Чердак. Только физика, только хардкор - Дмитрий Побединский

Повезло тому, кто хоть раз видел яркое, завораживающее полярное сияние. Кажется, что словно природа рисует на небе невидимой кистью светящиеся полосы. Это удивительная игра света, на все небо – от края до края! Это самое удивительное световое шоу, которое только можно увидеть на Земле. У него нет аналогов. И самое главное, оно притягивает своей эксклюзивностью, тем, что только в холодных, суровых областях у вас есть возможность любоваться полярным сиянием довольно часто. И, конечно, шарма полярному сиянию добавляют льды и снега полярных областей, которые получили эксклюзивное право на трансляцию этого явления.

Но не всегда это сияние такое уж и полярное. Ведь совсем недавно мы могли наблюдать полярное сияние даже в Москве и других городах средних широт. Более того, непосредственно на полюсах оно бывает не очень часто. Так как же оно образуется и какие у него особенности?

Наша планета – удивительный везунчик, ведь для полярного сияния нужно два фактора: наличие атмосферы и магнитного поля. Они есть только у Меркурия, Земли, Юпитера, Сатурна.

Полярное сияние – это удивительное сочетание солнечной активности, магнитосферы Земли и воздействия всего этого на атмосферу.

Просто удивительно, насколько красиво, элегантно и гармонично устроена природа, как простейшие законы физики приводят к возникновению поистине поразительных явлений… Но обо всем по порядку.

Полярные сияния возможны благодаря тому, что Солнце испускает в пространство огромное количество не только излучения, но и вещества. От него непрерывно, с невероятной скоростью, отлетает бесчисленное количество протонов и электронов. Это явление называется солнечный ветер. По сути это плазма, но только светится она слабо, так как достаточно разреженная.

Иногда Солнце перебарщивает и выплевывает огромные кучи вещества. Это уже не просто небольшая вспышка. Через два-три дня полета все это вещество достигает Земли. При этом скорости у частиц разные, они обладают разной энергией, и вот тут начинается самое интересное. Они захватываются магнитным полем Земли, которое по структуре похоже на кочан капусты или лук и представляет собой множество магнитных оболочек.

Каждый одиннадцатиклассник должен знать, что на заряженные частицы в магнитном поле действует сила Лоренца, под воздействием которой они начинают заворачивать и двигаться по спирали. Получается, они как бы наматываются на линии магнитного поля и начинают двигаться к полюсам. Это чем-то напоминает макароны. Причем шаг винтовой линии зависит от силы поля: чем ближе к полюсам, тем оно сильнее и шаг меньше. В какой-то момент частица может остановиться и полететь обратно, закручиваясь вокруг линии магнитного поля. Таким образом она оказывается в ловушке и начинает колебаться около Земли в космосе.

Оказывается, что Земля просто опоясана такими областями, где частицы попали в западню, словно Индиана Джонс в комнате со сдвигающимися стенами. Это радиационные пояса. Таких поясов, как минимум, два. В ближнем к нам – самые быстрые частицы, но они не доходят до атмосферы и колеблются пока еще в космосе. Подальше – пояс с частицами помедленней. Его края находятся уже поближе, но все равно не касаются атмосферы.

Есть и третий пояс. На самом деле его не существует, потому что его края – в атмосфере, и когда частица попадает в этот пояс, она, дойдя до края, попадает в атмосферу. Зона вхождения этого пояса квазизахвата, как его называют, лежит на широте около 60–70 градусов. Там и наблюдают максимум сияний. Существуют сайты в Интернете, где можно онлайн отследить интенсивность сияний. А вот непосредственно на полюсах сияний мало, так как очень мало частиц с такими маленькими энергиями.

Когда частицы попадают в атмосферу, они летят с большой скоростью. Сшибая на своем пути атомы, они переводят их в возбужденное состояние, в котором у них есть излишек энергии. Долго атомы в таком состоянии не находятся и через доли секунды сбрасывают эту энергию в виде фотонов. Так что, видя полярное сияние, помните, что вы видите свет, созданный частицами солнца.

На разных высотах состав атмосферы разный, разные газы имеют разные энергии возбуждения, поэтому и цвет получается разный. В основном это зеленый (благодаря кислороду, азоту), но бывает и красный, и синий и так далее.

4.3. Разгон туч перед парадом

Приятно, когда за окном лето, каникулы, хорошая погода, солнце. Но дождливые дни тоже иногда случаются. И как же иногда хочется управлять погодой и подстраивать ее под свое настроение! Что ж, при сильном желании и большом количестве денег нет ничего невозможного.

Ни для кого не секрет, что в крупных городах перед большими праздниками разгоняют тучи, чтобы была ясная и солнечная погода. Но как это делают? Все очень просто. Есть большие самолеты с огромными руками. Они летают вокруг города и отодвигают тучи!..

Нет-нет, конечно же, такого не бывает. На самом деле тучи не разгоняют, а осаждают, то есть заставляют их выпасть в виде дождя где-то вдалеке, благодаря чему облако исчезает. Но как заставить тучу выпасть в виде осадков?

Давайте разберемся, как образуются облака. В воздухе постоянно присутствует влага, невидимые водяные пары, которые испаряются с поверхности озер, океанов, луж. Эти водяные пары поднимаются вверх и конденсируются. В результате конденсации образуются микроскопические капельки жидкости, которые рассеивают свет. Возникает некий туман, это и есть облако. Но конденсация не может происходить просто так, при понижении температуры. Для этого нужны какие-то пылинки, взвешенные частички в воздухе, вокруг которых и образуется микрокапелька. Ну и конечно же, вокруг маленьких пылинок образуются настолько маленькие микрокапельки, что восходящие потоки воздуха не дают им упасть. Поэтому облако держится на плаву.