VIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
В небе, на земле и в море
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
ВВЕДЕНИЕ
Постепенно, с развитием наших знаний о Земле, об окружающем нас мире были найдены действительные причины и объяснения всех «необъяснимых» явлений, как многие думали раньше. Все «необыкновенные» явления оказываются обыкновенными, естественными, научно объяснимыми. О том, как наука объясняет «необыкновенные» небесные явления, мы хотим рассказать в нашем проекте.
Цель работы: Рассказать о природных явлениях происходящих в небе, на земле и в море и доказать как они связаны с физикой.
Актуальность: На данный момент природные явления достаточно изучены с точки зрения физики, но при этом своей актуальности данный вопрос не потерял.
Задачи:
Выяснить, что такое мираж и полярное сияние;
Возникновение этих природных явлений;
Выяснить о том, где лучше всего наблюдать за этими природными явлениями;
Существуют ли полярные сияния на других планетах;
Изучение полярного сияние: кто и когда;
Эксперименты по воссозданию миражей.
Объекты исследования: Полярное сияние и мираж.
Предмет исследования: Необычные явления природы
Гипотеза: Сможем ли мы объяснить с помощью физики «необъяснимые» и «чудесные» явления.
1. ПРИРОДНЫЕ ЯВЛЕНИЯ И ЧТО ЭТО ТАКОЕ?
Что такое природные явления, и какие явления мы будем рассматривать.
Явления природы – это физические явления, в результате которых происходят изменения в живой или неживой природе. В природе существует множество природных явлений. Каждое природное явление красиво и чудесно само по себе, но некоторые из них очень опасны. Все мы слышали о полярном сияние, но мы хотим обсудить эту тему, а также такое явления как мираж.
Что такое полярное сияние и мираж?
П олярные сияния — одно из самых красивых световых явлений в природе, поэтому они привлекали внимание человека на протяжении всей его истории. Долгое время северное сияние считали предвестником катастроф – эпидемии, голод, война. В этом также видели проявления богов или других сверхъестественных сил. Но люди, проживающие, где полярное сияние не редкость пытались объяснить это явление тем, что это отражение солнечного света от морской поверхности или излучение солнечных лучей, накопленных за день в толще льда. Но научный термин «полярное сияние» звучит так, полярное сияние - свечение (люминесценция) верхних слоёв атмосфер планет, обладающих магнитосферой, вследствие их взаимодействия с заряженными частицами солнечного ветра.
Мираж – это природное явление уникальное и ты не можешь даже не заметить его, оно очень непредсказуемо. В живую их достаточно сложно увидеть, так как явление редкое и условия для создания миражей есть не повсюду. Хоть увидеть их можно редко, но ученые знают о миражах очень много информации и могут объяснить, как они возникают, выглядят, исчезают и что это такое вообще. «Мираж» - о птическое явление в атмосфере: преломление потоков света на границе между резко различными по плотности и температуре слоями воздуха. Для наблюдателя такое явление заключается в том, что вместе с реально видимым отдалённым объектом (или участком неба) также видно и его отражение в атмосфере.
Возникновение рассматриваемых природных явлений.
Главное условие появления миражей – резкое изменение оптической плотности воздуха.
У видеть их в воочию удаётся довольно редко, поскольку условия для их создания есть далеко не всегда и не повсюду. Учёные утверждаю, что мираж являет собой оптический эффект и образуется тогда, когда свет отражается между неравномерно нагретыми, а потому – различными по плотности слоями воздуха. Миражи часто ассоциируются с пустынями, и такая ассоциация совершенно оправданна, ведь появляются они там, где поверхность земли, а значит и слой воздуха над ней сильно нагреты солнечными лучами. Люди видят всего-навсего проекцию картинки, которая транслируется на огромном расстоянии от оригинального объекта путём многократного преломления световых лучей при наличии оптимальных для передачи изображения условий. Миражи возникают тогда, когда образуются так называемые «атмосферные зеркала». Это происходит, когда один из верхних воздушных слоёв начинает отражать световые лучи. Это, например, может произойти утром, в то время как нижние атмосферные слои ещё не нагрелись, а потому сильно охлаждены из-за соприкосновения с землёй. В это же время слои, которые находятся над ними – более тёплые, поэтому один из верхних слоёв начинает отзеркаливать от себя всё, что расположено на Земле.
