Astronet Астронет: А. Ю. Румянцев/МаГУ Методика преподавания астрономии в средней школе
http://variable-stars.ru/db/msg/1177040/chapter7_04.html
Методика преподавания астрономии
<< Предыдущая

Содержание

Следующая >>

Методика проведения 3 урока
"Солнечная активность"

Цель: формирование понятий о Солнце, космическом явлении солнечной активности и солнечно-земных связях.

Задачи обучения:

Общеобразовательные - формирование понятий:

1) о космическом явлении солнечной активности:

- о различных формах проявлений солнечной активности: коронарных дырах и коронарных конденсациях, солнечных пятнах, факельных полях, флоккулах, протуберанцах, хромосферных вспышках, блинкерах, солнечном ветре и т.д.;
- о физических процессах взаимодействия солнечной плазмы и магнитных полей, обусловливающих возникновение вышеперечисленных проявлений солнечной активности;
- о цикличности солнечной активности.

2) о солнечно-земных связях:

- о роли солнечного излучения в существовании и развитии жизни на Земле;
- о взаимодействии солнечного ветра с магнитным полем Земли, возникновении магнитных бурь и полярных сияний;
-о результатах воздействия проявлений солнечной активности на атмосферные, климатические, биосферные процессы;
- о результатах воздействия проявлений солнечной активности на общее состояние и здоровье людей, социальные явления и технические объекты;
- о мерах защиты и профилактики вредного воздействия солнечной активности на здоровье людей и техносферу.

Воспитательные:

1) Формирование научного мировоззрения учащихся:

- при сообщении материала о различных проявлениях солнечной активности и механизмах их возникновения;
- в ходе знакомства с определенным типом космическо-земных связей – солнечно-земными связями и их воздействием на атмосферу, климат и биосферу Земли, общее состояние и здоровье людей, социальные явления и технические объекты;
- объяснения явлений "магнитные бури" и "полярные сияния";

2) Борьба с предрассудками, связанными с неверным пониманием физики солнечной активности, ее периодичности и воздействия на геосферные процессы и человека, в том числе связи магнитных бурь и здоровья людей.

3) Патриотическое воспитание при знакомстве учеников с выдающейся ролью российских ученых (А.Л. Чижевского, В.И. Вернадского и др.) в исследовании солнечно-земных связей.

4) Политехническое и экологическое образование при изложении материала о промышленном использовании солнечной энергии.

Развивающие - формирование умений:

- анализировать информацию, объяснять причины возникновения проявлений солнечной активности на основе важнейших физических теорий;
- решать задачи на расчет основных параметров Солнца и проявлений солнечной активности с использованием законов механики, молекулярной физики, термодинамики, электродинамики.

Ученики должны знать:

- о структуре и основных физических характеристиках атмосферы (фотосфере, хромосфере, короне) Солнца (приближенные значения соответствующих числовых величин);
- об основных формах проявлений солнечной активности: коронарных дырах солнечных пятнах, факельных полях, протуберанцах, хромосферных вспышках, солнечном ветре;
- о причинах возникновение вышеперечисленных проявлений солнечной активности в результате взаимодействия солнечной плазмы и магнитных полей;
- об основных циклах солнечной активности;
- о солнечно-земных связях: роли солнечного излучения в существовании и развитии жизни на Земле и о взаимодействии солнечного ветра с магнитным полем Земли;
- о сущности явлений магнитных бурь и полярных сияний;
- о воздействии проявлений солнечной активности на атмосферные, климатические, биосферные процессы, общее состояние и здоровье людей и технические системы;
- о мерах защиты и профилактики вредного воздействия солнечной активности на здоровье людей и техносферу;
- астрономические формулы и величины: солнечная постоянная, температура фотосферы, температура и давление в центре Солнца, продолжительность основного (11-летнего) цикла солнечной активности, формулу для расчета чисел Вольфа.

Ученики должны уметь:

- анализировать учебный материал, использовать обобщенный план для изучения космических явлений, делать выводы;
- решать задачи на расчет основных параметров Солнца и проявлений солнечной активности с использованием законов механики, молекулярной физики и термодинамики.

Наглядные пособия и демонстрации:

- фотографии, схемы и рисунки телескопического вида Солнца, внутреннего строения его атмосферы и проявлений солнечной активности;
- диапозитивы из серия слайд-фильмов "Иллюстрированная астрономия": "Солнце"; "Необыкновенные небесные явления".
- диафильмы (фрагменты диафильмов): "Планета Земля"; "Магнитное поле Земли"; "Солнце и жизнь на Земле";
- кинофильмы (кинофрагменты): "Протуберанцы"; "Солнце"; "Солнце – главный источник энергии на Земле";
- таблицы: "Земля в космическом пространстве"; "Солнце"; "Строение Солнца"; "Солнечная активность и ее земное проявление".

Задание на дом:

1) Изучить материала учебников:

- Б.А. Воронцов-Вельяминова: § 22 (3, 4); упр. 19.
- Е.П. Левитана: § 21; вопросы-задания.
- А.В. Засова, Э.В. Кононовича: § 26 (2-3); упр. 26.5 (4, 5).

2) Выполнить задания из сборника задач Воронцова-Вельяминова Б.А. [28]: 325; 326; 335.

