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

16 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

78972. Формы развития научных знаний: проблема, факт, гипотеза, теория, научно-исследовательская программа 37.5 KB
  Проблема - объективно возникающий в ходе развития познания вопрос или комплекс вопросов, решение которых представляет существенный практический или теоретический интерес. Проблема в науке - это такая задача или вопрос
78973. Изменчивость научного знания как проблема философии науки. Представление о движущих силах развития научного знания. 45 KB
  Изменчивость научного знания как проблема философии науки. Представление о движущих силах развития научного знания. XX века в качестве оппозиции экстернализму подчеркивавшему фундаментальную роль социальных факторов как на этапе генезиса науки так и на всех последующих этапах развития научного знания. Последнему принадлежит наиболее значительная попытка обоснования правомерности интерналистской программы развития научного знания.
78974. Теоретический уровень научного познания и его методы 37 KB
  Теоретический уровень научного познания и его методы Теоретический уровень высший уровень научного познания включает факты добытые эмпирическим путем предшествующие развитию науки а также логические выводы добытые разумом человека. Абстрагирование Процесс познания всегда начинается с рассмотрения конкретных чувственно воспринимаемых предметов и явлений их внешних признаков свойств связей. является необходимым моментом процесса познания.
78975. Кумулятивистская и антикумулятивисткая модели развития науки, концепции Поппера, Куна, Лакатоса 30.5 KB
  Кумулятивистская и антикумулятивисткая модели развития науки концепции Поппера Куна Лакатоса. Концепция Куна Кун считает что развитие науки представляет поцесс поочередной смены двух периодов – нормальной науки и научной революции. Причем последние гораздо более редки в истории развития науки по сравнению с первыми. Характер концепции Куна определяется пониманием научного сообщества члены которого разделяют определенную парадигму приверженность к которой обуславливается положением его в данной социальной организации науки принципами...
78976. КОНЦЕПЦИЯ НАУЧНЫХ РЕВОЛЮЦИЙ Т.КУНА 40 KB
  История науки по Куну: Согласно книге Структура научных революций Т.Куна историю науки можно представить следующей схемой: 1 При переходе к зрелой науке на основе идей одной или нескольких научных школ возникает общепринятая парадигма; 2 одно из главных направлений деятельности нормальной науки – обнаружение и объяснение фактов как фактов подтверждающих парадигму; 3 при таком исследовании часть фактов трактуется как аномалии – факты противоречащие парадигме; 4 в период кризиса доверие к парадигме в известной степени подорвано но...
78978. Особенности становления и основные принципы неклассической науки 43 KB
  Планк квантавая теория Резенфорд планетарная модель атома Ренген ренгеновские лучи Все эти открытия разрушили картину мира. Основные принципы: Установка на невозможность описать мир сам по себе Установлено различие в организации и развитии 3х уровней мира: макро микро мега. Нет качественной однородности в мега микро и макромирах Вероятностный детерменизм Признавалась роль случайностей. Случайность – равноценный фактор необходимости Объект исследования не вещи а процессы Принципиально невозможно найти первокирпичик мира т.
78979. Понятие рациональности, научной рациональности. Виды и типы научной рациональности 48 KB
  Понятие рациональности научной рациональности. Виды и типы научной рациональности. В самой идее рациональности можно увидеть символ современной научно-технической цивилизации со всеми ее особенностями и противоречиями. Ее началом является некоторый тип активно-преобразовательного отношения человека к миру с которым и связывается как правило сама идея рациональности.
78980. Пространство и время в современной и классической картине мира 35 KB
  Пространство и время в современной и классической картине мира. Пространство есть форма координации сосуществующих объектов состояний материи. Пространство и время это всеобщие формы существования координации объектов. Пространство и время в классической картине мира.