, не имеют точных знаний о природе этих явлений.
Целью исследования является изучение причины возникновения красного полярного сияния над Забайкальем и его взаимодействие с магнитосферой Земли под влиянием солнечных вспышек.
Задачи исследования:
1.познакомится с понятием полярное сияние и магнитосферой Земли;
2.узнать причины возникновения красного полярного сияния;
3.проследить за взаимодействием полярного сияния с магнитосферой Земли под влиянием солнечных вспышек;
4.произвести подсчет показателей солнечной активности, результаты отобразить в графике.
Объект исследования: явление полярного сияния.
Предмет исследования: взаимодействие полярного сияния с магнитосферой Земли под влиянием солнечных вспышек.
Методы решения поставленных задач:
1.изучение теоретического материала;
2.анализ данных геомагнитных обсерваторий и космических спутников;
3.предоставление результатов в виде графиков.
Новизна работы в том, что в нашей школе нет исследовательских работ с такой темой. Кроме того, это явление крайне редкое для географических широт данной местности.
Практическая значимость. Работа может быть использована на уроках физики. Данная работа будет интересна и школьникам и взрослым, может послужить хорошим материалом для знакомства полярного сияния.
Магнитное поле Земли. Полярное сияние.
Земля находится в окружении системы магнитных полей, которая называется магнитосферой. Эта гигантская система, имеющая форму кометы, защищает нашу планету от вредного воздействия частиц Солнца и не позволяет солнечному ветру разрушать атмосферу.
Магнитное поле представляет собой особую форму материи, которая существует вокруг магнитов или движущихся зарядов. Оно также может возникать в пространстве вокруг тока. Магнитное поле определяется вектором магнитной индукции, который является показателем его силы. Распределение магнитного поля может быть представлено линиями магнитной индукции, которые всегда формируют замкнутые контуры. Направление этих линий соответствует направлению вектора магнитной индукции в каждой точке. Магнитное поле Земли является одним из примеров магнитного поля, и его источники находятся внутри планеты.
Географические полюса Земли не совпадают с магнитными полюсами, где линии магнитного поля сходятся. Положение магнитных полюсов меняется со временем.
Существуют различные теории их происхождения, но нет точного ответа. Наиболее популярная теория гласит, что магнитное поле Земли возникает из жидкого внешнего ядра, состоящего из железа и других элементов. Вращение Земли порождает конвекционное движение в ядре, которое создает электрические токи и магнитное поле. Этот процесс называется динамо-эффектом или электромагнитным динамо. Изменения в положении магнитных полюсов Земли также можно объяснить эффектом динамо.
Геомагнитное поле меняется со временем в разных точках под воздействием различных факторов. Эти изменения называются геомагнитными вариациями и имеют периодичность. В данном случае мы сфокусируемся на 27-дневных и 11-летних вариациях.
11-летние изменения связаны с циклом солнечной активности, который характеризуется количеством солнечных пятен. Солнечные пятна - это места сильного магнитного поля на Солнце. Магнитное поле уменьшает энергию, выходящую из глубин Солнца, поэтому солнечные пятна являются холоднее и менее яркими, чем окружающая их область. Существует теория солнечного динамо, основанная на разнице в скоростях вращения разных частей Солнца.
Каждые 27 дней наблюдается повышенная геомагнитная активность, связанная со смерчами солнечной активности (темными пятнами, корональными дырами), которые выбрасывают плазму в виде быстрых потоков солнечного ветра.
Корональные дыры - это области пониженной плотности и температуры плазмы в солнечной короне, в которых формируются быстрые солнечные ветры. Эти выбросы являются основным фактором, влияющим на магнитное поле Земли. Природным проявлением этих выбросов являются полярные сияния, такие как северное сияние
Геомагнитные бури, возникающие в результате взаимодействия сильных потоков солнечного ветра с магнитосферой Земли, также могут вызывать полярные сияния. Обычно северное сияние зеленого цвета, но оно может быть и красным, в зависимости от высоты, на которой светятся атомы кислорода.