План урока

Этапы урока

Содержание

Методы изложения

Время, мин

1

Повторение и актуализация пройденного материала

Фронтальный опрос, беседа

5-7

2

Изложение нового материала:
1. Солнечная активность (основные формы, механизм, периодичность)
2. Солнечно-земные связи: роль излучения Солнца в существовании жизни; взаимодействие солнечного ветра с магнитным полем Земли; воздействия проявлений солнечной активности на атмосферу, климат, биосферу, человека и технику

Лекция, беседа, рассказ учителя

22-25

3

Закрепление изученного материала. Решение задач

Работа у доски, самостоятельное решение задач в тетради

10-12

4

Подведение итогов урока. Домашнее задание

3

 Методика проведения урока:

В начале урока традиционно проводится повторение и актуализация учебного материала, изученного на предыдущем уроке. Ученикам задают вопросы:

  1. Что такое Солнце? Сформулируйте определение Солнца.
  2. Каково расстояние от Земли до Солнца? Чем Солнце отличается от Земли и других планет Солнечной системы?
  3. Каковы основные характеристики Солнца: масса, размеры (в сравнении с земными), возраст, химический состав, состояние вещества, цвет, температура видимой поверхности, блеск и светимость Солнца?
  4. Что характеризует и чему равна "солнечная постоянная"? Почему ее так называют?
  5. Каково внутреннее строение Солнца? Дайте краткую характеристику ядру, зоне лучистого переноса, зоне конвекции и атмосфере (фотосфере, хромосфере и короне) Солнца. Как рассчитать параметры внутреннего строения Солнца?
  6. Что представляют собой черные и светлые пятна на Солнце? Почему они возникают?
  7. Почему светит Солнце? Объясните причины выделения энергии в недрах Солнца.
  8. Почему Солнце "живет" без существенных изменений миллиарды лет? Объясните причины этого космического процесса.
  9. Как Солнце воздействует на Землю и жизнь людей?

Для ответов на отдельные вопросы ученики выходят к доске и сопровождают свой рассказ рисунками, схемами (равновесия сил в недрах Солнца и т.д.), используют демонстрационные таблицы (внутреннего строение Солнца и др.) и другие средства наглядности. В "обыкновенных" и "слабых" классах достаточно добиться от учеников качественного понимания материала. В "сильных" и физико-математических классах ответы должны быть более подробными и аргументированными, ученики должны помнить важнейшие числовые характеристики основных физических характеристик Солнца; формулы, по которым можно рассчитать параметры его внутреннего строения; схему протекания термоядерных реакций протон-протонного цикла. Учитель поправляет, уточняет, обобщает ответы учащихся.

Часть учеников выполняет в это время соответствующие программируемые задания:

1. Сборник задач Г.П. Субботина [287], задания NN 227; 230; 242.
2. Сборник задач Е.П. Разбитной [244], задания NN 22-3; 22-4.
3. Задание из "Универсальной астрономической анкеты".

(верные ответы: А1; Б3; В 3; Г4; Д4)

А. Солнце - это: 1) звезда; 2) планета; 3) комета.

Б. Масса Солнца: 1) равна массе Луны; 2) равна массе Земли;
3) в 333000 раз больше массы Земли; 4) в 3 миллиарда раз больше массы Земли

В. Солнце- это: 1) красная звезда класса М; 2) оранжевая звезда класса К;
3) желтая звезда класса G; 4) белая звезда класса А.

Г. 1) Солнце - самая большая из известных звезд; 2) Солнце - самая маленькая из известных звезд;
3) Солнце совпадает по размерам с Землей; 4) Солнце больше Земли по размерам в 109 раз

Д. Температура на поверхности Солнца: 1) 3 000њ С; 2) 4 500њ С; 3) 10 000њ С; 4) 6 000њ С.

В ходе опроса и беседы нужно осторожно заострить внимание учеников на следующих положениях:

  1. Солнце состоит из плазмы – ионизированного атомарного газа, хаотично движущихся заряженных частиц, взаимодействующих между собой и внешними электромагнитными полями.
  2. Солнце обладает как общим сравнительно слабым магнитным полем, так и местными (локальными) мощными полями на отдельных участках атмосферы.
  3. В результате взаимодействия заряженных частиц и магнитного поля изменяются характеристики движения (скорость, направление) и энергия частиц.
  4. Земля находится внутри внешних слоев солнечной атмосферы – короны.
  5. Солнце оказывает влияние на процессы в околоземном космическом пространстве и на Земле.
  6. От Солнца зависит существование жизни на нашей планете.

Далее в форме лекции, переходящей в беседу, излагается новый материал. Сообщаем ученикам определение космического явления солнечной активности. Взаимодействие плазмы с магнитными полями описывается с опорой на природу известного учащимся явления электромагнитной индукции. Нужно объяснить школьникам, что солнечная плазма как смесь заряженных частиц (ионов, электронов и протонов) обладает очень низким электрическим сопротивлением. По правилу Ленца, ослабление (уменьшение индукции) магнитного поля порождает поддерживающий его электрический ток (поток магнитной индукции через площадь, ограниченную произвольным контуром, со временем не изменяется). Плазма может беспрепятственно перемещаться ("течь") вдоль силовых линий магнитного поля. При движении плазмы поперек поля в силу условия постоянства потока магнитной индукции плазма увлекает за собой "вмороженные" в поле линии индукции и замедляет свое движение с выделением энергии. Все проявления солнечной активности возникают в результате усиления и (или) взаимодействия местных (локальных) магнитных полей в верхней части конвективной зоны и в атмосфере.