Физики связывают возникновение полярных сияний с взаимодействием магнитного поля, окружающего нашу планету, и потока электрически заряженных частиц, летящих от Солнца с большой скоростью, так называемого «солнечного ветра». По принятой терминологии полярные сияния представляют собой флуоресцентные свечения, вызванные взаимодействием заряженных частиц, попадающих из космоса, с атомами и молекулами верхней атмосферы. Остановимся на этом подробнее.
Н апряжённость магнитного поля составляет у полюсов 0,62 Гс, а вблизи экватора – 0,31 Гс. Однако наблюдается много отклонений от чисто дипольного поля, которые называют магнитными аномалиями. Согласно современным представлениям, магнитосфера Земли действует как огромная электронно-лучевая трубка, которая фокусирует заряженные частицы солнечного ветра в узкие пучки и направляет их к полярным областям Земли. Как это происходит? Солнечный ветер состоит в основном из протонов и электронов высоких энергий. Когда такая частица попадает в магнитосферу в направлении, параллельном направлению силовых линий магнитного поля, то поле никак не влияет на её траекторию. В высоких широтах Земли (вблизи полюсов) силовые линии почти вертикальные, что создаёт благоприятные условия для проникновения частиц в атмосферу.
П усть частица движется перпендикулярно магнитному полю. При этом на неё действует сила Лоренца, закручивая её вокруг силовой линии магнитного поля. В результате при отсутствии столкновений с другими частицами такой электрон или протон будет просто вращаться вокруг силовой линии. Столкновения могут привести к перескоку из одних круговых орбит на другие.
Движение заряженной частицы в магнитном поле, силовые линии которого перпендикулярны.
В низких широтах силовые линии почти параллельны поверхности Земли. Поэтому, чтобы частицы, вызывающие полярное сияние, могли здесь проникнуть в атмосферу, они должны прорваться поперёк силовых линий Земли, а это для них практически невозможно. Если частица движется под некоторым углом к направлению магнитного поля, то её траектория окажется спиральной. Двигаясь по спирали вокруг магнитной силовой линии, которая увеличивается по мере продвижения частицы вперёд (поскольку силовые линии вблизи полюсов сгущаются), частица замедляет своё движение и, наконец, начнёт двигаться в противоположном направлении, то есть в другое полушарие. Там повторяется аналогичное отражение, и частица возвращается в первое полушарие. Этот процесс повторяется до тех пор, пока частица не потеряет энергию при соударении с нейтральными частицами в плотной атмосфере вблизи поверхности Земли.
Таким образом, энергичные частицы совершают вторжения в атмосферу нашей планеты вблизи полюсов, несмотря на то, где оказались сначала. Атмосфера на высотах, доступных электронам и протонам солнечного ветра, состоит преимущественно из атомов и молекул кислорода и азота.
Где мы можем наблюдать за миражом и полярном сиянием?
Исследователи утверждают, что миражами можно любоваться в любой точке нашей планеты, только нужно оказаться в нужное время в нужном месте. Мы можем увидеть это «необыкновенное» явление в многочисленных пустынях нашей планеты, но есть такое места, где миражи встречаются ещё чаще.
Восточное побережье Китая .
Китайский город Пенглай назван городом богом, потому что там неоднократно фиксировали огромное количество фантомов. После проливных дождей внезапно появлялись видения современных многоэтажных домов, улиц, переполненных людьми и скоростными машинами. За этим явлением на протяжении нескольких часов наблюдают не только местные жители, но и многочисленные туристы.
Б айкал.