Все эти процессы изменения в магнитном поле Земли подтверждают влияние различных факторов на его состояние. Обычно буря длится несколько часов, от 6 до 12, а затем состояние магнитного поля медленно возвращается к норме.
Виды северного сияния
Существует несколько видов, каждый из которых имеет свои особенности и характеристики.
Полярное сияние - самый распространенный вид северного сияния. Его можно увидеть в периоды низкой солнечной активности, когда на Солнце нет пятен и оно находится на низком уровне активности.
Проявляется в виде ярких красных, зеленых и фиолетовых вспышек на небе, которые могут длиться несколько часов. Происходит явление на высоких широтах (60-80 градусов северной и южной широты), но может быть видно и на более низких широтах в периоды повышенной солнечной активности.
Аврора Бореалис (северное сияние в Скандинавии) - это редкий вид северного сияния, который можно увидеть в период максимальной солнечной активности. Аврора Борелис проявляется в виде ярко-зеленых, желтых и оранжевых вспышек, которые могут продолжаться несколько часов подряд. Этот вид северного сияния обычно можно увидеть на высоких северных широтах Скандинавского полуострова.
Зеленые дуги - проявляется в период средней солнечной активности. Зеленые дуги представляют собой полусферы, которые тянутся по небу на протяжении нескольких минут. Этот явление можно увидеть на высотах от 60 до 80 градусов северной широты.
Полосы - характеризуется яркими полосами разных цветов на небе. Происходит это в периоды высокой солнечной активности и может длиться несколько минут. Обычно имеют яркие цвета - красный, оранжевый и желтый.
Нитевидные лучи - в виде тонких нитей света на фоне ночного неба. Их можно увидеть в периоды минимальной солнечной активности. Цвета - белый или голубой цвет.
Цветные кольца - редкий вид, который возникает в периоды средней солнечной активности. Явление проявляется в виде разноцветных колец на небе и могут иметь разные оттенки - красный, желтый, зеленый и оранжевый.
Что представляют собой солнечные вспышки?
Солнечная вспышка представляет собой взрыв на поверхности Солнца гигантскх размеров, который возникает когда силовые линии магнитного поля выходящие из солнечных пятен переключаются и обрываются, что сопровождается переходными процессами в магнитном поле группы с резким выделением гигантского количества энергии в сравнительно небольшой объем пространства за короткий промежуток времени.
Солнечная вспышка определяется как внезапное, быстрое и интенсивное изменение яркости. Солнечная вспышка возникает, когда магнитная энергия, которая возникла в солнечной атмосфере, внезапно высвобождается. Материал нагревается до нескольких миллионов градусов за считанные минуты и излучение практически во всем электромагнитном спектре от радиоволн в длинноволновом участке спектра, через оптическое излучение до рентгеновских и гамма-лучей на коротковолновом конце спектра.
Объем выделяемой энергии эквивалентен миллионам ядерных бомб, которые взрываются одновременно! Солнечные вспышки возникают часто в период солнечного максимума. В этот период бывает, что некоторые солнечные вспышки длятся в течении суток! (Источник: https://www.spaceweatherlive.com/)
Рис 1. солнечный ветер сталкивающийся с магнитосферой Земли
Солнечный ветер представляет собой поток заряженных частиц (плазмы), излучаемых Солнцем. Скорость, плотность и температура потока постоянно меняются. Самые резкие колебания этих трех параметров происходят в моменты выхода солнечного ветера из коронального отверстия или при выбросе корональной массы. Поток, происходящий из коронального отверстия, можно рассматривать как устойчивый высокоскоростной поток солнечного ветра, где выброс корональной массы больше напоминает огромное быстро движущееся облако солнечной плазмы. Когда эти солнечные ветровые структуры достигают поверхности нашей планеты, они сталкиваются с магнитным полем Земли, где частицы солнечного ветра могут проникать в нашу атмосферу вокруг магнитного северного и южного полюсов.