Существенными особенностями солнечной активности являются ее цикличность и влияние на геосферные оболочки и околоземное космическое пространство.

Солнечная активность

Солнечная активность - комплекс явлений, охватывающих всю атмосфере Солнца в областях размерами 10-105 км за время 1-106 с.

Рис. 26. Строение конвективной зоны атмосферы Солнца

Активные области порождаются всплыванием мощной трубки магнитного потока из магнитного слоя у основания конвективной зоны. Вместе с плазмой поднимаются "вмороженные" в нее магнитные поля с индукцией 0,2 - 0,3 Тл, возникающие вследствие неоднородности вращения Солнца и обладающие сложной структурой, которая в ходе движения приобретает петлеобразную форму. Гигантские устойчивые биполярные магнитные области обладают двумя полюсами противоположной полярности, соединяющимися системой арок протяженностью до 30000 км и высотой до 5000 км. Вершины арок медленно поднимаются; у полюсов арок солнечное вещество медленно стекает вниз (рис. 26-28). В фотосфере активные области расщепляются на множество тонких трубок с напряженностью магнитного поля 1-2× 103 Э, образующих факельные поля. Области пересечения тонких магнитных трубок с фотосферой наблюдаются в форме групп солнечных пятен.

Ряд ученых сомневается в существовании трубок магнитного потока и считает, что циркулирующая в супергрануляционных ячейках солнечная плазма сама может усиливать магнитное поле до значительной напряженности и порождать биполярные магнитные конфигурации.

Рис. 27. Образование протуберанцев

Обычно магнитное поле на участке солнечной поверхности обладает индукцией 10-4 Тл при напряженности 1 Э. Оно не может управлять движением плазмы, свободно участвующей в конвекции, поскольку плотность кинетической энергии участвующей в конвективном движении плазмы (W = 125 Дж/м3) выше плотности энергии магнитного поля (4× 10-3 Дж/м3). Магнитное поле биполярной магнитной области подавляет конвекцию, если его индукция достигает 0,2 Тл: плотность энергии магнитного поля биполярных областей (1,6× 104 Дж/м3) оказывается существенно выше плотности кинетической энергии участвующей в конвективном движении плазмы, а магнитное поле не может двигаться поперек линий индукции. Помимо биполярных встречаются мультиполярные и униполярные активные области.

Рис. 28. Движение вещества в солнечной  атмосфере.
Арки биполярных магнитных областей

По масштабам и времени проявления солнечной активности разделяются на медленноменяющиеся - коронарные дыры, факельные поля, пятна, фотосферные волокна, и быстроменяющиеся - протуберанцы, хромосферные вспышки и т.д. (рис. 22).

Коронарные дыры – области пониженной яркости короны, в которых силовые линии крупномасштабного магнитного поля, пронизывая всю корону, уходят в межпланетное пространство; наблюдаются в рентгеновском диапазоне длин волн в виде черных провалов на фоне яркого сияния короны. Яркие области над центрами активности с повышенной плотностью плазмы называются коронарными конденсациями.

Факельные поля (флоккулы) (6) - области ослабления магнитных трубок (местных магнитных полей) до напряженности 5-300 Э, где на поверхность Солнца "прорывается" более нагретое (до 10000 К) солнечное вещество. Наблюдаются в виде светлых участков фотосферы, часто окружающих солнечные пятна. Размеры факельных полей от 5000 до 50000 км, среднее "время жизни" – месяцы (до года). В годы максимумов солнечной активности факельные поля занимают до 10 % поверхности Солнца.

Солнечные пятна (7) - темные промежутки тени, окруженные более светлой полутенью, - области солнечной поверхности с температурой около 4000 К и размерами от 1 до 35000 км (площадь солнечного пятна в апреле 1947 г. составляла 18130000000 км2), возникающие там, где местные магнитные поля с индукцией 0,4 - 0,5 Тл и напряженностью от 1000 до 4500 Э, "всплывая" на поверхность Солнца, подавляют конвекцию. Лишенный подогрева "снизу" участок солнечной поверхности остывает и по контрасту с окружающей "горячей" поверхностью кажется черным пятном. Число, величина и расположение пятен и групп пятен постоянно изменяются. Среднее "время жизни" пятна - от нескольких суток до нескольких недель (максимум - до 200 суток). Как правило, пятна образуются группами, в которых они концентрируются преимущественно вокруг ведущего (западного) и ведомого (восточного), имеющих различную полярность, причем силовые линии магнитного поля как бы выходят из одного пятна и входят в другие.

Протуберанцы (8) - сравнительно холодные плотные облака солнечного вещества (Т~ 104 К), выброшенные в хромосферу в результате ускоряющего действия магнитных трубок местных полей на движение солнечного вещества на высоту около 104 км. Протуберанцы имеют разнообразную причудливую форму. Вещество спокойных протуберанцев, плавающих в хромосфере до 1 года, лежит в углублениях "примятых" арок магнитного поля (рис. 217). В активных или эруптивных, отличающихся быстрым развитием протуберанцах, существующих в течение недель, реже – месяцев, но достигающих в длину до 1/3 R¤ (150000-250000 км), плазма течет вдоль линий магнитного поля со скоростью до 700 км/с.

