Разгадана тайна вспышек красных карликов. Текстовые задания (гиа по физике) Опыты Томсона и открытие электрона
В мире много интересного. Мерцание звезд - одно из самых удивительных явлений. Сколько всевозможных поверий связано с этим явлением! Неизвестное всегда пугает и притягивает одновременно. Какова же природа такого явления?
Влияние атмосферы
Астрономы сделали интересное открытие: мерцание звёзд никак не связано с их изменениями. Тогда почему звезды мерцают на ночном небе? Всё дело в атмосферном движении потоков холодного и горячего воздуха. Где проходят тёплые слои над холодными, там образуются вихри воздуха. Под действием этих вихрей лучи света искажаются. Так световые лучи искривляются, изменяя видимое положения звезд.
Интересен тот факт, что звёзды вообще не мерцают. Такое видение создается на земле. Глаза наблюдателей воспринимают свет, исходящий от звезды, после его прохождения сквозь атмосферу. Поэтому на вопрос о том, почему звезды мерцают, можно ответить, что звёзды не мерцают, а то явление, которые мы наблюдаем на земле, - это искажение света, прошедшего путь от звезды сквозь атмосферные слои воздуха. Если бы таких движений воздуха не происходило, то и мерцания не наблюдалось бы, даже от самой далёкой звезды в космосе.
Научное объяснение
Если раскрыть более подробно вопрос о том, почему звезды мерцают, то стоит отметить, что этот процесс наблюдается тогда, когда свет от звезды переходит из более плотного атмосферного слоя в менее плотный. К тому же, как было сказано выше, эти слои постоянно перемещаются относительно друг друга. Из законов физики известно, что тёплый воздух поднимается, а холодный, наоборот, опускается. Именно тогда, когда свет проходит эту границу слоёв, мы и наблюдаем мерцание.
Проходя сквозь слои воздуха, разные по плотности, свет звезд начинает мерцать, а их очертания расплываются и изображение увеличивается. При этом интенсивность излучения и, соответственно, яркость тоже меняются. Таким образом, изучая и наблюдая вышеописанные процессы, учёные поняли, почему звезды мерцают, а их мерцание различается по интенсивности. В науке такое изменение световой интенсивности называется сцинтилляцией.
Планеты и звёзды: в чём разница?
Интересен и тот факт, что не от каждого космического светящегося объекта исходящий свет даёт явление сцинтилляции. Возьмём планеты. Они тоже отражают солнечный свет, но не мерцают. Именно по характеру излучения планету отличают от звезды. Да, свет звезды даёт мерцание, а планеты - нет.
Ещё с древних времён человечество научилось по звездам ориентироваться в пространстве. В те времена, когда точные приборы не были изобретены, небо помогало найти верный путь. И сегодня эти знания не утратили своего значения. Астрономия как наука зародилась в 16 веке, когда впервые изобрели телескоп. Вот тогда и стали вплотную наблюдать свет звезд и изучать законы, по которым они мерцают. Слово астрономия в переводе с греческого - это "закон звёзд".
Наука о звёздах
Астрономия изучает Вселенную и небесные тела, их движение, расположение, строение и происхождение. Благодаря развитию науки, астрономы объяснили, чем мерцающая звезда на небе отличается от планеты, каким образом происходит развитие небесных тел, их систем, спутников. Эта наука заглянула далеко за границы Солнечной системы. Пульсары, квазары, туманности, астероиды, галактики, чёрные дыры, межзвёздное и межпланетное вещество, кометы, метеориты и всё, что касается космического пространства, изучает наука астрономия.
На интенсивность и цвет мерцающего звёздного сияния влияет ещё высота атмосферы и приближённость к горизонту. Нетрудно заметить, что звёзды, расположенные близко к нему, светят ярче и переливаются разными цветами. Особенно красивым становится это зрелище в морозные ночи или сразу после дождя. В эти моменты небо безоблачно, что способствует более яркому мерцанию. Особое сияние у Сириуса.
Атмосфера и звёздное сияние
При желании наблюдать за звёздным мерцанием следует понимать, что при спокойной атмосфере у зенита это возможно только изредка. Яркость светового потока постоянно меняется. Это опять-таки связано с отклонением световых лучей, которые неравномерно концентрируются над земной поверхностью. На звёздный пейзаж влияние оказывает и ветер. При этом наблюдатель звёздной панорамы постоянно оказывается попеременно в затемнённой или освещённой области.
