Серия «Просто»

Солнечная активность

Астрономы объявили 2024 и 2025 годами повышенной солнечной активности, а это значит, что в нас ждет множество магнитных бурь и, конечно же, северных сияний. Солнце, как и мы, живет по графику, и у него есть свои циклы активности, которые длится по 11 лет. В эти циклы входят две фазы: минимум и максимум. Различить их визуально можно по количеству пятен на поверхности Солнца. В минимуме активность минимальна, и на поверхности Солнца почти нет пятен, а в максимуме активность увеличивается, и это проявляется множественными пятнами, вспышками и выбросами материи.

Сами солнечные пятна были замечены людьми уже в древние времена, а систематическое изучение началось в XVII веке, когда научному миру был представлен телескоп. В 1843 году Рудольф Вольф обнаружил 11-летний цикл солнечной активности. Он смог восстановить хронологию событий до середины XVIII века, а именно до 1749 года, и решил, что тогда и начался первый зарегистрированный цикл, получивший номер 1.

В местах скопления солнечных пятен происходят солнечные вспышки и корональные выбросы массы — выбросы вещества из звездной короны, то есть из внешней части атмосферы звезды. Во время таких выбросов в космос «выстреливается» миллиарды тонн солнечного вещества — плазмы (электрически заряженного газа, из которого эта самая корона и состоит).

Плазма, выброшенная из короны Солнца, образует солнечный ветер – так называются потоки плазмы, которые Солнце выбрасывает во все направления, в том числе в сторону Земли.

Потоки солнечного ветра запросто могли бы уничтожить всё живое на поверхности Земли, но этого еще не произошло, так как у нас есть свой козырь – магнитосфера. Эта область околоземного пространства, в которой сосредоточено магнитное поле Земли, простирается на расстояние 70–80 тыс. км в направлении на Солнце и на многие миллионы километров в противоположную сторону. Частицы солнечного ветра, главным образом протоны и электроны, захватываются магнитным полем Земли и увлекаются по винтовым траекториям вдоль силовых линий к Южному или Северному полюсу. Именно поэтому такое явление, как полярное сияние, возникает в определенных местах, а не по всей поверхности планеты.

Как возникает полярное сияние

«Примагниченные» потоки частиц сталкиваются с атомами атмосферного газа — атомами кислорода, азота и другими. В результате столкновений электроны атомов азота и кислорода на время переходят в «возбужденное» энергетическое состояние. После их возвращения в нормальное энергетическое состояние, некоторая часть высвобожденной энергии излучается в виде фотонов света с разной длиной волны. При столкновении атомы азота обычно теряют электроны, при этом излучается синий и фиолетовый свет. Если же молекула азота обошлась без потери электрона, происходит испускание лучей красной части спектра. Молекулы кислорода, при столкновении с солнечным ветром, обычно электроны не теряют (при высоких энергиях электроны все же могут быть ионизированы). Молекула возбуждается, а после испускает кванты зеленого и красного света. Все это происходит в верхних слоях атмосферы — на высотах от примерно 90 км до 150 км, но иногда с до 60 км, а в некоторых случаях поднимается до 1000 км и более.

От чего зависит цвет

Атмосфера Земли состоит примерно на 78% из азота, на 21% из кислорода, на 0,93% из аргона и на 0,04% из углекислого газа. Наш воздух также содержит следы неона, гелия, метана, криптона, озона и водорода. Цвет полярного сияния во многом определяется высотой его появления и атомами вещества из атмосферы, с которыми происходит столкновение.

Самый распространенный цвет полярного сияния — зеленый. Зеленые полярные сияния обычно возникают при столкновении заряженных частиц с молекулами кислорода высокой концентрации в атмосфере Земли на высотах от 100 до 300 километров. Мы также видим зеленые полярные сияния лучше, чем любой другой цвет, поскольку человеческий глаз наиболее чувствителен к зеленому цветовому спектру.

Красные полярные сияния сравнительно реже и обычно связаны с интенсивной солнечной активностью. Они возникают, когда солнечные частицы вступают в реакцию с кислородом на больших высотах, обычно примерно от 300 до 400 км.

Молекулы водорода и гелия могут создавать голубые и фиолетовые полярные сияния, но нашим глазам, как правило, трудно различить эти цвета на фоне ночного неба. Интенсивность солнечного ветра и его энергия оказывают существенное влияние на цвета полярного сияния. Чем выше энергия солнечных частиц, тем более ярким и разнообразным будет спектр цветов.