Хромосферная сетка наблюдается в ультрафиолетовой части спектра в хромосфере в виде покрывающей солнечный диск совокупности крупных ячеек размерами 2-3× 104 км, внутри которых газ растекается от центра со скоростью 0,3-0,4 км/с к границам ячейки, где магнитное поле усиливается до 10-15 Э. Среднее "время жизни" отдельной ячейки- до нескольких суток.

Солнечные хромосферные вспышки (9) возникают в группах пятен с противоположным направлением магнитных полей при их взаимном уничтожении (аннигиляции). Механизм их возникновения таков: меж пятнами разной полярности возникает нейтральный слой, магнитная индукция в котором равна нулю; при определенных условиях в нем может возникнуть обусловленный движением электронов и ионов плазмы электрический ток, нагревающий плазму за счет энергии магнитного поля. Поскольку плазма имеет очень небольшое сопротивление, в обычных условиях ее нагрев в нейтральном слое незначителен, но поля "выдавливают" плазму в нейтральный слой и сжимают его. По мере сжатия нейтрального слоя растет скорость частиц – носителей тока; электроны ускоряются сильнее массивных ионов. Плазма становится неоднородной, в ней возникают турбулентные движения, завихрения, возрастают электрическое сопротивление и температура плазмы (до 107 К). В области размерами до 1000 км выделяется до 1022-1025 Дж/с энергии (как при одновременном взрыве миллиардов термоядерных бомб). При вспышке образуется большое коронарное облако с температурой 2-3× 107 К (до 108 К). Вспышки (до 10 в сутки) порождают мощное ультрафиолетовое, рентгеновское и радиоизлучение, выброс заряженных частиц со скоростью до 30000 км/с - солнечные космические лучи.

В вершинах гранул ежеминутно наблюдаются тысячи и десятки тысяч кратковременных вспышек - блинкеров ("мигалок") мощностью до 103 Мт и размерами до 104 км. Возможно, именно они порождают солнечный ветер и передают часть энергии от "холодной" фотосферы "горячей" короне.

В глубине хромосферы, в1500-2500 км над фотосферой в основаниях отдельных коронарных петель, возникающих в активных областях после солнечных вспышек, в течение десятков часов наблюдаются "губчатые" образования – "солнечный мох", где раскаленная до107 К плазма сильно и внешне беспорядочно "перемешана" с относительно "холодным" (до 6000 К) солнечным веществом.

В районе солнечных полюсов наблюдаются мощные вихри и смерчи - восходящие потоки солнечного вещества со скоростью круговых движений до 500000 км/ч.

Количественная характеристика солнечной активности - числа Вольфа - определяется по формуле: W = 10 g +f, где g - количество групп пятен, f - количество всех наблюдаемых пятен. Другими, более точными индикаторами солнечной активности являются суммарная площадь пятен и интенсивность солнечного радиоизлучения (l = 0,107 м).

Солнечный цикл – периодический процесс появления и развития на всей поверхности Солнца активных областей, обусловленных "всплыванием" в атмосферу сильных магнитных полей.

Средний промежуток между двумя максимумами солнечной активности равен 11,1 года.

Рис. 29. 11-летний цикл солнечной активности

Во время минимума солнечной активности для внешнего наблюдателя корона "сжимается" у полюсов, над которыми видны лишь тонкие лучи – коронарные щеточки. Иногда в течение недель в минимуме солнечной активности в фотосфере не наблюдается ни единого пятна.

В начале цикла на широтах ± 30њ появляются отдельные мелкие солнечные пятна. Период роста активности занимает около 4,2 лет. В это время растет число и размеры отдельных пятен и групп пятен, зона их появления спускается к солнечному экватору до ± 15њ в данном максимуме активности. В солнечной короне над центрами активности в средних широтах развиваются мощные длинные коронарные лучи. В максимуме активности число Вольфа превышает 150-200 единиц. Солнечная корона приобретает "растрепанную" сферическую форму. Концентрация рентгеновского и коротковолнового излучения в 3-4 раза выше, чем в минимуме.

Далее происходит 7-летний спад активности, в котором зона появления солнечных пятен спускается к экватору Солнца до широт ± 8њ ; затем после недолгого затишья на широтах ± 30њ образуются пятна нового цикла.

Обычно комплекс явлений солнечной активности протекает в следующей последовательности: с усилением магнитного поля при всплывании трубки магнитного потока в фотосфере появляется расширяющееся, увеличивающее свою яркость факельное поле. Сутки спустя в нем возникают и развиваются крохотные поры, постепенно разрастающиеся в черные пятна и группы пятен: через 10 суток их размеры возрастают до 10000 км. В хромосфере и короне происходят бурные процессы. Затем активность области постепенно уменьшается: через 2-3 месяца исчезают пятна; но долго, месяцами над этим местом своеобразным памятником будет висеть огромный протуберанец, и лишь через год активная исчезает полностью.