При наблюдении за звёздами, расположенными на высоте более 50°, изменение цвета не будет заметным. А вот звёзды, которые находятся ниже 35°, будут мерцать и менять цвет довольно часто. Очень интенсивное мерцание говорит о неоднородности атмосферы, что непосредственно связано с метеорологией. Во время наблюдения за звёздным мерцанием было замечено, что оно имеет свойство усиливаться при пониженном атмосферном давлении, температуре. Усиление мерцания можно заметить также при увеличении влажности. Однако предсказывать погоду по сцинтилляции нельзя. Состояние атмосферы зависит от большого числа различных факторов, что не позволяет делать выводы о погоде только по звёздному мерцанию. Безусловно, некоторые моменты работают, но до сих пор это явление имеет свои неясности и загадки.
Задумывались ли вы над тем, почему в дневное время на небе не видны звезды? Ведь воздух и днем так же прозрачен, как и ночью. Все дело здесь в том, что в дневное время атмосфера рассеивает солнечный свет.
Представьте, что вы находитесь вечером в хорошо освещенной комнате. Сквозь оконное стекло яркие фонари, расположенные снаружи, видны достаточно хорошо. Но слабо освещенные предметы разглядеть почти невозможно. Однако стоит только выключить в комнате свет, как стекло перестает служить препятствием для нашего зрения.
Нечто похожее происходит и при наблюдениях неба: днем атмосфера над нами ярко освещена и сквозь нее видно Солнце, однако не может пробиться слабый свет далеких звезд. Но после того, как Солнце погружается под горизонт и солнечный свет (а с ним и свет, рассеянный воздухом) «выключается», атмосфера становится «прозрачной» и можно наблюдать звезды.
Иное дело в космосе. По мере подъема космического корабля на высоту плотные слои атмосферы остаются внизу и небо постепенно темнеет.
На высоте около 200—300 км, там, где обычно совершают полеты пилотируемые космические корабли, небо совершенно черное. Черное всегда, если даже на видимой его части в данный момент находится Солнце.
«Небо имеет совершенно черный цвет. Звезды на этом небе выглядят несколько ярче и четче видны на фоне черного неба»,— так описывал свои космические впечатления первый космонавт Ю. А. Гагарин.
Но все же и с борта космического корабля на дневной стороне неба видны далеко не все звезды, а только самые яркие. Глазу мешает ослепительный свет Солнца и свет Земли.
Если посмотреть на небо с Земли, мы отчетливо увидим, что все звезды мерцают. Они как бы то затухают, то разгораются, переливаясь при этом разными цветами. И чем ниже над горизонтом расположена звезда, тем сильнее мерцание.
Мерцание звезд тоже объясняется наличием атмосферы. Прежде чем достичь нашего глаза, свет, излучаемый звездой, проходит сквозь атмосферу. В атмосфере же всегда имеются массы более теплого и более холодного воздуха. От температуры воздуха в той или иной области зависит его Плотность. Переходя из одной области в другую, световые лучи испытывают преломление. Направление их распространения изменяется. Благодаря этому в некоторых местах над земной поверхностью они концентрируются, в других оказываются сравнительно редкими. В результате постоянного движения воздушных масс эти зоны все время смещаются, и наблюдатель видит то усиление, то ослабление яркости звезд. Но так как различные цветные лучи преломляются не одинаково, то моменты усиления и ослабления разных цветов наступают не одновременно.
Кроме того, определенную роль в мерцании звезд могут играть и другие, более сложные оптические эффекты.
Наличие теплых и холодных слоев воздуха, интенсивные перемещения воздушных масс сказываются и на качестве телескопических изображений.
Где наилучшие условия для астрономических наблюдений: в горных районах или на равнине, на берегу моря или в глубине материка, в лесу или в пустыне? И вообще, что лучше для астрономов — десять безоблачных ночей на протяжении месяца или всего одна ясная ночь, но такая, когда воздух идеально прозрачен и спокоен?
Это лишь малая часть тех вопросов, которые приходится решать при выборе места для строительства обсерваторий и установки крупных телескопов. Подобными проблемами занимается особая область науки — астро-климатология.
Разумеется, наилучшие условия для астрономических наблюдений — за пределами плотных слоев атмосферы, в космосе. Кстати, и звезды здесь не мерцают, а горят холодным спокойным светом.
