Номер 3, страница 219 - гдз по физике 8 класс учебник Громов, Родина

Глава 5. Оптические явления. Параграф 53. Свет. Темы докладов - номер 3, страница 219.

Условие.

3. Загадки полярного сияния.

Решение.

3. Загадки полярного сияния.

Полярное сияние (северное – aurora borealis, и южное – aurora australis) – это одно из самых впечатляющих световых явлений в природе. Долгое время его происхождение и некоторые особенности оставались загадкой для человечества. Современная наука дала ответы на многие вопросы, но некоторые аспекты продолжают активно изучаться.

Основная причина полярного сияния – это взаимодействие заряженных частиц (в основном электронов и протонов), летящих от Солнца (так называемый солнечный ветер), с магнитосферой Земли. Магнитное поле нашей планеты отклоняет большую часть этого потока, но некоторые частицы захватываются и направляются вдоль силовых линий магнитного поля к полюсам. Входя в верхние слои атмосферы на высотах от 100 до 400 км, эти частицы сталкиваются с атомами и молекулами газов, в основном кислорода и азота.

В результате столкновений атомы газов возбуждаются, то есть переходят на более высокий энергетический уровень. Почти сразу же они возвращаются в свое обычное, стабильное состояние, излучая при этом избыток энергии в виде света (фотонов). Цвет сияния зависит от того, с каким газом и на какой высоте произошло столкновение. Например, столкновение с кислородом на высотах 100–250 км дает самый распространенный зелёный цвет, а на высотах свыше 250 км — красный. Взаимодействие с азотом придает сиянию синие, фиолетовые и темно-красные оттенки.

Несмотря на ясное понимание основного механизма, некоторые аспекты полярных сияний долгое время оставались "загадками".

Загадка звука

На протяжении веков очевидцы утверждали, что во время ярких полярных сияний слышали треск, шипение или тихий гул. Ученые долгое время были скептичны, так как сияние происходит на огромной высоте (более 100 км), где воздух настолько разрежен, что звуковые волны не могут распространяться и достигать поверхности Земли. Разгадка оказалась в том, что звук генерируется не на высоте сияния, а гораздо ниже. Согласно современным исследованиям, сильные геомагнитные возмущения, сопровождающие сияние, могут создавать мощное электрическое поле, которое достигает поверхности. Это поле вызывает электрические разряды с объектов на земле (например, с верхушек деревьев), что и производит слышимый треск. Другая гипотеза связывает звук с инверсионным слоем атмосферы на высоте около 70-80 метров.

Загадка ускорения частиц

Частицы солнечного ветра сами по себе имеют недостаточно энергии, чтобы вызвать такое яркое свечение. Долгое время было непонятно, какой механизм ускоряет их до нужных скоростей. Сейчас установлено, что ключевую роль в этом играют так называемые волны Альфвена – мощные электромагнитные волны, распространяющиеся вдоль линий магнитного поля Земли. Электроны, попадая в эти волны, могут "сёрфить" на них, как сёрфер на океанской волне, и разгоняться до огромных скоростей, достаточных для возбуждения атомов в атмосфере.

Загадка форм и структур

Почему сияния принимают такие причудливые формы: дуги, ленты, "занавесы"? Форма сияния напрямую связана со структурой магнитного поля Земли. Заряженные частицы движутся строго вдоль его силовых линий, подсвечивая их. Динамичные, танцующие движения сияния отражают турбулентные процессы, происходящие в магнитосфере под воздействием нестабильного солнечного ветра. То, что мы видим как "занавес", на самом деле является огромным, но очень тонким слоем светящегося газа, на который мы смотрим сбоку. Когда наблюдатель находится прямо под сиянием, "занавес" превращается в "корону" – лучи, расходящиеся из одной точки над головой.

Загадка пульсации

Иногда сияния не просто светятся, а пульсируют с определенной периодичностью, то вспыхивая, то затухая. Этот тип сияний связан с особым видом электромагнитных волн в магнитосфере, известных как "хоровые" волны (chorus waves). Эти волны периодически "высыпают" порции электронов из магнитосферы в атмосферу, вызывая ритмичные вспышки света.

Таким образом, большинство "загадок" полярного сияния сегодня имеют научное объяснение, хотя изучение его тонких структур и необычных форм (таких как недавно открытое явление "Стив" – STEVE) продолжается.

Ответ: Полярное сияние – это свечение верхних слоев атмосферы, вызванное столкновением заряженных частиц солнечного ветра с атомами и молекулами атмосферных газов. Частицы направляются к полюсам магнитным полем Земли. Основными "загадками" полярного сияния, которые были в значительной степени решены наукой, являлись: 1) происхождение звуков, сопровождающих сияние (они генерируются низко в атмосфере или у земли из-за сильных электромагнитных возмущений); 2) механизм ускорения частиц (происходит за счет их взаимодействия с электромагнитными волнами Альфвена в магнитосфере); 3) причудливые формы (они повторяют структуру силовых линий магнитного поля Земли); 4) пульсация сияний (вызывается периодическим воздействием "хоровых" волн на потоки электронов).