В течение данного цикла все ведущие солнечные пятна в Северном полушарии имеют одну и ту же полярность, а в Южном полушарии – противоположную. В последующем цикле полярности меняют свой знак. Полярные магнитные поля имеют наибольшую напряженность (до 1 Э) в эпоху минимума активности и исчезают, меняя знак у полюсов, в эпохи максимумов. Возврат к прежней магнитной ситуации происходит через 22 года, обуславливая существование 22-летнего цикла. Отставание по фазе явлений в высоких и низких широтах ведет к отставанию на 5 лет явлений, связанных с высокоширотным магнитным полем Солнца и их воздействием на магнитосферу Земли.

Рис. 30. "Вековой" цикл
солнечной активности

Соседние циклы тесно связаны между собой. Относительная интенсивность 11-летних циклов меняется с 80-90-летним ("вековым") циклом солнечной активности. Установлено существование 1800-летнего цикла; возможно существование более продолжительных циклов.

Далее учеников знакомят с солнечно-земными связями. Материал излагается с опорой на сведения о верхних слоях атмосферы (ионосфере), магнитном поле и радиационных поясах Земли. При изложении данного материала наиболее способные и интересующиеся этими вопросами ученики могут выступить с заранее подготовленными докладами и сообщениями а) повторительно-обобщающего характера на темы "Магнитосфера Земли" "Радиационные пояса Земли", "Полярные сияния"; б) содержащим не изучавшиеся сведения на темы о воздействии солнечной активности основные параметры и состояние магнитосферы, гидросферы, атмосферы и биосферы Земли, влиянии магнитных бурь на жизнь и здоровье людей и технические устройства, способов профилактики и защиты от вредных последствий солнечно-земных связей и т.д. Желательно показать основные направления в использовании солнечной энергии человеком сейчас и в ближайшем будущем (наземные и космические солнечные электростанции и промышленные установки и т.д.).

Солнечно-земные связи

Работы ученых Э. Брикнера, А. Дугласа, Ч. Брукса, о. Петерсона, А. А. Чижевского, В. И. Вернадского позволили достоверно установить, помимо вышеназванных, ряд других сравнительно кратковременных циклов природных явлений: "вековых", продолжительностью 169, 222, 400 и более лет, и "внутривековых", длительностью 1, 2, 3, 4, 6, 11, 23, 33, 80 лет. Самые продолжительные из них имеют гравитационную природу и воздействуют на все природные оболочки Земли. Циклы средней продолжительности зависят от колебаний солнечной активности: квазидвухлетний, 11-летний, 22-летний, 100-летний циклы обладают наибольшей фундаментальностью наряду с 27-суточным синодическим периодом вращения Солнца вокруг своей оси, и воздействуют на магнитное поле, атмосферу и биосферу Земли. Наиболее кратковременные циклы связаны с неравномерным облучением Земли космическими частицами, область их действия - атмосфера.

Состояние околоземного космического пространства, магнитосферы и верхних слоев атмосферы Земли определяется космической погодой, основными параметрами которой являются температура и концентрация компонент низкоэнергетической плазмы, магнитные и электрические поля и токи, спектральный состав электромагнитного излучения и потоков заряженных частиц.

Видимое излучение Солнца практически не изменяется со временем. Основными типами изменяющихся во времени, активных солнечных излучений являются: 1) коротковолновое (ультрафиолетовое и рентгеновское), способное производить ионизацию и диссоциацию молекул атмосферы; 2) солнечный ветер и корпускулярные потоки с их магнитными полями, взаимодействующие с магнитосферой (энергия отдельных порывов солнечного ветра эквивалентна энергии ядерного взрыва мощностью 1-10 Мт). При переходе от минимума к максимуму 11-летнего солнечного цикла полная энергия потока ионизирующего излучения возрастает в 3 раза.

В максимуме солнечного цикла температура в тропиках на 0,5њ выше, чем в минимуме; увеличивается число гроз, возрастает амплитуда колебаний атмосферного давления; усиливается общая циркуляция атмосферных потоков. В средних широтах с увеличением солнечной активности возрастает повторяемость циклонов, ведущая к увеличению количества осадков. Ряд ученых объясняет это последовательной поэтапной передачей энергии из верхних слоев атмосферы в тропосферу; колебания ультрафиолетового излучения воздействуют на концентрацию озона и изменяют температуру воздуха, порождающую вертикальные воздушные потоки, отклоняемые вращением Земли и порождающих восточные и западные ветры и струйные течения. От уровня солнечной активности сильнее зависят летние температуры стратосферы.

Предполагается, что периодичность "малых ледниковых периодов" связана с широкомасштабными изменениями уровня солнечной активности (период около 2500 лет).

Многочисленные эффекты воздействия солнечной активности на биосферу получили серьезное морфологическое и статистическое обоснование, но механизм их физического воздействия до сих пор неясен, т.к. полный поток и спектральные составляющие солнечного излучения вблизи земной поверхности изменяются лишь на доли процента. Однако все живые организмы чувствительны к внешним электромагнитным полям низких и сверхнизких частот (при Н ³ 0,1 В/м и 10-6 Гс), оказывающих влияние на физико-химические свойства живых клеток. Предполагается, что организмы используют квазипериодические изменения параметров внешней среды, в том числе электромагнитных полей, для синхронизации биоритмов путем "настройки" на внешнюю частоту, для ориентации в пространстве и т. д. Так, в организме человека при резком значительном изменении магнитного поля повышается кровяное давление с одновременным спазмом кровеносных сосудов, ухудшаются бактерицидные свойства крови.