Привычные созвездия выглядят в космосе точно так же, как и на Земле. Звезды находятся на огромных расстояниях от нас, и удаление от земной поверхности на какие-нибудь несколько сотен километров ничего не может изменить в их видимом взаимном расположении. Даже при наблюдении с Плутона очертания созвездий были бы точно такими же.
В течение одного витка с борта космического корабля, движущегося по околоземной орбите, в принципе можно увидеть все созвездия земного неба. Наблюдение звезд из космоса представляет двоякий интерес: астрономический и навигационный. В частности, очень важно наблюдать звездный свет, не измененный атмосферой.
Не менее важное значение имеет в космосе и навигация по звездам. Наблюдая заранее выбранные «опорные» звезды, можно не только ориентировать корабль, но и определять его положение в пространстве.
На протяжении длительного времени астрономы мечтали о будущих обсерваториях на поверхности Луны. Казалось, полное отсутствие атмосферы должно создавать на естественном спутнике Земли идеальные условия для астрономических наблюдений как во время лунной ночи, так и в условиях лунного дня.
Астрономы называют вспышки "спорадическими явлениями" — они внезапны и непредсказуемы. Причем из наблюдений известно, что красным карликам присуща весьма интенсивная вспышечная активность. Они относятся к менее массивным звездам, чем наше Солнце, и тоже считаются пригодными на роль "колыбелей жизни". Недавно ученые выяснили причину этого феномена.
Интерес к феномену вспышек у красных карликов вполне закономерен — дело в том, что подобная мощная вспышка может стать гибельной для зарождающейся или развитой биоты. А ведь у красных карликов есть планеты, на некоторых из которых имеются вполне нормальные условия для существования жизни.
На фоне звезд-гигантов красные карлики выглядят слабо светящимися звездочками, поэтому их наблюдения производятся в ограниченном ближнем ареале. В нашей Галактике, в созвездии Большой Медведицы, находится двойная звездная система, состоящая из двух красных карликов — их разделяет расстояние в 190 астрономических единиц. В масштабах Солнечной системы это четырехкратное расстояние от Солнца до Плутона.
Эта звездная система носит название Глизе 412 и изучена довольно основательно. Ее звезды, красные карлики, таковы: первая — Глизе 412 A по массе дотягивает до половины массы Солнца, а светится гораздо слабее — достигает лишь 2 процентов от светимости нашей звезды. Вторая звездочка Глизе 412 B гораздо менее массивна и не обладает постоянной светимостью. Это очень тусклая звезда класса М6 в сто раз слабее своей соседки Глизе 412 A! Но ярчайшие моменты звездных вспышек обнаруживают подобные переменные звезды, это воистину их "звездный миг" — сильнейший всплеск яркости свечения обнаруживается в наблюдениях.
Теория звездных вспышек объясняет эти явления преобразованиями в сложной иерархии звездных магнитных полей, которые управляют звездной активностью. На Солнце это хорошо видно: образуется новый комплекс активности с пятнами, он растет и видоизменяется, и когда всплывает новый сильный магнитный поток, происходит пересоединение силовых линий, и в проводящей плазменной среде реализуется мощнейшее энергетическое преобразование на Солнце, которое видится как вспышка. Этот выброс обладает гигантской кинетической энергией и улетает от Солнца со скоростями более 1000 км/с. На красных карликах происходят гигантские вспышки, конвективная плазменная среда этих звезд по той же схеме электрического разряда порождает вспышечную активность.
Вахтанг Тамазян, профессор Университета де Сантьяго де Компостела (Галисия, Испания), с группой коллег из Испании и Армении выявили и исследовали исключительно мощный пример такого вспышечного процесса: переменная звезда WX UMa увеличила свою яркость в 15 раз за 160 с. Температура ее поверхности, равная 2 800 К, в области вспышечного события достигла 18 000 К — такова поверхностная температура голубых гигантов спектрального класса B! Но голубые гиганты питают свою чудовищную светимость постоянным притоком энергии из глубин звезды. В случае красного карлика эта температура обнаруживает разогрев корональной вспышечной петли, активного образования в верхней атмосфере красного карлика, светимость которой инициирует реализованная энергия магнитного поля.
Аналогичное изменение яркости корональной петли на Солнце было обнаружено в космическом эксперименте Коронас-Ф в ИЗМИРАН им. Н. В. Пушкова РАН, открытие отмечено Государственной премией. Обычно корона Солнца нагрета примерно до 2 миллионов градусов, в эксперименте Коронас-Ф пронаблюдали нагрев до 20 миллионов градусов. На красных карликах, типичных вспыхивающих звездах, так реализуются нестабильности их сложных магнитных полей. Регистрировать эти явления нелегко по причине слабой светимости, поскольку далее 60 световых лет от Земли красные карлики невозможно наблюдать, это предел современных технических возможностей.