На Байкале оптимальные условия для проявления этого оптического явления: теплый воздух над холодной водой в летний период, сильные морозы с неподвижным воздухом – в зимнюю пору. Люди, которые обитают возле Байкала, нередко встречаются с этим феноменом. Местные жители часто рассказывают о том как над озером появляются поезда, корабли и т.д.
Наши широты.
Люди живущие в зоне умеренного климата редко встречаются с этим явлением. Оно может возникнуть, но только если лето очень жаркое и ветер отсутствует.
Аляска.
Самые чёткие и яркие видения возникают не в пустыне, как все чаще всего думают, а на Аляске. Так как чем холоднее, тем видения лучше и отчетливее видны. Постоянно фиксировать появление огромных городов с небоскрёбами (которых на Аляске нет!) начали только в
позапрошлом веке. Конечно же, на этом зарабатываются деньги, там проводятся туры для туристов, которые жаждут понаблюдать за этим «необъяснимым» явлением.
Мурманская область, Россия.
В Мурманской области нужно обратить внимание на Териберку, Видяево, Печенгу или любой другой городок с незначительным световым загрязнением. Главное — нужно убедится, что зимой к ним можно проехать на машине.
Хибины, Кольский полуостров. Хибинские горы расположены южнее Мурманска, зато на возвышенности больше шансов на ясное небо, а о световом загрязнении в этих краях можно вообще забыть. Инфраструктура, к сожалению, здесь развита не очень хорошо, а многие гостиницы либо закрываются на зиму, либо очень труднодоступны.
Воркута, Республика Коми, Россия.
В Республике Коми полярное сияние не редкость, иногда его видно даже в Сыктывкаре в августе. Но чтобы увеличить шансы, лучше отправиться дальше на север, в Воркуту
Хатанга, Красноярский край, Россия.
Село Хатанга — выбор для тех, кто ищет и северное сияние. Это — самое сердце Таймыра. Тут среднегодовая температура — -13º, но зато это один из самых северных населенных пунктов России: с точки зрения полярных сияний, по широте он намного выгоднее и Мурманска, и даже Исландии.
Лонгйир, Шпицберген, Норвегия.
Лонгйир, «столица» норвежского Шпицбергена, расположен на 78 градусах северной широты — ближе к Северному полюсу вы сможете подобраться только в рамках арктической экспедиции.
Тромсё и Алта, Норвегия.
В «континентальной» Норвегии на звание столицы северных сияний претендуют сразу два города — Алта и Тромсё. В Тромсё лучше развита туристическая инфраструктура, зато Алта расположена практически на 70-й параллели, а это уже само по себе неплохая туристическая «галочка».
Абиску, Швеция.
Шведский центр Aurora Sky Station в городке Абиску скромно называет себя «лучшим местом на планете для наблюдений за северным сиянием». Утверждение смелое, но небезосновательное: центр расположен на 68-й параллели, посреди национального парка, вдали от светового загрязнения больших городов, да еще и на высоте почти 1 км над уровнем моря.
Акюрейри, Исландия.
Е сли вы хотите увидеть полярное сияние, избежав лютых морозов, — присмотритесь к Исландии. Благодаря Гольфстриму климат здесь довольно мягкий: зимой в Рейкьявике температура редко опускается ниже нуля. Выше всего шансы увидеть это явление в небе Исландии — на севере, где реже идут дожди, например, в Акюрейри, который считается самым сухим городом страны. Но лучше всего наблюдать за северным сиянием получится в ледниковой лагуне Йёкюльсаурлоун на юго-востоке.
Ивало, Финляндия.
В Финляндии лучше всего смотреть северное сияние в Ивало. Эта небольшая деревенька на несколько тысяч жителей очень популярна среди финских туристов. Возможно, это единственное место на земле, где можно засыпать в теплой постели, глядя на сполохи северного сияния.
• Застать северное сияние сложно — слишком много обстоятельств должно сложиться удачно. Так что будьте морально готовы скататься на север вхолостую. Хорошие новости: если следовать простым советам, можно значительно повысить свои шансы.