Рис. 31. Изменение радиального прироста сосны (в мм) на протяжение 90-летнего цикла

Рис. 32. Количество заболеваний холерой в России в 1823-1923 гг. (по А.Л. Чижевскому)

На поверхности Земли регистрируются электромагнитные поля с частотой 10-4-105 Гц и наибольшей интенсивностью в диапазоне сверхнизких частот, чутко реагирующие на любые проявления солнечной активности: так, через 1,5-2 суток после вспышки на Солнце напряженность магнитного поля в ионосфере на частоте 8 Гц изменяется более, чем в 10 раз. В эпоху максимумов солнечной активности возрастает число инфарктов и инсультов, случаев производственного и дорожного травматизма, эпидемических заболеваний, эпизоотий.

Задачи земной экологии требуют астрономических наблюдений и наблюдений из космоса не только за Землей, но и за Солнцем и ближним космосом. По мере своего развития современная технологическая цивилизация становится все более уязвимой к действию космических факторов.

Рис. 33. Магнитные бури и сердечно- сосудистые
заболевания: 1, 2 – смертность от инфаркта
миокарда и инсульта (1960-1966 гг.)

Солнечная активность оказывает воздействие не только на магнитосферу, атмосферу и биосферу Земли, но и на технику, созданную людьми. В годы активного солнца:
- ухудшается связь в коротковолновом, высокочастотном и ультравысокочастотном диапазонах, телефонная и телеграфная связь, особенно в освещенном солнцем полушарии и во время ионосферных бурь;
- искажаются данные геомагнитных съемок;
- происходят сбои и катастрофы в энергетических сетях;
- усиливается коррозия магистральных трубопроводов;
- уменьшается срок эксплуатации ИСЗ из-за усиления торможения в верхних слоях разбухающей атмосферы (15.07.2000 г. вышла из строя космическая рентгеновская обсерватория ASCA (Япония).

Слабо защищены от мощных проявлений солнечной активности электронные и компьютерные системы и сети, системы навигации, системы управления и контроля атомных станций и военных объектов.

В 1999 году была разработана "шкала космической погоды" – первая попытка систематического исследования всего комплекса явлений солнечно-земных связей, потенциально опасных для земной цивилизации. Выделяются 3 категории явлений: геомагнитные бури, радиационные бури и нарушения радиосвязи. Каждая категория разделяется на 5 уровней: незначительный (1 балл); умеренный (2 балла); сильный (3 балла); очень сильный (4 балла) и экстремальный (5 баллов). Наиболее опасны экстремальные геомагнитные бури, приводящие к полному выходу из строя сетей электропитания, появлению сильных токов в трубопроводах и практически полному прекращению радиосвязи на всех частотах. Экстремальные радиационные бури приводят к опасному облучению космонавтов, экипажей и пассажиров высотных самолетов.

...В настоящее время на Земле 88% всей энергии человечество получает за счет сжигания природного углеродного топлива (ежегодно сжигается 4 млрд. тонн угля, 3,5 млрд. тонн нефти, десятки триллионов кубометров газа, древесина, торф и т. д.), загрязняющего окружающую среду на 60%. Идея использования "бесплатной" солнечной энергии легла в основу применения космических технологий для нужд земной энергетики:

1. Орбитальные отражатели-рефлекторы для освещения отдельных полярных районов (эксперименты в России ведутся с 1993 года).
2. Орбитальные солнечные электростанции: проекты разработаны в России, США, Западной Европе и Японии. Проект КСЭ 2000-го года предусматривает вывод на экваториальную орбиту экспериментальной японской станции мощностью 10 МВт. В первой половине XXI века США планирует создание 60 КСЭ мощностью 5 ГВт каждая с передачей энергии на Землю в виде микроволнового луча. Существующие солнечные батареи имеют К.П.Д. около 30%.

В заключение урока школьники решают задачи из упражнения 14, сборников задач Г.П. Субботина [287], задания NN 243-246, и сборника олимпиадных задач В.Г. Сурдина [289], задания NN 11.6; 11.18; 11.21; 11.25; 11.29 и др.

Замечания, рекомендации и дополнения к методике проведения урока:

 Важность изучения материала о солнечной активности и солнечно-земных связях для формирования научного мировоззрения учащихся и теснейшие межпредметные связи с курсом физики обусловили интерес к методике формирования данных понятий у многих учителей, астрономов и ученых-методистов. Неоднократно предлагалось рассматривать эти сведения в соответствующих разделах курса физики IX – XI классов.

