Номер 2, страница 350 - гдз по физике 10 класс учебник Кабардин, Орлов

2. Полярные сияния.

Полярное сияние (также известное как северное сияние, aurora borealis, в Северном полушарии и южное сияние, aurora australis, в Южном) — это уникальное природное явление, представляющее собой свечение верхних слоёв атмосферы планеты. Это свечение возникает в результате взаимодействия заряженных частиц солнечного ветра с магнитосферой Земли.

Основной причиной полярных сияний является Солнце. Наше светило постоянно испускает поток заряженных частиц, в основном электронов и протонов, который называется солнечным ветром. Скорость этого потока может составлять от 300 до 1200 км/с. Во время повышенной солнечной активности, такой как солнечные вспышки или корональные выбросы массы, плотность и энергия солнечного ветра значительно возрастают, что приводит к более ярким и частым полярным сияниям.

Когда солнечный ветер достигает Земли, он сталкивается с её магнитным полем (магнитосферой), которое действует как невидимый щит, отклоняя большую часть потока частиц. Однако этот щит не идеален. Часть заряженных частиц солнечного ветра захватывается магнитосферой и начинает двигаться вдоль силовых линий магнитного поля.

Движение заряженных частиц в магнитном поле описывается силой Лоренца. Эта сила заставляет частицы, такие как электроны и протоны, двигаться по спиральным траекториям вдоль линий магнитного поля Земли. Формула силы Лоренца, действующей на частицу с зарядом $\text{q}$, движущуюся со скоростью $\vec{v}$ в магнитном поле с индукцией $\vec{B}$, выглядит так: $\vec{F} = q(\vec{v} \times \vec{B})$ Из-за конфигурации магнитного поля Земли, силовые линии входят в атмосферу в приполярных областях, образуя так называемые авроральные овалы. Именно в эти области и направляются захваченные частицы.

Проникая в верхние слои атмосферы на высотах от 80 до 500 км и выше, энергетические частицы (в основном электроны) сталкиваются с атомами и молекулами газов, составляющих атмосферу, — в первую очередь с кислородом и азотом. При столкновении частица передаёт часть своей энергии атому или молекуле, переводя их в возбуждённое состояние. Это состояние нестабильно, и спустя короткое время (от долей секунды до нескольких минут) атом или молекула возвращается в своё обычное, стабильное состояние, излучая при этом избыток энергии в виде кванта света — фотона. Совокупность свечения миллиардов таких атомов и молекул мы и наблюдаем как полярное сияние.

Цвет полярного сияния зависит от двух основных факторов: типа возбуждаемого газа и высоты, на которой происходит столкновение.

• Зелёный: Наиболее распространённый цвет. Он возникает при возбуждении атомов кислорода на высотах от 100 до 240 км. Наши глаза наиболее чувствительны к зелёному цвету, поэтому мы видим его лучше всего.

• Красный: Этот цвет также излучается атомами кислорода, но на значительно больших высотах (свыше 240 км), где атмосфера более разрежена. Из-за низкой концентрации атомов и длительного времени жизни возбуждённого состояния, красный цвет виден реже и обычно во время сильных магнитных бурь.

• Синий и фиолетовый: Эти цвета появляются в результате возбуждения молекул азота на высотах около 100 км. Они часто видны в нижней части наиболее активных и быстро движущихся «занавесей» сияния.

• Розовый: Представляет собой смесь красного и зелёного свечения и часто наблюдается на нижних кромках сияния.

Таким образом, полярные сияния — это грандиозное световое шоу, являющееся видимым проявлением сложного взаимодействия между Солнцем и Землёй, когда энергия, рождённая в недрах нашей звезды, преодолевает миллионы километров, чтобы раскрасить ночное небо над полюсами нашей планеты.

Ответ: Полярное сияние — это свечение верхних слоев атмосферы, вызванное столкновением заряженных частиц солнечного ветра, которые направляются магнитным полем Земли в приполярные регионы, с атомами и молекулами атмосферных газов (в основном кислорода и азота). При столкновении газы возбуждаются и затем излучают свет, создавая видимое сияние различных цветов.