Как увеличить свои шансы увидеть полярное сияние
1. Следите за вспышками на солнце.
2. Держитесь в стороне от городов.
4. Заберитесь подальше на север.
Полярные сияния на других планетах.
Рассмотрим северные сияние не только на планете земля. Но и на других планетах нашей солнечной системы.
Магнитные поля планет-гигантов Солнечной системы значительно сильнее магнитного поля Земли, что обусловливает больший масштаб полярных сияний этих планет по сравнению с полярными сияниями Земли. Так, высочайшим в Солнечной системе (1200 км) является с еверное сияние Сатурна. Особенностью наблюдений с Земли (и вообще из внутренних областей Солнечной системы) планет-гигантов является то, что они обращены наблюдателю освещённой Солнцем стороной и в видимом диапазоне их полярные сияния теряются в отражённом солнечном свете.
П олярные сияния также были обнаружены и на Марсе. Оно находилось в районе Киммерийской земли (52° ю. ш. 177° в. д.). Общий размер излучающей области составлял около 30 км в поперечнике, и примерно 8 км в высоту. Анализируя карту разломов коры, скомпилированную из данных космического аппарата Mars Global Surveyor, учёные заметили, что области выбросов соответствуют району, где локализовано магнитное поле. Это указывает на то, что обнаруженное световое излучение было потоком электронов, движущихся вдоль силовых линий магнитного поля в верхние слои атмосферы Марса.
О собенностью Юпитера является влияние его спутников на полярные сияния: в областях «проекций» пучков силовых линий магнитного поля на авроральный овал Юпитера наблюдаются яркие области полярного сияния, возбуждённые токами, вызванными движением спутников в его магнитосфере и выбросом ионизированного материала спутниками — последнее особенно сказывается в случае Ио с её вулканизмом.
Венера хоть и не имеет достаточно сильного магнитного поля, северные сияния появляются в виде светлых и диффузных пятен различной формы и интенсивности, иногда затрагивающие весь планетарный диск. Сияния на Венере образуются путём соударений электронов солнечного ветра и атмосферы планеты и особенно хорошо видны на ночной стороне атмосферы.
ИЗУЧЕНИЕ ПРИРОДНЫХ ЯВЛЕНИЙ.
Изучение полярного сияние: кто и когда?
Люди, отказавшиеся видеть в полярных сияниях чудеса, ударились в другую крайность и стали объяснять их чересчур просто. По одной, например, из таких упрощенных гипотез выходило так, что, мол, на севере находится океан, в океане — рыба; во время бури рыбу в громадном количестве выбрасывает на берег, где она гниет и, как всякая гнилушка, светится, отсюда и полярные сияния. По другой гипотезе считалось, что полярное сияние — свет, отраженный громадной снежной поверхностью в полярной области. Француз Ж.-Д. Мейран в. середине XVIII. в. предполагал, что сияния возникают, когда «материя зодиакального света» попадает в атмосферу, т. е. полярное сияние в сущности— солнечное сияние (связано с Солнцем). Э. Галлей считал, что появление полярных сияний связано со «светящейся магнитной жидкостью». Это — серьезное заявление и напоминает нам о существовании плазмы, которая играет большую роль в объяснении многих явлений в природе.