История изучения

В различных культурах древности полярное сияние естественно было обернуто различными мистическими толкованиями. Учитывая мистическую красоту этого природного явления, неудивительно, что полярное сияние вошло в мифологию и эпос у северных народов. Так, некоторые норвежские легенды утверждают, что полярное сияние — это танец душ дев, которые ушли из жизни. Финны и народы Северной Америки связывали это явление с духами из потустороннего мира.

Долгое время люди ломали голову над тем, почему возникает северное сияние. В XVIII веке английский мореплаватель Джеймс Кук был одним из первых, кто не только дал их описание в южном полушарии, но и обратил внимание на то, что полярные сияния появляются в высоких широтах обоих полушарий одновременно.

В то время высказывались различные гипотезы относительно природы полярного сияния, например, что оно вызвано гниением рыбы, которая выбрасывалась на побережье из морских глубин, или что северное сияние появляется, если некая «зодиакальная материя» проникает в верхние слои атмосферы.

Первым, кто смог расставить все точки над i, был выдающийся русский ученый Михаил Ломоносов. Путем научных экспериментов в лаборатории он воссоздал те процессы, которые происходят в атмосфере. Ученый выкачал из стеклянного шара воздух и пропускал через него разряды электричества. В нем возникали огни, которые напоминали те, которые появляются на небе. Также ученому удалось доказать, что полярное сияние вызывается электрическими разрядами в верхних слоях атмосферы.

Как поймать северное сияние?

Пришло время поговорить о том, как заполучить билет в первый ряд этого представления!

Наилучший период для наблюдения — это время с начала октября по апрель. Чтобы получить максимум от северного сияния, вам нужно:

1. Находиться в радиусе 2,5 тысячи км. от северного полюса. В России под это описание идеально подходит Кольский полуостров, Карелия, республика Коми, Якутия, Архангельск и Воркута.

2. Тепло одеться. Скорее всего, на улице холодно, если, конечно, вы не в Австралии или Новой Зеландии.

3. Взять с собой термос с чаем глинтвейном.

4. Выйти из дома поздно ночью. Лучшее время для наблюдений с 21:00 до 3:00.

5. Поехать загород. Выбирайте места вдали от крупных городов и источников света, чтобы улучшить видимость явления.

6. Восторгаться увиденным и пить чай глинтвейн из термоса 🍷

7. Бонусный уровень: делать снимки на фотоаппарат с долгой выдержкой и высокой светочувствительностью. Не забыть взять с собой много батареек, чтобы аппаратура не разрядилась в неподходящий момент.

Точно предсказать северное сияние почти невозможно, но есть специальные сайты с прогнозами, например Aurora Forecast и Aurora Hunters.

Заключение

Надеюсь, мой пост помог почерпнуть что-то новое или освежить уже известное.

Давайте еще раз вспомним, что у нас было в программе сегодня:

• Полярное сияние бывает северным и южным.

• Образуется из-за взаимодействия солнечного ветра и магнитосферы Земли.

• Цветовая палитра зависит от многих факторов, таких как вещества в атмосфере, которые ионизирует солнечный ветер, высота, на которой это происходит, а также активность Солнца – много чего, в общем.

• Люди в древности связывали это явление с духами, а в Средневековье с тухлой рыбой и пришельцами, но Джеймс Кук и Ломоносов помогли нам разобраться в вопросе.

• Благодаря современным сервисам, мы можем предугадать моменты, когда появится северное сияние.

• Чтобы получить максимум удовольствия – подготовьтесь.

  Если пост понравился и был полезным подписывайся на мой канал в телеграм, где ты найдешь еще больше интересного!

Дополнительно

Несколько интересных материалов для тех, кто хочет узнать больше о северном сиянии.

О солнечном ветре

О магнитных бурях

Залипательное видео северного сияния

Откуда она берется?

В результате термоядерных реакций происходящих на Солнце за день в виде солнечных лучей на нашу планету попадает большое количество энергии — примерно 164 ватта на квадратный метр. Иными словами, над каждым квадратным метром Земли можно повесить лампочку на 164 ватт и заставить ее светиться только за счет солнечной энергии 💡

Звучит многообещающе, но не все так просто! Дело в том, что солнечная энергия представляет собой комбинацию из видимого света, ультрафиолетового излучения, инфракрасного излучения (тепла) и других микроволн. Для преобразования в электричество в основном используется видимый свет, так как инфракрасное излучение не такое эффективное, а ультрафиолетовое по большей части поглощается озоновым слоем Земли, но даже достигнув солнечной панели оно не будет эффективно поглощаться.

