Темы проектных работ

ЛАБОРАТОРИЯ ГИПОМАГНИТНЫХ УСТРОЙСТВ

Консультант: к.ф.-м.н., заведующий Лабораторией ускорительных установок НИИЯФ МГУ Андрей Васильевич Спасский ( wg2@anna19.sinp.msu.ru )

Исследования биологического действия гипомагнитных условий (ГМУ) является актуальной междисциплинарной задачей, важной для обеспечения деятельности человека и функционирования будущих биорегенеративных систем жизнеобеспечения (БСЖО) в дальнем космосе и на Луне (межпланетное магнитное поле на несколько порядков ниже привычного геомагнитного поля). Обитаемая лунная база, в частности, может служить «полустанком» для временного пребывания экипажей пилотируемых межпланетных кораблей, возвращающихся из дальнего космоса. Успех осуществления этих амбициозных планов связан, прежде всего, с обеспечением безопасности космонавтов (астронавтов) в условиях, отличающихся от условий на околоземных орбитах.

ГМУ негативно действуют на все живое и, в частности, будет негативно действовать на экипаж космического корабля и БСЖО. Действие ГМУ на биологические объекты изучается достаточно давно [см. В.Н. Бинги Принципы электромагнитной биофизики. М.:ФИЗМАТЛИТ. 2011.- 592 с. и ссылки там]. Отмечается, что особенно негативно воздействие этого фактора на биологические объекты на стадиях развития.

Тем не менее, имеющиеся результаты исследований пока не позволяют получить достаточно полную, внутренне согласованную концепцию. Очевидно, требуются дополнительные исследования моделируемого воздействия ГМУ, характерных для дальнего космоса, на разнообразные биологические объекты.

В НИИЯФ МГУ совместно с институтом медикобиологических проблем РАН и биологическим факультетом МГУ приводятся исследования, влияние ГМУ на различные биологические и модельные физико- химические и биологические объекты.

Ниже представлены некоторые имеющиеся в НИИЯФ МГУ физические установки, позволяющие компенсировать геомагнитное поле и моделировать ГМУ.

Имеются гипомагнитные камеры из магнитомягких материалов (тонкой ленты) с характерными размерами от 10-20 см до 1,5 м и коэффициентом ослабления ГМП от 50 -100 до 5∙102 — 103 и более. Имеются установки, позволяющие моделировать и компенсировать ГМП в диапазоне от 0,7 до 100 мкТл, выполненные в виде системы колец Гельмгольца с характерными размерами от 90 см до 3 м. На рис.1 и 2 представлены различные устройства, позволяющие ослабить геомагнитное поле: гипомагнитные камеры и системы колец Гельмгольца.

Возможные темы научной работы школьников

1. Исследование величины магнитного поля внутри КГ и гипомагнитных камер, включая различные комбинации из этих устройств («матрешки») и устройств, восстанавливающих нормальное значение поля внутри объемов с ослабленным полем.

2. Влияние ГМУ на протекание реакции Белоусова-Жаботинского.

3. Влияние ГМУ на развитие эмбрионов японского перепела (работа требует дополнительного согласования с биологами при наличии интереса к этой теме).

cam

Рис.1 Различные типы гипомагнитных камер и систем колец Гельмгольца.

Рис.2. Общий вид системы катушек Гельмгольца (большой – ø 3 м и две малые ø 0.9 м). Экспериментальные исследования влияния гипогнитных условий на высшую нервную деятельность человека ведет профессор биологического факультета МГУ заведующий лабораторией нейрофизиологии и нейроинтерфейсов А.Я. Каплан (слева). Испытуемый – участник данной работы аспирант ИМБП О.С. Круглов, ассистирует – ст. научный сотрудник НИИЯФ МГУ В.М. Лебедев.

Рис.2. Общий вид системы катушек Гельмгольца (большой – ø 3 м и две малые ø 0.9 м). Экспериментальные исследования влияния гипогнитных условий на высшую нервную деятельность человека ведет профессор биологического факультета МГУ заведующий лабораторией нейрофизиологии и нейроинтерфейсов А.Я. Каплан (слева). Испытуемый – участник данной работы аспирант ИМБП О.С. Круглов, ассистирует – ст. научный сотрудник НИИЯФ МГУ В.М. Лебедев.

ЧТО ТАКОЕ «ХОРОШО» И «ПЛОХО» В КОСМОСЕ?

Консультант: профессор кафедры физики космоса МГУ, главный научный сотрудник НИИЯФ МГУ Веселовский Игорь Станиславович ( veselov@dec1.sinp.msu.ru )

Предлагаемые проектные работы школьников могут носить теоретический, расчетный, экспериментальный и практический характер. Они рассчитаны на любой возраст и относятся к области сложных, не всегда понятных и изученных, А ИНОГДА ПРОСТО ЗАГАДОЧНЫХ, физических явлений, наблюдаемых в космической плазме при сравнимой роли гравитационных, электромагнитных и других сил. Выбор конкретной темы, объектов и методов индивидуален, определяется инициативой учащегося под руководством заинтересованного школьного учителя и возможностями выполнения в реальные сроки и в реальной обстановке. Консультант при этом оказывает необходимую и постоянную помощь своими советами на всех этапах от начала и до завершения работы. Темы проектных работ будут выбраны из серии «узнай сам», «сделай сам», «пойми сам» и «объясни другому человеку»

Целью проектных работ является активное расширение научного мировоззрения, укрепление и развитие любознательности, наращивание творческих сил учащегося для последующего приложения в серьезной самостоятельной и коллективной деятельности. Тем не менее, элемент детской и взрослой игры обязан присутствовать. Это своеобразные шахматы, гимнастика для рук и ума, ловкость и никакого мошенничества.