Результаты исследования
Вечером 01 и 05 декабря 2023 года жители нескольких регионов России могли наблюдать полярное сияние. Забайкальский край не стал исключением, несмотря на то, что такое явление крайне редкое для географических широт данной местности (Рис 2).
Красное небо 01 декабря удивило многих жителей Забайкалья. Очевидцами северного сияния стали жители из Читы, Чернышевского, Нерчинского, Газимуро-Заводского, Дульдургинского, Краснокаменского, Хилокского, Агинского, Могойтуйского, Борзинского, Улётовского и Сретенского района.
Рис 2. пгт. Агинское, мкр.Западный.
Фотография была сделана очевидцами 01 декабря 2023 г. в 20:34ч.
Как выяснилось, чуть позже, полярное сияние уже могли наблюдать ранее жители села Алханай, Дульдургинского района в ночь 05 ноября 2023 года. Об этом мы узнали из новостных чатах нашего посёлка и региона, что заинтересовало нас еще больше. Но, как оказалось не все знают о полярном сиянии, это было понятно по комментариям в чатах, а некоторые граждане подумали, что фотографии обработаны в программе «Фото Шоп» (Приложение 1).
Человеческий глаз также значительно менее чувствителен к красному свету, чем к зеленому, что является еще одной причиной того, почему красные полярные сияния наблюдаются так редко.
На примере этого явления проследим взаимодействие магнитного поля Земли и солнечной активностью в периоды с 02 по 28 ноября и 01 по 27 декабря 2023 года. Для этого я использовал данные геомагнитных обсерваторий и космических спутников, сопоставляя их друг другу. Для того, чтобы провести исследование нам потребовались данные о магнитных бурях, солнечных вспышках и солнечном ветре.
На данной диаграмме представлен график геомагнитной активности с 02 ноября по 28 ноября 2023г. (Рис 3).
Рис 3.Прогноз магнитных бурь на 27 дней в ноябре 2023 г.
Мы видим, как магнитосфера переходит из спокойного, временами возбужденного состояния в магнитную бурю, максимум которой приходится на 06 ноября. Рассмотрим эту область подробнее (Рис 4).
Рис 4.График геомагнитной бури с 04 по 06 ноября 2023 г.
Магнитное поле характеризуется двумя индексами Кр и G
Кр - индекс – показывает среднее отклонение геомагнитного поля от нормы втечении трехчасового интервала.Он определяется показателями 13 геомагнитных обсерваторий, расположенных на различных в пределах определенного широтного пояса.
G – индекс представляет собой пятибальную шкалу интенсивности магнитных бурь, которая характеризуется по своему воздействию на электротехнику, связь, навигатор и др.
Самый пик ( с показателями Кр 7 и G3) приходится примерно с 23:00-02:00 ч.Сильная магнитная буря.
На рисунке 5 приводится информация о балле вспышки (колонка 1), активной области на Солнце, где была вспышка (колонка 2) и времени начала, максимума и окончания вспышки (колонки 3, 4 и 5). Балл вспышки означает её силу и обозначается буквами C, M или X и цифрой. Самыми сильными являются вспышки с буквой X, самыми слабыми – С. Для одной и той же буквы, чем больше цифра, тем сильнее вспышка. На Солнце 06 ноября произошло 15 вспышек класса С и выше.Были зафиксированы 4 вспышки на Солнце 05 ноября, класса С и выше.Отметим,что начало вспышки балла М1.6 было с 22:24:00, самый максимумпришелся на 22:32:00, завершилась вспышка в 22:36:00 (время UT +8)
Рис.5 Солнечные вспышки в период 05 и 06 ноября 2023 г.
В период с 01 и 05декабря 2023г., мы вновь наблюдаем магнитную бурю.Рассмотрим рисунок 6.