Кремниевые пластины

Основа солнечной батареи — это две кремниевые пластины находящиеся друг под другом, покрытые сверху слоем стекла. Кремний является полупроводником, а это значит, что при определенных условиях он может как поглощать электроны, так и отдавать. При естественных условиях он это не делает. Поэтому на верхнюю кремниевую пластину наносят слой фосфора. При взаимодействии с ней у кремния появляются дополнительные электроны, которые он хочет отдать, то есть отрицательный заряд. В то же время, на нижнюю пластину наносят слой бора. В этом случае у кремния появляется нехватка в электронах, желание забрать их у кого-нибудь, то есть положительный заряд. Теперь у нас есть две пластины одна из которых хочет отдать свои электроны, а другая забрать –– что же дальше?

Луч света

Дальше луч света состоящий из фотонов попадает на нашу верхнюю пластину кремния и передает свою энергию, буквально выбивая из нее электроны, которые направляются прямиком к нижней панели, которая их уже ждет. После этого, мы видим обратный процесс –– атомы кремния, получившие электроны готовы отдать их обратно, а те, кто отдал теперь хотят восполнить пробел. Наша задача — дать им это сделать и замкнуть весь процесс в цепочку 🔗

Электрический ток получен! Чем больше света –– тем больше выбивается электронов и тем больше мы получаем тока. Это процесс называется фотоэффект.

Чтобы защитить пластины их покрывают слоем стекла, а также антибликовым покрытием, чтобы поглощение света происходило еще более эффективно. Одна солнечная ячейка вырабатывает очень мало электричества, буквально несколько ватт, поэтому из нескольких ячеек собирают модули, которые уже группируются в привычные нам солнечные панели

Как собрать полученный ток?

С помощью специальных медных каналов (из-за которых солнечные панели выглядят как сетка) ток из солнечных пластин выводится к потребителям либо накапливается в аккумуляторах. Чтобы попасть в общедоступные сети он должен предварительно побывать в инверторе и стать из постоянного переменным.

Виды кремниевых панелей

Кремниевые солнечные панели бывают моно- и поликристаллическими. Для изготовления солнечных элементов для монокристаллических солнечных батарей, кремний выращивают в виде брусков, которые затем нарезают на пластины. Называются они «монокристаллическим» – чтобы показать, что используемые солнечные элементы получены из одного кристалла кремния. У них высокий КПД –– в районе 25%, но они дороже в производстве. В основе поликристаллических пластин ячейки сделанные из сплавленных вместе фрагментов кремния. Они дешевле в производстве, но менее эффективны.

Новые виды солнечных панелей

Оба вида кремниевых панелей можно условно отнести к первому поколению солнечных панелей. Второе поколение представляет собой солнечные панели из аморфного кремния, кадмий-теллурий и других более легких и гибких материалов. Такие солнечные панели тонкие, их можно гнуть и прикреплять к одежде, но в эффективности они явно проигрывают классическим кремниевым. Хорошая новость в том, что сейчас активно разрабатываются новые виды панелей, которые будут сочетать в себе эффективность первого поколения и гибкость с легкостью второго. Ну что ж, будем ждать!

Вопросы к солнечной энергии

Пока что нам остается довольствоваться привычными кремниевыми солнечными панелями. Они намного экологичнее, чем привычные нам способы добычи энергии, но их основная проблема на сегодняшний день –– это эффективность и использование земли. Самые эффективные солнечные панели способны преобразовать только 25% света попадающего на них, но обычно эффективность на уровне 15%. На выработку также влияют и погодные условия, ведь чем меньше света, тем меньше и энергии 🌤 Помимо этого для размещения солнечной электростанции нужна большая площадь и правильно подобранная экспозиция для каждой солнечной панели, чтобы она получала по максимуму света. Если взять в пример атомную или угольную электростанцию, то на такой же площади она способна вырабатывать в сотни, если не в тысячи раз больше энергии.