Звездная пара, в которую входит звезда WX UMa, дает исследователям уникальную возможность "исследовать, связаны ли частота вспышек и взаимное положение пары вращающихся друг вокруг друга светил", — подчеркивает Вахтанг Тамазян. Изучение двойной системы, где красные карлики взаимодействуют друг с другом гравитационно, позволяет исследовать вопрос связности вспышечных процессов и расширить представления о физической природе уникальных вспышек на красных карликах.
Одновременно с наблюдением звезды WX UMa коллектив астрономов изучал дополнительно четыре двойные системы с красными карликами, наблюдая их вспышечную активность. Мощных вспышек наблюдения не зафиксировали, но тем не менее еще три карлика стали ярче при вспышках, и только один из них за время наблюдений подобной активности не проявлял. Итак, как выяснилось, вспышечные характеристики красных карликов не обладают выявленной периодичностью. В итоге ученые предположили, что раз за столь малое время было зарегистрировано большое количество вспышек в двойных системах, то, видимо, они появляются благодаря влиянию светила-компаньона.
Следует заметить, что бушующие вспышками красные карлики не похожи на наше гораздо более стабильное в этом отношении Солнце. Вспышечная активность Солнца зарождается на ветви роста каждого 11-летнего цикла, достигает апогея в максимуме цикла, спадая до минимальных проявлений в минимуме солнечной активности. Хотя исключения из общих тенденций уже наблюдались: в 2003 году незадолго до минимума прошла серия мощных солнечных вспышек, которая привлекла огромное внимание специалистов.
Такие сильные вспышки на Солнце называются рентгеновскими, балла М и Х. Исследования вспышек, как самых энергичных проявлений солнечной и звездной активности, тщательно фиксируются и анализируются по данным современных космических обсерваторий. Их природа становится все более понятной ученым, но прогноз вспышечных событий пока носит только вероятностный, а не точный характер. Но вполне возможно, что по мере совершенствования знаний такой прогноз может появиться…
В атмосфере существуют холодные и горячие потоки воздуха. Там, где теплые слои над холодными образуются воздушные вихри, под действием которых световые лучи искривляются, и происходит изменение положения звезды.
Яркость звезды меняется по той причине, что лучи , отклоняющиеся неправильно, неравномерно концентрируются над поверхностью планеты. При этом весь пейзаж постоянно смещается и изменяется из-за атмосферных явлений, к примеру, из-за ветра. Наблюдающий же за звездами оказывается то в более освещенной области, то, наоборот, в более затененной.
Если вы хотите понаблюдать за мерцанием звезд, то имейте в виду, что у зенита при спокойной атмосфере можно лишь изредка обнаружить это явление. Если вы переведете свой взгляд на небесные объекты, располагающиеся ближе к горизонту, то обнаружите, что они мерцают гораздо сильнее. Это объясняется тем, что вы смотрите на звезды через более плотный слой воздуха, и, соответственно, пронизываете взглядом большее число воздушных потоков. Вы не заметите изменений цвета звезд, расположенных на высоте более 50°. Но обнаружите частое изменение цвета у звезд, находящихся ниже 35°. Очень красиво мерцает Сириус, переливаясь всеми цветами спектра, особенно в зимние месяцы, низко над горизонтом.
Сильное мерцание звезд доказывает неоднородность атмосферы, что связано с различными метеорологическими явлениями. Поэтому многие думают, что мерцание связано с погодой. Часто оно набирает силу при низком атмосферном давлении, понижении температуры, увеличении влажности и т.д. Но состояние атмосферы зависит от такого большого числа различных факторов, что на данный момент не представляется возможным предсказывать погоду по мерцанию звезд.
Это явление хранит свои загадки и неясности. Предполагается, что оно усиливается в сумерки. Это может быть и оптической иллюзией, и следствием необычных атмосферных изменений, которые часто происходят в это время суток. Есть мнение, что мерцание звезд обусловлено северным сиянием. Но это очень трудно объяснить, если учесть, что северное сияние находится на высоте более 100 км. Кроме того, остается загадкой, почему белые звезды мерцают меньше, чем красные.