М. В. Ломоносов, основоположник научного естествознания в России и искусный экспериментатор, считал, что свечение полярных сияний по сущности и происхождению подобно тому свечению, которое наблюдается при электрических разрядах. Исследуя свечение разреженных газов при пропускание через них электрического тока, а также изучая природу атмосферного электричества, М. В. Ломоносов произвел многочисленные эксперименты. Поскольку Солнце, магнитное поле Земли и наша атмосфера изменились за несколько миллионов лет очень мало, древние люди видели полярные сияния, может только несколько отличавшиеся по форме и по их расположению в пространстве. Дальнейшее развитие учения о полярных сияниях подтвердило правильность взглядов М. В. Ломоносова, дополнило их существенным выводом о роли не только электрических процессов в атмосфере, но и потоков заряженных частиц, посылаемых Солнцем. В 1774 г. почти одновременно и независимо друг от друга Ж. Кэнтон в Англии и Б. Франклин в Америке усмотрели глубокую аналогию между полярными сияниями и явлениями электрического разряда в газах, которые они тогда изучали. Но этот важный для понимания природы полярных сияний факт удалось установить лишь во второй половине XIX в. Сходство полярных сияний с тем свечением, которое наблюдается при истечении электричества от сильно наэлектризованного тела, а также высказанная впервые А. Паульсеном аналогия между полярными сияниями и свечением в стеклянной трубке, заполненной сильно разреженным газом, когда через нее пропускается электрический ток, заставляло предполагать, что мы имеем дело с явлением электромагнитным. Большой вклад в изучение полярных сияний внесли многочисленные русские арктические экспедиции, собравшие подробные данные о сияниях в различных местах Арктики и, позднее, в Антарктике.
2.2 Эксперименты по воссозданию миражей.
Сначала познакомимся с великим специалистом по постановке и проведению всевозможных опытов и экспериментов известным американским физиком, занимавшимся физической оптикой, Робертом Вудом (1868 - 1955 г.) Современники называли его "отцом эксперимента". Изобретательскому мышлению Вуда способствовали занятия живописью и чувство юмора, не изменявшее ему никогда. За свою жизнь Вуд опубликовал более 250 экспериментальных работ - как правило, с фактами и методикой, ранее не известными науке. Опыт - яркий и неожиданный, как вспышка из рук фокусника, - был козырем Вуда. А экспериментировать и фокусничать он начал чуть ли не с рождения.
Чтобы устроить себе миниатюрный оазис, он добыл четыре плоских железных листа, длиной около 4 футов и шириной 8 дюймов. Он положил их концом к концу, укрепив на железных подставках, – получилась длинная плоская горизонтальная площадка, которую он посыпал песком. На дальнем конце ее было укреплено зеркало, которое отражало изображение неба в окне. Ряд миниатюрных гор и несколько пальм, вырезанных из бумаги и размещенных на песке перед зеркалом, изображали горизонт пустынного ландшафта, который снизу подогревался рядом маленьких газовых горелок под железными листами – вместо солнца светящего сверху. Будет ли установка действовать в таком масштабе? Он зажег горелки и начал наблюдать. Горы и пальмы давали отчетливый силуэт на ярком фоне неба, но вдруг перед ними появилась сверкающая поверхность воды – у самого подножья гор. Если поднять глаза на дюйм или два над уровнем песка, «озеро» исчезало, но опять появлялось, как только глаза приближались к поверхности «пустыни» – точь в точь, как настоящий мираж, если вы поднимаетесь на холм. Затем «озеро» увеличилось, и в нем появилось отражение гор, а если опустить глаз еще ниже, подножье гор исчезало в кажущемся озере, которое обращалось в целое наводнение.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
О явлениях природы известно многое, но многое остается в тайне. Мы можем разобраться с точки зрения науки в этих явлениях, но в тоже время мы не понимаем, как возникают огромные небоскрёбы посреди пустыни, как появляется такое световое явление на небе, как полярное сияние. Эти явления трудно изучать, так как мы не можем их заказать или купить.
Мы познакомились с «необъяснимыми» и невероятно красивыми явлениями. Узнали, что это, как это и где мы можем увидеть эти «чудеса света». А также узнали кем изучались эти явления.
ЛИТЕРАТУРА
Булат В.Л. Оптические явления в природе. М.: Просвещение, 1974.
Новикова Н.Г. Необыкновенные небесные явления стр4-9; стр30-42.
Интернет ресурссы:
https://naked-science.ru/
https://360tv.ru/
https://ru.wikipedia.org/
https://spacegid.com/
http://shafiga.blogspot.com/