Магнитосфера Земли. Полярные сияния

Учреждение образования «МГУ им. А.А. Кулешова»

Реферат

Магнитосфера Земли. Полярные сияния.

Факультет ПиПД 
Группа П-15 
Студентка:Каменска.В.Д 

Могилёв 2013 г. 

Оглавление

1. Введение.......................................................................................................... 3

2. Магнитное поле Земли………………………………....................................... 4

3. Происхождение магнитного  поля…………………......................................... 5

4. Составляющие геомагнитного  поля………………......................................... 5

5. Магнитосфера Земли……………………………........................................….. 6

6. Полярные сияния………………………………….........................................… 7

7. Формы полярных сияний…………………………........................................… 8

8. Активность полярных  сияний…………………........................................…… 8

9. Интенсивность свечения  и цвет………………….......................................….. 9

10. Теории происхождения полярных сияний…….......................................….. 9

11. Заключение..................................................................................................... 12

12. Список литературы........................................................................................ 13 

Введение

Магнитосфе́ра — область пространства вокруг планеты или другого намагниченного небесного тела, которая образуется, когда поток заряженных частиц, например солнечного ветра, отклоняется от своей первоначальной траектории под воздействием внутреннего магнитного поля этого тела.

Все знают, что наша планета  может генерировать собственное  магнитное поле. Однако до сих пор  ученые очень мало знают о том, что оно собой представляет и  как изменяется под воздействием внешних факторов. И это несмотря на то, что подобная информация зачастую весьма необходима людям — ведь изменения магнитного поля воздействуют как на живые, так и на неживые  объекты. Также давно назрела  необходимость в магнитных картах, которые дали бы точную информацию о залегании нефти и минералов, помогли бы климатологам следить  за океаническими и атмосферными течениями, метеорологам рассказывали бы о "космической погоде", а  геофизикам помогали исследовать структуру  поверхности нашей планеты.

Другим актуальным вопросом является вопрос о полярных сияниях.  
Сегодня мы знаем, что полярное сияние – это свечение верхних слоёв атмосферы вследствие взаимодействия с заряженными частицами солнечного ветра вблизи полюсов нашей планеты. В северном полушарии его называют также северным сиянием, а в южном полушарии – южным. В период солнечной активности полярное сияние «спускается» от полюсов к средним широтам и, например, в 2003 году наблюдалось даже в Москве.

1. Магнитное поле Земли

Большинство планет Солнечной  системы в той или иной степени  обладают магнитными полями. По убыванию дипольного магнитного момента на первом месте Юпитер и Сатурн, а за ними следуют Земля, Меркурий и Марс, причем по отношению к магнитному моменту  Земли значение их моментов составляет 20 000, 500, 1, 3/5000 3/10000. Дипольный магнитный  момент Земли на 1970 составлял 7,98·1025 Гс/см3 (или 8,3·1022 А.м2), уменьшаясь за десятилетие на 0,04·1025 Гс/см3. Средняя напряженность поля на поверхности составляет около 0,5 Э (5·10–5 Тл). По форме основное магнитное поле Земли до расстояний менее трех радиусов близко к полю эквивалентного магнитного диполя. Его центр смещен относительно центра Земли в направлении на 18° с.ш. и 147,8° в. д. Ось этого диполя наклонена к оси вращения Земли на 11,5°. На такой же угол геомагнитные полюса отстоят от соответствующих географических полюсов. При этом южный геомагнитный полюс находится в северном полушарии. В настоящее время он расположен недалеко от северного географического полюса Земли в Северной Гренландии. Его координаты j = 78,6 + 0,04° Т с.ш., l = 70,1 + 0,07° T з.д., где Т – число десятилетий от 1970. У cеверного магнитного полюса j = 75° ю.ш., l = 120,4° в.д. (в Антарктиде). Реальные магнитные силовые линии магнитного поля Земли в среднем близки к силовым линиям этого диполя, отличаясь от них местными нерегулярностями, связанными с наличием намагниченных пород в коре. В результате вековых вариаций геомагнитный полюс прецессирует относительно географического полюса с периодом около 1200 лет. На больших расстояниях магнитное поле Земли несимметрично. Под действием исходящего от Солнца потока плазмы (солнечного ветра) магнитное поле Земли искажается и приобретает «шлейф» в направлении от Солнца, который простирается на сотни тысяч километров, выходя за орбиту Луны.

