11812

Определение параметров солнечного ветра и его влияния на магнитосферу Земли

Лабораторная работа

География, геология и геодезия

Лабораторная работа № 2 по курсу КСЕ Определение параметров солнечного ветра и его влияния на магнитосферу Земли Цель работы: ознакомиться со структурой межпланетного магнитного поля и геомагнитосферы; определить радиальную скорость распространения выб

Русский

2013-04-11

973.5 KB

15 чел.

Лабораторная работа № 2 по курсу КСЕ

Определение параметров солнечного ветра и его влияния на магнитосферу Земли

    Цель работы: ознакомиться со структурой межпланетного магнитного поля и геомагнитосферы;  определить  радиальную скорость распро-странения выброса вещества Солнца, время распространения солнечного ветра до Земли и время возможного наступления магнитной бури.

    Приборы и принадлежности: http://priroda.inc.ru/pogoda/  -  электронный ресурс сети Интернет.  

Краткая теория

Солнечно-земные связи – междисциплинарный раздел астрофизики и геофизики, рассматривающий воздействия Солнца на процессы и явления, происходящие на Земле, начиная с его роли в формировании общего теплового режима планеты и ее атмосферы и вплоть до влияния на них самых разнообразных проявлений солнечной активности (СА).

        Средняя скорость вращения Земли вокруг Солнца u = 30 км/с. Среднее расстояние Солнца от Земли (1 астрономическая единица – 1 а.е.) примерно 149.6 млн. км.

Солнечный ветер

Внешние слои горячей солнечной короны находятся в состоянии постоянного расширения – корона как бы «испаряется» в межпланетное пространство (рис.1).

Рис. 1. Распространения выброса вещества Солнца.

По мере удаления от Солнца скорость этого расширения увеличивается и, в среднем, достигает значения около 400 км/с на расстоянии нескольких десятков солнечных радиусов. Это расширение получило название солнечного ветра (СВ). Солнечный ветер «дует» постоянно во все стороны, заполняя все межпланетное пространство движущейся от Солнца плазмой, им «обдуваются» все планеты солнечной системы. В результате в межзвездной среде образуется гигантское плазменное образование, постоянно пополняемое солнечным веществом и простирающееся на десятки астрономических единиц (т.е. на миллиарды километров). Плазма солнечного ветра, в основном, состоит из ионизованных атомов водорода (протонов) и гелия (альфа частиц), а также «оторванных» от них электронов. В этой движущейся намагниченной сплошной среде могут распространяться различного типа волны, звуковые, магнитогазодинамические, ударные. Межпланетное магнитное поле (ММП), «вытягиваемое» солнечным ветром из Солнца, – важная составляющая межпланетной среды. Облако солнечной плазмы, покидающее Солнце, движется по спирали (закрученной солнечным вращением) и примерно за 4 суток преодолевает расстояние от Солнца до Земли. Солнце за это время успевает повернуться на угол 60°. В итоге, если смотреть со стороны северного полюса Солнца на плоскость земной орбиты, структура межпланетного магнитного поля образует спиральный узор, закрученный по часовой стрелке – спираль Архимеда (рис.2).

Рис. 2. Спиральная структура межпланетного магнитного поля (ММП).

Вблизи Земли  скорость СВ составляет обычно 400-500 км/с. Поток заряженных частиц выбрасывается из Солнца через корональные дыры - области в атмосфере Солнца с открытым в межпланетное пространство магнитным полем (рис.3).

Рис. 3. Рентгеновский снимок Солнца. Во внутренней короне видна темная корональная дыра.

Солнце вращается с периодом 27 суток. Траектории движения частиц солнечного ветра, движущихся вдоль линий индукции магнитного поля, имеют спиральную структуру, обусловленную вращением Солнца. В результате вращения Солнца геометрической формой потока солнечного ветра будет архимедова спираль. В дни солнечных бурь солнечный ветер резко усиливается. Он вызывает полярные сияния и магнитные бури на Земле, а космонавтам не следует в это время выходить в открытый космос. Под воздействием солнечного ветра хвосты комет всегда направлены в сторону от Солнца. Солнце - мощный источник радиоизлучения. В межпланетное пространство проникают сантиметровые радиоволны, которые излучает хромосфера, и более длинные волны, излучаемые короной.

Магнитосфера Земли

Магнитосфера Земли редко находится в спокойном, стабильном состоянии. Более часто она возмущена, т.е. ее границы, поля, плазма и потоки энергичных частиц движутся, меняются, перестраиваются. Возмущения делятся на три группы. Полярные возмущения затрагивают лишь внешнюю магнитосферу, границы, касп и хвост магнитосферы (рис.4), а в проекции на ионосферу - область полярных шапок, северной и южной.

Магнитосферные суббури происходят в пограничной области между внешней и внутренней магнитосферой, в зоне квазизахвата и плазменном слое хвоста. В проекции на Землю - это авроральная зона или зона полярных сияний. Наконец, магнитные бури затрагивают всю магнитосферу, большие изменения происходят как во внутренней, так и во внешней магнитосфере.