Рис 6.Прогноз магнитных бурь на 27 дней в декабре 2023 г.
В период с 01 декабря показатели индексов Кр7 и уровеньG3 показывает сильный уровень, магнитная буря примерно приходятся с 17:00- 20:00ч. (Рис 7).
Рис 7.График геомагнитной бури с 01 по 03 декабря 2023 г.
На рисунке 8 мы видим, что на Солнце 01 декабря произошло 12 вспышек класса,02 декабря произошло 9 вспышек класса С и выше. Максимум вспышки 01 декабря балла М1.1 пришелся на 12:39:00 ч. А, максимум вспышки 02 декабря пришелся на 05:20:00 (время UT +8)
Рис 8. Солнечные вспышки 01 и 02 декабря 2023 г.
Данные показатели, показывают, что в ноябре и декабре 2023года зафиксированы магнитные бури.
На рисунках 9 и 10 показано, как менялась скорость солнечного ветра за эти два периода. По оси Х отмечено время, а по оси Y – скорость ветра в км/с. Видно, минимальное значение скорости около 300 км/с, а максимальное около 700 км/с, то есть его скорость действительно, сильно меняется.
05 ноября и 01 декабря скорость ветра внезапно возросла и достигла отметки 534,6 и 546 км/с.
Рис 9.Скорость солнечного ветра 05 ноября 2023 г.
Рис 10.Скорость солнечного ветра 01 декабря 2023 г.
Рассмотрим состояние Солнца.
Рис 11. Корональные отверстия 05.11.23 и 02.12.23г.
На снимке мы видим корональное отверстие, которое стало причиной геомагнитной бури, в результате чего последовало за ней полярное сияние. Стоит отметить, что сам выброс произошел раньше, чем магнитная буря на Земле. Обычно, чтобы достигнуть магнитосферы планеты, период составляет 1-3 суток в зависимости от скорости потока солнечного ветра.
Подсчет показателей солнечной активности числа Вольфа
Систематическое наблюдение явлений, происходящих на поверхности Солнца, имеет большое практическое значение в свете их связи с явлениями, происходящими в магнитосфере нашей планеты.
Начнем с наиболее известного показателя солнечной активности - так называемого относительного числа Вольфа W. Наблюдения по этой методике были основным показателем активности Солнца на протяжении в период нескольких дней.
Подсчитаем число Вольфа W по фотографиям Солнца на определенные даты 05 ноября 2023 г. (фото №1) и 02 декабря 2023 г. (фото «2)представленные н рисунке 11.
W = k (10G+S),
к - где статистический коэффициент поправочный
(в данном случае будем брать к=1, так как фотография сделана телескопом или биноклем).
G - количество видимых групп
S– общее количество очагов всех пятен.
а) Дано: G = 6, S = 26, K = 1
--------------------------------- по фото 1. 05.11.2023
W = ?
Решение: W = 1(10*6+26) = 86
б) Дано:6 = 5; S = 12, K = 1
---------------------------------- по фото 2. 02.12.2023
W = ?
Решение: W=1(10*5+12) = 72
Подсчёт приблизительный!
Зависимость числа Вольфа от количества дней представляем на графике. От этих дней до и после берем по 2 дня, т. е 03-07.11.2023 и 30.11-04.12.2023г.(рис.12)
Ноябрь 2023года. Декабрь 2023 года.
Рис.12 Солнечная активность числа Вольфа 03-07.11.2023 и 30.11-04.12.2023г.
Не менее важным показателем активности является суммарная площадь, занимаемая пятнами, и выражаемая в миллионных долях общей площади солнечного диска.
При видимом диаметре Солнца на экране в 10 см., может оказаться полезной следующая таблица:
|
Диаметр пятна в мм.: |
0.5 |
1 |
1.5 |
2 |
2.5 |
3 |
3.5 |
4 |
4.5 |
5 |
|
Площадь в млн. долях: |
12.5 |
50.0 |
112.5 |
200.0 |
312.5 |
450.0 |
612.5 |
800.2 |
1012.0 |
1249.0 |
Солнце имеет шарообразную форму, поэтому пятна вблизи его краев видны не как окружности, а как эллипсы.