Специальный раздел геофизики, изучающий происхождение и природу  магнитного поля Земли называется геомагнетизмом. Геомагнетизм рассматривает проблемы возникновения и эволюции основной, постоянной составляющей геомагнитного  поля, природа переменной составляющей (примерно 1% от основного поля), а  так же структура магнитосферы –  самых верхних намагниченных  плазменных слоев земной атмосферы, взаимодействующих с солнечным  ветром и защищающих Землю от космического проникающего излучения. Важной задачей  является изучение закономерностей  вариаций геомагнитного поля, поскольку  они обусловлены внешними воздействиями, связанными в первую очередь с  солнечной активностью.

2. Происхождение магнитного поля.

Наблюдаемые свойства магнитного поля Земли согласуются с представлением о его возникновении благодаря  механизму гидромагнитного динамо. В этом процессе первоначальное магнитное  поле усиливается в результате движений (обычно конвективных или турбулентных) электропроводящего вещества в жидком ядре планеты или в плазме звезды. При температуре вещества в несколько  тысяч К его проводимость достаточно высока, чтобы конвективные движения, происходящие даже в слабо намагниченной среде, могли возбуждать изменяющиеся электрические токи, способные, в соответствии с законами электромагнитной индукции, создавать новые магнитные поля. Затухание этих полей либо создает тепловую энергию (по закону Джоуля), либо приводит к возникновению новых магнитных полей. В зависимости от характера движений эти поля могут либо ослаблять, либо усиливать исходные поля. Для усиления поля достаточно определенной асимметрии движений. Таким образом, необходимым условием гидромагнитного динамо является само наличие движений в проводящей среде, а достаточным – наличие определенной асимметрии (спиральности) внутренних потоков среды. При выполнении этих условий процесс усиления продолжается до тех пор, пока растущие с увеличением силы токов потери на джоулево тепло не уравновесят приток энергии, поступающей за счет гидродинамических движений.

Динамо-эффект – самовозбуждение  и поддержание в стационарном состоянии магнитных полей вследствие движения проводящей жидкости или газовой  плазмы. Его механизм подобен генерации  электрического тока и магнитного поля в динамо-машине с самовозбуждением. С динамо-эффектом связывают происхождение  собственных магнитных полей  Солнца Земли и планет, а также  их локальные поля, например, поля пятен  и активных областей.

3. Составляющие геомагнитного поля.

Собственное магнитное поле Земли (геомагнитное поле) можно разделить  на cледующие три основные части:

1. Основное магнитное  поле Земли, испытывающее медленные  изменения во времени (вековые  вариации) с периодами от 10 до 10 000 лет, сосредоточенными в интервалах 10–20, 60–100, 600–1200 и 8000 лет. Последний связан с изменением дипольного магнитного момента в 1,5–2 раза.

2. Мировые аномалии –  отклонения от эквивалентного  диполя до 20% напряженности отдельных  областей с характерными размерами  до10 000 км. Эти аномальные поля  испытывают вековые вариации, приводящие  к изменениям со временем в  течение многих лет и столетий. Примеры аномалий: Бразильская, Канадская,  Сибирская, Курская. В ходе  вековых вариаций мировые аномалии  смещаются, распадаются и возникают  вновь. На низких широтах имеется  западный дрейф по долготе со скоростью 0,2° в год.

3. Магнитные поля локальных  областей внешних оболочек с  протяженностью от нескольких  до сотен км. Они обусловлены намагниченностью горных пород в верхнем слое Земли, слагающих земную кору и расположенных близко к поверхности. Одна из наиболее мощных – Курская магнитная аномалия.

4. Переменное магнитное  поле Земли (так же называемое  внешним) определяется источниками  в виде токовых систем, находящимися  за пределами земной поверхности  и в ее атмосфере. Основными  источниками таких полей и  их изменений являются корпускулярные  потоки замагниченной плазмы, приходящие от Солнца вместе с солнечным ветром, и формирующие структуру и форму земной магнитосферы.

4. Магнитосфера Земли.

Земное магнитное поле находится под воздействием потока намагниченной солнечной плазмы. В результате взаимодействия с полем  Земли образуется внешняя граница  околоземного магнитного поля, называемая магнитопаузой. Она ограничивает земную магнитосферу. Из-за воздействия солнечных корпускулярных потоков размеры и форма магнитосферы постоянно меняются, и возникает переменное магнитное поле, определяемое внешними источниками. Его переменность обязана своим происхождением токовым системам, развивающимся на различных высотах от нижних слоев ионосферы до магнитопаузы. Изменения магнитного поля Земли во времени, вызванные различными причинами, называются геомагнитными вариациями, которые различаются как по своей длительности, так и по локализации на Земле и в ее атмосфере.