Будущее солнечной энергии

Благодаря поддержке правительств разных стран, расширению и удешевлению производства солнечная энергия с момента открытия подешевела в 400 раз. Объем производства солнечной энергии растет в среднем на 20% в год и если так и будет продолжаться, то к 2031 году вырабатываемая мощность солнечной энергии будет больше совокупной мощности газа, угля и атомной энергии и гидроэнергетики. Осталось только решить вопрос с эффективность панелей🤔

Это очередной пост из моего канала, где я рассказываю про сложные и интересные вещи простыми словами. Буду рад твоей подписке)

Что это такое?

Согласно Стандартной модели все в мире состоит из частиц, которые делятся на фермионы и бозоны. Фермионы — это кирпичики из которых всё состоит, а бозоны - служат передатчиками сил от одной к другой. И всё было прекрасно в этой теории, кроме одного момента — у частиц в ней нет массы, а мы то знаем, что она есть 🧐Так же подумал Питер Хиггс в начале 60-х годов и предложил теорию согласно которой существует невидимое электромагнитное поле присутствующее в каждой точке вселенной. Некоторые частицы способны проходить через это поле, не получая массы (например, глюоны и фотоны), в то время как другие «вязнут» в нем и накапливают ее. Если это так, то «невидимое» поле должно иметь связанную с ним частицу, которая контролирует взаимодействия с другими и этим полем. Стоит отметить, что теория поля изначально была предложена Энглером и Браутом, а Хиггс уже позже предположил, что если существует такое поле, то должна быть и частица. Поэтому частицу назвали Бозон Хигсса, а поле - Хиггсовским. Но теперь самое сложное — чтобы понять как работает такой механизм и доказать, что он существует необходимо открыть Бозон Хиггса и понять его свойства 😰

Как его нашли?

Учёные в разных лабораториях начали искать бозон Хиггса. Но просто так под микроскопом его не найти. Это очень мелкая частица, которую можно получить только опытным путём — сталкивая протоны друг с другом с околосветовой скоростью и фиксируя на что они распадаются. В 2008 году построили Большой Адронный Коллайдер — сверхпроводящий ускоритель-накопитель, находящийся под землей. Одной из целей создания БАКа является опровержение либо подтверждения Стандартной Модели. Длина его кольца — 27 км, и всё это кольцо состоит из магнитов, которые удерживают протоны в этом кольце. Такое сооружение дало возможность сталкивать частицы между собой на недостижимых скоростях и максимально точно фиксировать, что происходит после. Протоны сталкивали и в 2012 году нашли Бозон Хиггса, а затем подтвердили открытие в 2013 году. Сделав такое открытие, ученые подтвердили свою догадку о том, что некоторые элементарные частицы приобретают массу за счет взаимодействия с полем Хиггса 🤝

Почему это важно?

Открытие бозона Хиггса — это еще один шаг к пониманию того, как устроен наш мир. Эту частицу иногда называют «кирпичиком» мироздания. Ученые полагают, что до Большого взрыва — события, которого привело к созданию всего, все частицы не имели массы. В момент Большого взрыва и через некоторое время после него частицы вступили во взаимодействие с полем Хиггса, что придало им массу. Если бы этого не случилось, они просто бы разлетелись по космическому пространству, так и не соединившись в атомы и молекулы и в конечном итоге никогда бы не образовали все то, что существует сейчас (может и к лучшему). После 10 лет изучения Бозона Хиггса были подведены первые итоги. За это время физики сделали огромный шаг вперед в понимании Вселенной: например, они получили данные, что поле Хиггса было установлено во всей Вселенной через десятую долю миллиардной доли секунды после Большого взрыва ⏱

Почему Частица Бога?

Название было придумано с целью привлечь больше внимания общественности к фундаментальным исследованиям в области физики❗️Американский физик Леон Макс Ледерман в своей книге назвал бозон Хиггса «goddamn particle» — проклятая или чёртова частица, но редактору это название не понравилось и в окончательной версии книги бозон Хиггса назвали «частицей Бога», и это название закрепилось за ним в массовом сознании.

И что дальше?

Дальнейшие исследования Бозона Хиггса и других частиц в БАКе могут дать понимание является ли Бозон Хиггса элементарной частицей или составной, как устроена тёмная материя (она составляет около 84% массы всей вселенной) и многое другое. Как и всегда, новые открытия порождают ещё больше вопросов. Один из — как же, всё таки, похудеть? 🤔

Это пятый пост из моего канала https://t.me/prostoeasypeasy