В данном случае за диаметр пятна надо брать большую из его осей.
Очень наглядным является специальный рисунок-шкала.( рис 13.)
Рис 12.
Активность пятна повторяется с 27 – дневным циклом солнца. Вращение Солнца и коронального отверстия на нём, можно проследить в промежутке с 31 октября по 10 ноября 2023г.
Таким образом, я собрал все необходимые для исследования данные, включая момент и интенсивность магнитных бурь, вспышек, а также изменения в скорости движения солнечного ветра 05 ноября и 01 декабря 2023 года.
Заключение
По результатам моего исследования делаю следующие выводы:
1) Вечером 01 и 05 декабря 2023 года жители нескольких регионов России могли наблюдать полярное сияние. Забайкальский край не стал исключением, несмотря на то, что такое явление крайне редкое для географических широт данной местности.
2) Полярное сияние представляет собой феномен природы удивительной красоты, вызванный электрически заряженными частицами солнечного ветра, взаимодействующими с атмосферой Земли.
3) Возникновение магнитных бурь демонстрирует определенную повторяемость. Хотя эта повторяемость не всегда является постоянной, есть возможность с некоторой погрешностью предсказывать магнитные бури на основе данного анализа.
4) Магнитное поле Земли может изменяться. Представления о том, что магнитные бури вызываются событиями на Солнце, являются верными. Наблюдается связь между моментами магнитных бурь, моментами вспышек на Солнце и также моментами высокой скорости ветра.
5) Красное полярное сияние над Забайкальем является следствием взаимодействия с магнитосферой Земли в результате солнечных вспышек
На сегодняшний день в интернете доступно множество данных о космической погоде. В связи, с чем люди интересующиеся астрономией и школьники в том числе, могут проводить простые исследования в области физики солнца и космической погоды.
Обзор литературы
1 Владимирский Б.М., Кисловский Л.Д. Солнечная активность и биосфера. -М: Знание. 1982. 63 с.
2.Дубкова С.И. Солнце в интерьере галактики. - М.: Белый город., 2005. 192 с.
3.Левитан Е.П. Природа солнечных пятен. - М.: Наука, 1994. 128 с 4.Мирошниченко Л. И. Физика Солнца и солнечно-земных связей: учебное пособие // Л. И. 4.Мирошниченко; Под ред. М. И. Панасюка. — М.: Университетская книга, 2011. — 174 с.
Интернет источники:
1.https://helioviewer.org/?movieId=DYNN5 (солнечная обсерватория)
2. http://tesis.lebedev.ru/ (лаборатория солнечной активности)
3.https://www.swpc.noaa.gov/news/g2-moderate-geomagnetic-storm-watch-07-nov (центр прогнозирования космической погоды)
4.https://www.spaceweatherlive.com/ru/arhiv/2023/11/06/koronalnye-otverstiya.html (онлайн, космическая погода)
5.https://ria.ru/20231106/burya-1907685197.html (РИА новости)
6.https://big-archive.ru/geography/aurora/6.php (полярные сияния и солнечная деятельность)
7.https://m-focus.ru/severnoe-siyanie-vidy-cveta/ (Фокус. Северное сияния виды и цвета)
8.https://auroralights.ru/calendar/Северное-сияние-4-12-5-12/(сайт Полярное сияние, Ассоциация охотников за северным сиянием г. Санкт -Петербуг)Снимки с обсерватории Стерео-А.
Приложение 1
Фотография сделанная во дворе дома Фотография сделанная жительницей
01декабря 2023года в 22:00ч с.Алханай 06 ноября 2023 года в 02:12 ч.
Фотографии очевидцев с разных районов
Забайкальского края и Республики Бурятия