Магнитосфера – область  околоземного космического пространства, контролируемая магнитным полем  Земли. Магнитосфера формируется в  результате взаимодействия солнечного ветра с плазмой верхних слоев  атмосферы и магнитным полем  Земли. По форме магнитосфера представляет собой каверну и длинный хвост, которые повторяют форму магнитных силовых линий. Подсолнечная точка в среднем находится на расстоянии 10 земных радиусов, а хвост магнитосферы простирается за орбиту Луны. Топология магнитосферы определяется областями вторжения солнечной плазмы внутрь магнитосферы и характером токовых систем.

Хвост магнитосферы образован  силовыми линиями магнитного поля Земли, выходящими из полярных областей и  вытянутых под действием солнечного ветра на сотни земных радиусов от Солнца в ночную сторону Земли. В  итоге плазма солнечного ветра и  солнечных корпускулярных потоков  как бы обтекают земную магнитосферу, придавая ей своеобразную хвостатую  форму. В хвосте магнитосферы, на больших  расстояниях от Земли, напряженность  магнитного поля Земли, а следовательно и их защитные свойства, ослабляются, и некоторые частицы солнечной плазмы получают возможность проникнуть и попасть во внутрь земной магнитосферы и магнитных ловушек радиационных поясов. Проникая в головную часть магнитосферы в область овалов полярных сияний под действием изменяющегося давления солнечного ветра и межпланетного поля, хвост служит местом формирования потоков высыпающихся частиц, вызывающих полярные сияния и авроральные токи. Магнитосфера отделена от межпланетного пространства магнитопаузой. Вдоль магнитопаузы частицы корпускулярных потоков обтекают магнитосферу. Влияние солнечного ветра на земное магнитное поле иногда бывает очень сильным. Магнитопауза – внешняя граница магнитосферы Земли (или планеты), на которой динамическое давление солнечного ветра уравновешивается давлением собственного магнитного поля. При типичных параметрах солнечного ветра подсолнечная точка удалена от центра Земли на 9–11 земных радиусов. В период магнитных возмущений на Земле магнитопауза может заходить за геостационарную орбиту (6,6 радиусов Земли). При слабом солнечном ветре подсолнечная точка находится на расстоянии 15–20 радиусов Земли.

Солнечный ветер – истечение  плазмы солнечной короны в межпланетное пространство. На уровне орбиты Земли  средняя скорость частиц солнечного ветра (протонов и электронов) около 400 км/с, число частиц – несколько  десятков в 1 см3.

5. Полярные сияния

Полярное сияние - поразительное явление свечения, наблюдаемое на небе, чаще всего в полярных областях. В Северном полушарии его называют также северным сиянием, а в высоких широтах Южного полушария – южным. Предполагается, что этот феномен существует также и в атмосферах других планет, например Венеры. Природа и происхождение полярных сияний – предмет интенсивных исследований, и в этой связи были разработаны многочисленные теории.

Явление свечения, до некоторой  степени близкое полярным сияниям, называемое «свечением ночного неба», можно наблюдать при помощи специальных  приборов на любой широте.

6. Формы полярных сияний.

В последние годы полярные сияния наблюдались визуально и  фотографировались, в частности  с применением прибора нового типа, называемого «аппаратом кругового  обзора». Полярные сияния имеют весьма разнообразные формы, включая проблески, пятна, однородные дуги и полосы, пульсирующие дуги и поверхности, всполохи, лучи, лучистые дуги, драпри и короны. Свечение, как правило, начинается в виде сплошной дуги, которая является одной из самых обычных форм и не имеет  лучистой структуры. Яркость может  быть довольно постоянной во времени  или же пульсировать с периодом менее  минуты. Если яркость сияния увеличивается, однородная форма часто распадается  на лучи, лучистые дуги, драпри или короны, в которых лучи как бы сходятся к вершине. Всполохи в форме быстро движущиеся вверх волн света часто  венчаются короной.

7. Активность полярных сияний и связанные с ними явления.