Рис.4. Взаимодействие солнечного ветра с магнитосферой Земли: 1 – переходный слой (магнитощит); 2 – магнитопауза; 3 – фронт ударной волны; 4 – солнечный ветер; 5 – хвост магнитосферы; 6 – радиационные пояса.

Отличаются эти три типа возмущений и по длительности - полярные возмущения скоротечны, длительность отдельного события - 5-20 минут, изолированная суббуря продолжается около часа, суббуревое возущение с множественным началом - несколько часов. Магнитная буря продолжается несколько дней и включает в себя и суббури и полярные возмущения. 

Таким образом, солнечный ветер – это фактор, который необходимо учитывать при изучении процессов, происходящих в окрестности Земли, поскольку эти процессы в той или иной степени оказывают влияние на нашу жизнь. В частности, высокоскоростные потоки солнечного ветра, обтекая магнитосферу Земли, влияют на ее строение, а нестационарные процессы на Солнце (например, вспышки) могут приводить к магнитным бурям, нарушающим радиосвязь и влияющим на самочувствие метеочувствительных людей. Поскольку солнечный ветер зарождается в солнечной короне, то его свойства в районе орбиты Земли являются хорошим индикатором для изучения важных для практической деятельности человека солнечно-земных связей.

  1.  Методика эксперимента

Форма силовой линии межпланетного магнитного поля, распространяющегося по спирали Архимеда представлена на рис.5, где u - радиальная компонента скорости солнечного ветра вблизи Земли. На расстоянии орбиты Земли угол  j  между направлением силовой линии ММП и R порядка 45°.

Рис. 5. Форма силовой линии межпланетного магнитного поля.

Зная скорость (u)  регистрируемого в околоземном космическом пространстве солнечного ветра, можно определить его радиальную скорость распространения (V):                                                                                (1)

В зависимости от радиальной скорости распространения выброса вещества Солнца время распространения солнечного ветра от Солнца до Земли оценивается по формуле:

                      ,                                                              (2)

где – расстояние от Солнца до Земли и Т = Тбури - Твспышки.

  1.  Порядок выполнения работы

  1.  По известной скорости регистрируемого в околоземном космическом пространстве солнечного ветра (значение взять из таблицы 1 по указанию преподавателя) оценить:
  •  радиальную составляющую солнечного ветра (по формуле 1);
  •  время распространения солнечного ветра от Солнца до Земли (по формуле 2).
  1.  Найти предположительное время наступления геомагнитной бури, используя формулу 2 и сведения о солнечных вспышках (см. электронный ресурс http://priroda.inc.ru/pogoda/sun_veter.html).
  2.  Сравнить полученные результаты с данными мониторинга вспышек на Солнце, параметров регистрируемого в околоземном космическом пространстве солнечного ветра и геомагнитных бурь (см. электронный ресурс http://priroda.inc.ru/pogoda/sun_veter.html).
  3.  Сделать выводы.

 

  1.  Контрольные вопросы

  1.  От чего зависит цикл активности Солнца?
  2.  Что наблюдается на Солнце в период максимальной активности?
  3.  На что влияет солнечная активность (по Чижевскому А.Л.)?
  4.  Из чего состоит солнечный ветер?
  5.  Что такое магнитная буря?
  6.  Как влияют магнитные бури на человека?
  7.  Как вести себя во время магнитной бури?

ЛИТЕРАТУРА

  1.  Пудовкин М.И. Основы физики Солнца. СПб, 2001
  2.  Eris Chaisson, Steve McMillan Astronomy today. Prentice-Hall, Inc. Upper Saddle River, 2002
  3.  Владимирский Б.М., Темурьянц Н.А., Мартынюк В.С. Космическая погода и наша жизнь. Век 2, 2004
  4.  Амиантов А.С., Зайцев А.Н., Одинцов В.И., Петров В.Г. Вариации магнитного поля Земли. База цифровых данных магнитных обсерваторий России за 1984–2000 годы на СD-ROM. ИЗМИРАН, Москва, 2001
  5.  Солнечно-земная физика. Выпуск 4. – Сборник научных трудов. Издательство Сибирского отделения РАН, 2004
  6.  Электронный ресурс http://priroda.inc.ru/pogoda/sun_veter.html

Таблица 1

№ варианта

Скорость солнечного ветра ( в  км/с)