Ниже предлагаются различные варианты пропедевтики материала на уроках физики и методические рекомендации по его изучению в курсе астрономии:

1. И.Д. Новиков, Е.В. Эткина [196] предлагали включить в курс физики IX класса следующий астрономический материал (табл. 5):

Табл. 5

Вопрос курса физики

Астрофизический материал

Количество вещества, молярная масса, постоянная Авогадро

Объемы молей вещества Земли, атмосферы Солнца, межзвездного газа, белых карликов, нейтронных звезд (расчет производится с использованием плотностей этих веществ); молярная масса солнечного вещества (при расчете полагаем, что Солнце состоит из ионизированного водорода)

Идеальный газ

Условия применимости модели идеального газа при изучении астрофизических объектов; применимость модели для расчетов характеристик недр Солнца; понятие вакуума в астрофизике

Средняя квадратичная скорость движения молекул

Условия существования планетных атмосфер

Уравнение Менделеева-Клапейрона

Температура в недрах Солнца (расчет по известной плотности и давлению)

Агрегатные состояния вещества

Вещество в плазменном и вырожденном состояниях в космических объектах; процесс образования кометных хвостов

Парообразование

Парниковый эффект в атмосферах

Электростатика

Температура вещества, при которой средняя энергия хаотического движения частиц становится больше энергии их электростатического взаимодействия, и частицы вещества могут сблизиться на расстояние, равное радиусу действия ядерных сил

Ток в газах

Высокотемпературная и низкотемпературная плазма в космических объектах и ее свойства

Магнитное поле

Возможные причины существования магнитных полей у космических объектов

Движение заряженных частиц в магнитном поле

Радиусы кривизны траекторий частиц космических лучей; изотропия космических лучей в Галактике

Электромагнитная индукция

Токи в плазме; критерии "вмороженности" магнитного поля в плазму и плазмы в магнитное поле; магнитные поля солнечных пятен и факелов, их влияние на характер движения солнечного вещества

Самоиндукция

Причины длительного существования магнитных полей в межзвездной среде

2. Р. Я. Ерохина, Е.К Страут "Использование астрофизического материала для развития понятия о плазме" [58]:

"Основную методическую идею развития представлений о плазме в школьном курсе электродинамики мы видим в показе ее поведения в магнитном поле, а средство для воплощения идеи – в анализе интересного для учащихся астрофизического материала.

Формирование понятия "плазма" начинается на специально отводимом уроке" с рассмотрения основных свойств плазмы в сравнении с нейтральным газом, обобщаемых в табл. 6:

"Рассмотрение свойств плазмы удобно на примере нестационарных процессов на Солнце (солнечных пятен, хромосферных вспышек и протуберанцев)… Поэтому после изучения темы "Электромагнитная индукция" целесообразно провести отдельный урок "Солнечная плазма и ее взаимодействие с магнитными полями".

1. Обращаем внимание учащихся на интенсивную конвекцию, происходящую в подфотосферном слое Солнца. Показываем фотографии солнечной грануляции и объясняем наличие гранул следствием перемешивания газов в конвективном слое.

При некоторых конвективных движениях большого масштаба с глубины свыше 104 км вместе с плазмой поднимаются "вмороженные" в нее магнитные поля с индукцией 0,2-0,3 Тл, возникающие вследствие неоднородности вращения Солнца и обладающие сложной структурой (рис. 28). Так в фотосфере образуются отдельные области с мощными магнитными полями противоположной направленности – биполярные магнитные области

2. Предлагаем решить задачу: "Может ли магнитное поле Солнца с индукцией 10-4 Тл погасить движение конвективных элементов, имеющих среднюю скорость 500 м/с, если плотность вещества в конвективной зоне 10-4 кг/м3? Может ли магнитное поле биполярной магнитной области подавить конвекцию, если его индукция 0,2 Тл?"

Решение: Поскольку плотность кинетической энергии участвующей в конвективном движении плазмы (W = 125 Дж/м3) выше плотности энергии магнитного поля (4× 10-3 Дж/м3), магнитное поле не может управлять движением плазмы, свободно участвующей в конвекции. Однако плотность энергии магнитного поля биполярных областей (1,6× 104 Дж/м3) существенно выше плотности кинетической энергии участвующей в конвективном движении плазмы и на этих участках фотосферы конвекция подавляется - магнитное поле не может двигаться поперек линий индукции.

3. Отсутствие конвекции приводит к понижению температуры в этих областях до 4000-4500 К. Области понижения температуры по контрасту с раскаленной до 6000 К окружающей поверхностью воспринимаются как черные солнечные пятна.

Рассмотрим самые мощные процессы в солнечной фотосфере – хромосферные вспышки с выделением энергии до1025 Дж. После описания вспышки, сопровождаемого необходимыми иллюстрациями, объясняются физические принципы, лежащие в основе данного явления:

1. В области меж пятнами разной полярности возникает нейтральный слой, магнитная индукция в котором равна нулю. При определенных условиях в нем может возникнуть обусловленный движением электронов и ионов плазмы электрический ток, нагревающий плазму за счет энергии магнитного поля.

2. Поскольку плазма имеет очень небольшое сопротивление, в обычных условиях ее нагрев в нейтральном слое незначителен, но поля "выдавливают" плазму в нейтральный слой и сжимают его. По мере сжатия нейтрального слоя растет скорость частиц – носителей тока; при этом электроны ускоряются сильнее массивных ионов. Плазма становится неоднородной, в ней возникают турбулентные движения, завихрения и как следствие, возрастают электрическое сопротивление и температура плазмы. Так развивается хромосферная вспышка, сопровождающаяся выбросом потока заряженных частиц и усилением ультрафиолетового и рентгеновского излучения. [Далее следует материал о воздействии солнечных вспышек на магнитосферу, атмосферу, гидросферу и биосферу Земли].