Полярные сияния исследуются с  помощью радиолокаторов. Радиоволны с частотами от 10 до 100 МГц при  определенных условиях отражаются областями  ионизации, которые возникают в  высоких слоях атмосферы под  воздействием полярных сияний. При  использовании высокочастотных  радиосигналов и антенн дальнего действия можно получать отраженные волны на частотах до 800 МГц. Радиолокационным методом ионизация обнаруживается даже днем при солнечном освещении, а также фиксируются очень  быстрые перемещения полярных сияний. Результаты фото- и радиолокационных наблюдений свидетельствуют, что активность полярных сияний подвержена как суточным, так и сезонным изменениям. Максимальная активность в течение суток отмечается ок. 23 ч, сезонный же пик активности приходится на дни равноденствия и близкие к ним временные интервалы (март – апрель и сентябрь – октябрь). Эти пики активности полярных сияний повторяются через относительно правильные промежутки, а продолжительность основных циклов составляет примерно 27 дней и ок. 11 лет. Все эти цифры показывают, что существует корреляция между полярными сияниями и изменениями магнитного поля Земли, поскольку пики их активности совпадают, т.е. полярные сияния обычно возникают в периоды высокой активности магнитного поля, которые называются «возмущениями» и «магнитными бурями». Именно во время сильных магнитных бурь полярные сияния прослеживаются в более низких, чем обычно, широтах.

Пульсирующие полярные сияния обычно сопровождаются пульсациями магнитного поля и очень редко – слабыми  свистящими звуками. Они, по-видимому, также генерируют радиоволны с частотой 3000 МГц. Ионосферные наблюдения в  радиоволновом диапазоне показывают, что на высотах 80–150 км во время полярных сияний повышается ионизация. Наблюдения, проводимые при помощи геофизических  ракет, указывают, что плотные ядра повышенной ионизации вдоль силовых  линий магнитного поля связаны с полярными сияниями, а при интенсивных полярных сияниях температура верхних слоев атмосферы возрастает.

8. Интенсивность свечения и цвет.

Интенсивность свечения полярных сияний обычно оценивается визуально и  выражается в баллах по принятой международной  шкале. Слабые полярные сияния, по интенсивности  свечения приблизительно соответствующие  Млечному Пути, оцениваются в I балл. Полярные сияния с интенсивностью, аналогичной лунной совещенности тонких перистых облаков – в II балла, а кучевых облаков – в III балла, свету полной Луны – в IV балла. Так, например, интенсивность в III балла, исходящая от дуги полярного сияния, соответствует свету нескольких микросвечей на 1 кв. см. Объективным методом определения интенсивности свечения полярного сияния является измерение суммарной освещенности с помощью фотоэлементов. Установлено, что соотношение интенсивности самых ярких к самым слабым полярным сияниям составляет 1000:1.

Полярные сияния интенсивностью свечения в I, II и III (близ нижней границы) балла  не кажутся разноцветными, так как  интенсивность отдельных цветов в них ниже порога восприятия. Полярные сияния с интенсивностью свечения в IV и III (у верхней границы) балла  кажутся цветными, как правило желтовато-зелеными, иногда – фиолетовыми и красными. С тех пор как в 1867 Андерс Ангстрем впервые направил спектроскоп на полярные сияния, в них было обнаружено и исследовано большое число спектральных линий и полос. Основная часть излучения испускается азотом и кислородом, главными компонентами высоких слоев атмосферы. Атомарный кислород обычно придает полярным сияниям желтоватые тона, иногда окраска вообще отсутствует, в спектре появляется зеленая линия с длиной волны 5577 Å, а также бывают красные лучистые полярные сияния с длиной волны 6300 Å (тип А). Сильное излучение молекулярного азота на волнах 4278 Å и 3914 Å наблюдается в красных и фиолетовых полярных сияниях в нижней части дуг или драпри (тип В). В некоторых формах полярных сияний обнаружено излучение водорода, что важно для понимания природы полярных сияний, так как эта эмиссия указывает на поступление потока протонов. 

9. Теории происхождения полярных сияний.

Как упоминалось выше, уже давно  было известно, что проявления полярных сияний и возмущения магнитного поля Земли, или магнитные бури, имеют  некоторые важные общие характеристики. Поэтому любая теория, предлагаемая для объяснения одного из этих явлений, должна объяснять и другое.

Частота проявления возмущений магнитного поля Земли и полярных сияний с  периодом 27 дней и 11-летний цикл указывают  на связь этих явлений с солнечной  деятельностью, поскольку период вращения Солнца составляет ок. 27 суток, а солнечная активность подвержена колебаниям циклического характера со средним периодом ок. 11 лет. Тот факт, что как полярные сияния, так и возмущения магнитного поля Земли концентрируются в одних и тех же поясах, приводит к выводу, что те и другие вызваны воздействием движущихся с высокой скоростью электрически заряженных частиц (протонов и электронов), испускаемых активными областями на Солнце (вспышками) и проникающих в зоны полярных сияний под воздействием магнитного поля Земли.