1

410

2

420

3

430

4

440

5

450

6

460

7

470

8

480

9

490

10

500


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

81449. Исследования на целых организмах, органах, срезах тканей, гомогенатах, субклеточных структурах и на молекулярном уровне 104.98 KB
  в биохимии всё шире применяются методы молекулярной и клеточной биологии в особенности искусственная экспрессия и нокаут генов в модельных клетках и целых организмах см. Определение структуры всей геномной ДНК человека выявило приблизительно столько же ранее неизвестных генов и их неизученных продуктов сколько уже было известно к началу XXI века благодаря полувековым усилиям научного сообщества. Искусственая экспрессия ранее неизвестных генов предоставила биохимикам новый материал для исследования часто недоступный традиционными методами....
81450. Эндэргонические и экзэргонические реакции в живой клетке. Макроэргические соединения 126.67 KB
  Многие из этих реакций происходят при участии аденозинтрифосфата АТФ играющего роль сопрягающего фактора. При сопряжении процессов 1 и 2 в реакции катализируемой гексокиназой фосфорилирование глюкозы легко протекает в физиологических условиях; равновесие реакции сильно сдвинуто вправо и она практически необратима...
81451. Дегидрирование субстрата и окисление водорода (образование Н2О) как источник энергии для синтеза АТФ. НАД- и ФАД-зависимые дегидрогеназы, убихинон-дегидрогеназа, цитохромы и цитохромоксидаза 152.07 KB
  Электроны обладающие высоким энергетическим потенциалом передаются от восстановленных коферментов NDH и FDH2 к кислороду через цепь переносчиков локализованных во внутренней мембране митохондрий. Они катализируют реакции типа: RCHOHR1 ND↔ RCOR1 NDH Н. Однако возможно включение электронов с NDPH в ЦПЭ благодаря действию пиридиннуклеотид трансгидрогеназы катализирующей реакцию: NDPH ND NDP NDH. К FMNсодержащим ферментам принадлежит NDHдегидрогеназа которая также локализована во внутренней мембране митохондрий; она...
81452. Окислительное фосфорилирование, коэффициент Р/О. Строение митохондрий и структурная организация дыхательной цепи. Трансмембранный электрохимический потенциал 107.79 KB
  Синтез АТФ из АДФ и Н3РО4 за счёт энергии переноса электронов по ЦПЭ называют окислительным фосфорилированием. В совокупности электрический и концентрационный градиенты составляют электрохимический потенциал ΔμН источник энергии для синтеза АТФ. Энергия электрохимического потенциала ∆μH используется для синтеза АТФ если протоны возвращаются в матрикс через ионные каналы АТФсинтазы. Строение АТФсинтазы и синтез АТФ АТФсинтаза НАТФаза интегральный белок внутренней мембраны митохондрий.
81453. Регуляция цепи переноса электронов (дыхательный контроль). Разобщение тканевого дыхания и окислительного фосфорилирования. Терморегуляторная функция тканевого дыхания 104.8 KB
  Скорость использования АТФ регулирует скорость потока электронов в ЦПЭ. Если АТФ не используется и его концентрация в клетках возрастает то прекращается и поток электронов к кислороду. С другой стороны расход АТФ и превращение его в АДФ увеличивает окисление субстратов и поглощение кислорода. Механизм дыхательного контроля характеризуется высокой точностью и имеет важное значение так как в результате его действия скорость синтеза АТФ соответствует потребностям клетки в энергии.
81454. Нарушения энергетического обмена: гипоэнергетические состояния как результат гипоксии, гипо-, авитаминозов и других причин. Возрастная характеристика энергетического обеспечения организма питательными веществами 102.97 KB
  Все живые клетки постоянно нуждаются в АТФ для осуществления различных видов жизнедеятельности. Клетки мозга потребляют большое количество АТФ для синтеза нейромедиаторов регенерации нервных клеток поддержания необходимого градиента N и К для проведения нервного импульса; почки используют АТФ в процессе реабсорбции различных веществ при образовании мочи; в печени происходит синтез гликогена жиров белков и многих других соединений; в миокарде постоянно совершается механическая работа необходимая для циркуляции крови; скелетные мышцы в...
81455. Образование токсических форм кислорода, механизм их повреждающего действия на клетки. Механизмы устранения токсичных форм кислорода 135.17 KB
  Механизмы устранения токсичных форм кислорода. В большинстве реакций с участием молекулярного кислорода его восстановление происходит поэтапно с переносом одного электрона на каждом этапе. При одноэлектронном переносе происходит образование промежуточных высокореактивных форм кислорода.
81456. Окислительное декарбоксилирование пировиноградной кислоты. Последовательность реакций. Строение пируватдекарбоксилазного комплекса 123.64 KB
  Превращение пирувата в ацетилКоА описывают следующим суммарным уравнением: СН3СОСООН ND HSKo → CH3CO ∼SKo NDH H CO2 В ходе этой реакции происходит окислительное декарбоксилирование пирувата в результате которого карбоксильная группа удаляется в виде СО2 а ацетильная группа включается в состав ацетил КоА. FD ND и КоА. Окислительное декарбоксилирование пирувата Превращение пирувата в ацетилКоА включает 5 стадий Стадия I. На стадии III КоА взаимодействует с ацетильным производным Е2 в результате чего образуются ацетилКоА...
81457. Цикл лимонной кислоты: последовательность реакций и характеристика ферментов. Связь между общими путями катаболизма и цепью переноса электронов и протонов 319.89 KB
  Цикл лимонной кислоты цитратный цикл цикл Кребса цикл трикарбоновых кислот ЦТК заключительный этап катаболизма в котором углерод ацетильного остатка ацетилКоА окисляется до 2 молекул СО2. Связь между атомами углерода в ацетилКоА устойчива к окислению. В условиях организма окисление ацетильного остатка происходит в несколько этапов образующих циклический процесс из 8 реакций: Последовательность реакций цитратного цикла Образование цитрата В реакции образования цитрата углеродный атом метильной труппы ацетилКоА связывается с...