Объяснение природы наиболее грандиозных по масштабам проявлениям солнечной активности – протуберанцев – начинается с демонстрации их фотографий. Обращаем внимание на размеры протуберанцев (десятки тысяч километров). Чтобы объяснить устойчивость протуберанцев, состоящих из плазмы более плотной и холодной, чем плазма короны, полезно показать ученикам структуру магнитного поля в районе протуберанцев, имеющее вид "примятых" арок, в углублениях которых лежит вещество протуберанца (рис. 27.). В активных протуберанцах, отличающихся быстрым развитием, плазма течет вдоль линий магнитного поля".

Табл. 6 

Плазма

Задачи с астрономическим содержанием, примечания

Нейтральный газ

1.Частицы взаимодействуют при помощи кулоновских сил на расстояниях много больших размеров частиц; все частицы реагируют на локальные изменения физических условий и могут участвовать о коллективном движении

 

1.Энергия взаимодействия частиц много меньше их кинетической энергии. Частицы взаимодействуют на расстояниях, сравнимых с размерами частиц

2. Оказывает давление: p=2ne kT, стремится к расширению

1. Найти давление плазмы кометного хвоста, если концентрация электронов в нем 10 см-3, а температура около 5000 К. Связать с материалом о природе комет

2.Оказывает давление, стремится к расширению

3. Квазинейтральна: концентрация положительных ионов и электронов одинакова и постоянна.

 

3. Электрически нейтральна

4. Имеет большую проводимость благодаря наличию свободных зарядов и сильно взаимодействует с внешними электрическими и магнитными полями

 

4. Не проводит электрического тока

5. Плотность энергии магнитного поля  определяет поведение плазмы: оно зависит от соотношения между значениями кинетической энергии плазмы и индукции магнитного поля. При W > Ek плазма движется только вдоль линий магнитной индукции. Радиус кривизны заряженной частицы:  тем меньше, чем сильнее магнитное поле и меньше кинетическая энергия (скорость) частицы. При большой кинетической энергии частиц с слабом магнитном поле поведение плазмы схоже с поведением газа: движение частиц относительно хаотично. Частицы плазмы не могут двигаться поперек магнитного поля. При  плазма движется как газ, деформируя первоначальное поле

1. От Солнца постоянно идет поток плазмы – солнечный ветер. Найти характеристики траектории электрона из этого потока в магнитном поле Земли, если скорость электрона 500 км/с и направлена под углом 30њ к вектору индукции магнитного поля Земли (однородное с индукцией 6× 10-5 Тл).

2. Как будет действовать на плазму магнитное поле соленоида, число витков на концах которого больше, чем в середине? Связать с материалом о термоядерных установках Токамак.

3. Как будет действовать магнитное поле Земли на заряженные частицы плазмы солнечного ветра? Нарисуйте траекторию частиц. Связать с материалом о геомагнитосфере и радиационных поясах Земли (основные характеристики, строение, свойства). Сведения о солнечно-земных связях, их характере и основных проявлениях в атмосфере и биосфере. Объяснение механизма полярных сияний

5. Магнитное поле не влияет на его движение

6. В неоднородном магнитном поле выталкивается из области сильного поля в область более слабого поля

1. Как будет двигаться частица, приближаясь к области более сильного поля (месту сгущения линий индукции)?

 

7. При движении увлекает за собой магнитное поле ("вмороженность" линий индукции в плазму)

1. Облако космической плазмы покидает магнитное поле, индукция которого В. Сохранится ли магнитный поток через плазму? Вывод о практической неизменности во времени магнитного потока через проводящий контур в космических объектах, состоящих из плазмы.
2. Облако космической плазмы, находившееся в однородном магнитном поле с индукцией В, сжимается (расширяется). К какому изменению магнитного поля это приведет?
Решение: Если Ф1 - поток магнитной индукции через произвольный контур площадью S1, Ф2 - поток магнитной индукции через сжавшийся контур, S2 < S1; поток магнитной индукции остается неизменным: Ф1 = Ф2,   где B1n , B2n – модули нормальных составляющих вектора магнитной индукции в каждом случае. При сжатии облака плазмы индукция магнитного поля возрастает, при расширении – уменьшается.
Выводы из задачи следует связать с материалом об эволюции звезд (образование сверхмощных магнитных полей нейтронных звезд), возникновением галактик (роль магнитных полей протогалактических облаков в образовании галактик данного типа), звезд и планетных систем (роль магнитных полей протозвездного облака в разделении его момента импульса).

 

9. В зависимости от соотношения между средней кинетической энергией частиц и энергией ионизации делится на низкотемпературную:  и полностью ионизированную высокотемпературную: , сопротивление которой уменьшается с ростом температуры

1. На высотах около 400 км атмосфера Земли состоит в основном из ионизированного кислорода. Днем температура этих слоев может достигать 1800 К. Какой будет в этих условиях плазма: высоко- или низкотемпературной? Энергия ионизации атомов кислорода 13,56 эВ.

 

<< Предыдущая

Содержание

Следующая >>

Rambler's Top100 Яндекс цитирования