Эта идея была выдвинута Ойгеном Гольдштайном еще в 1881 и получила подтверждение в результате лабораторных экспериментов, впервые проведенных Кристианом Биркеланном. Он поместил внутрь катодной трубки железный шар, названный им «терреллой», который является моделью Земли и представляет собой электромагнит, покрытый оболочкой, фосфоресцирующей под действием катодных лучей. Когда Биркеланн подвергал шар действию катодных лучей, испускаемых непосредственно в камере, они падали на поверхность шара вокруг магнитных полюсов, образуя пояса свечения, подобные поясам полярных сияний.

Позднее математическая разработка этой проблемы была реализована Карлом Фредериком Стёрмером. Она получила известность как теория Биркеланна – Стёрмера, однако содержала в своей основе допущение, что от Солнца исходит поток частиц с одинаковыми электрическими зарядами. Правомерность этого допущения весьма спорна, так как такой поток частиц не мог бы приблизиться к Земле из-за электростатического отталкивания между одноименно заряженными частицами.

Фредерик А.Линдеман предположил в 1919, что поток заряженных частиц в целом электрически нейтрален, так как состоит из одинакового количества положительных и отрицательных зарядов. Эта идея была развита Сидни Чепменом и Винсентом С.А.Ферраро и несколько модифицирована Дэвидом Ф.Мартином. Тем не менее и эта теория тоже вызывает сомнения. Она предполагает существование вакуума в экзосфере и за пределами атмосферы, однако недавние наблюдения в этих областях пространства указывают на наличие заряженных частиц.

Некоторыми исследователями была выдвинута гипотеза, согласно которой  облако солнечного газа (плазмы), которое, вероятно, состоит из электронов и  протонов, может приближаться к нашей  планете на расстояние около шести  земных радиусов от центра Земли. При  воздействии плазмы на магнитное  поле Земли возникают магнитогидродинамические волны. Эти волны и ускоренные заряженные частицы, движущиеся вдоль  геомагнитных силовых линий, вызывают магнитные бури. Ускоренные частицы  проникают до высоты ок. 95 км в зоны полярных сияний, образуя плотные ядра ионизации вдоль геомагнитных силовых линий и вызывая электромагнитную эмиссию полярных сияний в результате взаимодействия с основными компонентами верхних слоев атмосферы – кислородом и водородом.

Тороидальная область распространения  заряженных частиц, окружающая Землю (т.н. радиационный пояс Ван Аллена), также  может играть важную роль, особенно в качестве причины возникновения  возмущений геомагнитного поля и  связанных с ними полярных сияний. Ультрафиолетовое излучение Солнца, метеоры и ветры в высоких  слоях атмосферы рассматривались  в качестве возможных причин образования  полярных сияний. Тем не менее ни одно из названных явлений не может быть первичной причиной, так как магнитуды их изменений недостаточно велики, чтобы объяснить основные характеристики полярных сияний. Необходимо проводить дальнейшие наблюдения в высоких слоях атмосферы Земли и за ее пределами с применением ракет и искусственных спутников, изучать радиоизлучение, а также рентгеновское излучение Солнца и поведение высокоэнергетических частиц в стратосфере – с помощью метеозондов во время магнитных бурь и при появлении полярных сияний.

Заключение

С наличием магнитосферы связаны  многие проявления космической погоды, такие как геомагнитная активность, геомагнитная буря и суббуря.

Магнитосфера обеспечивает защиту, без которой жизнь на Земле  была бы невозможна.

Полярные сияния при наблюдении с поверхности Земли имеют  разнообразные формы. Как правило, свечение начинается в виде однородной дуги без лучистой структуры: её яркость  бывает как постоянной, так и пульсирующей с периодом минуты и более. В том  случае, если яркость сияния начинает увеличиваться, возникают лучи, «драпри» (оптический эффект, напоминающий драпировку гардинами), всполохи, пятна, пульсирующие лучистые дуги или «короны» - когда  лучи сходятся к вершине. 
Полярные сияния могут продолжаться от десятков минут до нескольких суток. Они чаще возникают весной и осенью, с пиком частотности в периоды весеннего и осеннего равноденствия (обычно в марте – апреле и сентябре – октябре). Интересно, что за короткое время полярного сияния выделяется огромное количество энергии, иногда почти столько же, сколько во время землетрясений. 
 

Список литературы

1. Ландсберг Г. С. - Электричество и магнетизм;

 
2. Александров Н. Л. - Полярные сияния;

 
3. Дмитриева В.Ф. - Физика.