Звезды – это солнца. Первый человек, открывший эту истину, был ученым итальянского происхождения. Без всякого преувеличения, его имя известно всему современному миру. Это легендарный Джордано Бруно. Он утверждал, что среди звезд есть похожие на Солнце и размерами, и температурой своей поверхности, и даже цветом, который напрямую зависит от температуры. Кроме того, есть звезды, значительно отличающиеся от Солнца, – гиганты и сверхгиганты.
Табель о рангах
Многообразие бесчисленного множества звезд на небе вынудило астрономов установить некоторый порядок среди них. Для этого ученые приняли решение разбить звезды на соответствующие классы их светимости. Например, звезды, которые излучают свет в несколько тысяч раз больше чем Солнце, получили название гиганты. Напротив, звезды с минимальной светимостью – это карлики. Ученые выяснили, что Солнце, согласно данной характеристике, является средней звездой.
по-разному светят?
Какое-то время астрономы думали, что звезды светят неодинаково из-за их различного расположения от Земли. Но это не совсем так. Астрономы выяснили, что даже те звезды, которые располагаются на одном и том же расстоянии от Земли, могут иметь совершенно разный видимый блеск. Этот блеск зависит не только от расстояния, но и от температуры самих звезд. Чтобы сравнивать звезды по их видимому блеску, ученые используют определенную единицу измерения – абсолютную звездную величину. Она и позволяет вычислять настоящее излучение звезды. Пользуясь этим методом, ученые подсчитали, что на небе находятся всего лишь 20 самых ярких звезд.
Почему звезды разного цвета?
Выше было написано, что астрономы различают звезды по их размерам и их светимости. Однако это еще не вся их классификация. Наряду с размерами и видимым блеском все звезды подразделяются и по своему собственному цвету. Дело в том, что свет, определяющий ту или иную звезду, имеет волновое излучение. Эти довольно короткими. Несмотря на минимальную волну световой длины, даже самая ничтожная разница в размерах световых волн резко меняет цвет звезды, который напрямую зависит от температуры ее поверхности. К примеру, если раскалить на железную сковороду, то она приобретет и соответствующий цвет.
Цветовой спектр звезды – это своеобразный паспорт, который определяет ее наиболее характерные особенности. Например, Солнце и Капелла (звезда, подобная Солнцу) были выделены астрономами в один и тот же . Обе они имеют желто-бледный цвет, температуру своей поверхности в 6000оС. Более того, их спектр имеет в своем составе одинаковые вещества: линии , натрия и железа.
Такие звезды, как Бетельгейзе или Антарес вообще имеют характерный красный цвет. Температура их поверхности равна 3000оС, в их составе выделяют оксид титана. Белый цвет имеют такие звезды, как Сириус и Вега. Температура их поверхности равна 10000оС. Их спектры имеют линии водорода. Существует и звезда с температурой поверхности в 30000оС – это голубовато-белая Ориона.
Источник задания: Решение 4555. ОГЭ 2017 Физика, Е.Е. Камзеева. 30 вариантов.
Задание 20. Под рефракцией в тексте понимается явление
1) изменения направления распространения светового луча из-за отражения на границе атмосферы
2) изменения направления распространения светового луча из-за преломления в атмосфере Земли
3) поглощения света при его распространении в атмосфере Земли
4) огибания световым лучом препятствий и тем самым отклонения от прямолинейного распространения
Решение.
Прежде чем луч света от удалённого космического объекта (например, звезды) сможет попасть в глаз наблюдателя, он должен пройти сквозь земную атмосферу. При этом световой луч подвергается процессам рефракции, поглощения и рассеяния.
Рефракция света в атмосфере - оптическое явление, вызываемое преломлением световых лучей в атмосфере и проявляющееся в кажущемся смещении удалённых объектов (например, наблюдаемых на небе звёзд). По мере приближения светового луча от небесного тела к поверхности Земли плотность атмосферы растёт (рис. 1), и лучи преломляются всё сильнее. Процесс распространения светового луча через земную атмосферу можно смоделировать с помощью стопки прозрачных пластин, оптическая плотность которых изменяется по ходу распространения луча.
Из-за рефракции наблюдатель видит объекты не в направлении их действительного положения, а вдоль касательной к траектории луча в точке наблюдения (рис. 3). Угол между истинным и видимым направлениями на объект называется углом рефракции. Звёзды вблизи горизонта, свет которых должен пройти через самую большую толщу атмосферы, сильнее всего подвержены действию атмосферной рефракции (угол рефракции составляет порядка 1/6 углового градуса).