Умение понимать и описывать сложные природные связи, создавать их образы и модели, использовать их в практических целях пригодится в будущем каждому ученику независимо от выбранного им жизненного пути.

Конкретное наполнение видится весьма широким и разнообразным. Нет смысла здесь его перечислять, так как все определится в итоге при встрече вершин равностороннего треугольника: ученик-учитель-консультант.

Здесь важно человеческое взаимопонимание. Чем быстрее и прочнее оно установится – тем лучше для будущего успеха.

ПОСТРОЕНИЕ ИНТЕГРАЛЬНОГО СПЕКТРА ПРОТОНОВ

СОЛНЕЧНЫХ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ (СКЛ)

Консультант: д.ф.-м.н., ведущий научный сотрудник Отдела космофизических исследований НИИЯФ МГУ Леонид Леонидович Лазутин ( lll@srd.sinp.msu.ru )

Протоны СКЛ генерируются в хромосферной вспышке на Солнце, причем значительно превышают фон галактических космических лучей (ГКЛ). В периферию магнитосферы Земли они свободно проникают и регистрируются спутниками с околоземной полярной орбитой в высоких широтах, в т. н. полярной шапке. За один оборот вокруг Земли (~90 минут) спутник дважды пролетает над полярной шапкой, что дает возможность проследить за временным ходом и энергетическим спектром протонов СКЛ.

Перейдем конкретно к измерениям на спутнике КОРОНАС-Ф (хотя можно работать с данными и других спутников).

В файле No01_01.dat дается таблица измерений на К-Ф в первой половине ноября 2001 года.

В верхней строчке приведена легенда: день, месяц, год, час (UT, время у нас всегда по Гринвичу) er (не используется), далее в разбивку дифференциальные каналы электронов (е) и протонов (р) с цифрами граничных энергий канала в МэВ, L-параметр МкИлвайна, LAT и LON — широта и долгота географическая , LT локальное время.

6 ноября была зафиксирована вспышка СКЛ, потоки протонов в полярной шапке выросли.

Надо выбрать время пролета полярной шапки с максимальным темпом счета, посчитать средний темп счета в минуту за весь пролет в каждом канале протонов, посчитать и вычесть фон ГКЛ по пролету шапки в спокойное время (3-4 ноября), определить статистическую ошибку (обычно 3 сигмы), перейти от дифференциального к интегральному счету и построить график с указанием разброса за счет статистики.

График и вычисления можно производить и строить вручную, можно и с помощью графической программы.

Наконец, неплохо бы найти формулу (или две), которые хорошо аппроксимируют результаты экспермента.

Дальше, если будет желание, можно построить график изменения потока СКЛ во времени, изменение показателей спектра, найти на Солнце группу пятен и вспышку, породившую СКЛ, и написать, что вы знаете о этом явлении.

Но главная задача — научиться грамотно работать с данными измерений, поэтому каждый шаг расчетов описываете подробно, чтобы можно было оценить вашу грамотность.

 

ЛАБОРАТОРИЯ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ ПРЕДЕЛЬНО ВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ

предлагает направления и темы научно-исследовательских и проектных работ учащихся общеобразовательных школ

Консультант: к.ф.-м.н., старший научный сотрудник Отдела чмстиц сверхвысоких энергий НИИЯФ МГУ Павел Александровч Климов ( Pavel.Klimov@gmail.com )

Перечисленные ниже задачи могут быть выполнены под руководством педагогов школы при научной консультации сотрудников лаборатории.

 

Направление «Транзиентные атмосферные явления»

Задача 1. «Классификация атмосферных вспышек по данным искусственного спутника Земли «Университетский-Татьяна-2″

За время работы спутника на орбите накоплена достаточно большая статистика разнообразных событий в атмосфере Земли, зарегистрированных оптическим детектором. Среди них есть как обычные молнии и высоко-атмосферные разряды, так и необычные транзиентные ультрафиолетовые вспышки. Кроме того, сигнал в детекторе зависит не только от интенсивности вспышки, но и от того, где именно в поле зрения детектора расположено данное событие. Чтобы понять как устроена глобальная электрическая цепь атмосферы, очень важно разобраться – что есть что!

Работа: придумать способы классификации вспышек, измеренных на спутнике, сопоставить эти данные с известными явлениями в атмосфере, найти те, которые пока не известны (например, экстремально мощные УФ-вспышки)!

Задача 2. «Эльфы, спрайты, и другие обитатели верхней атмосферы Земли»

Об этих удивительных физических явлениях – кратковременных гигантских светящихся образованиях в верхних слоях атмосферы – мало кто знает, хотя открыты они были уже более 20 лет назад и сейчас очень интенсивно изучаются. Длительность такой вспышки крайне мала – от нескольких микросекунд до десятков миллисекунд, однако за это время она может распространиться на сотни километров, а ее свечение может происходить в широком спектральном диапазоне – от ближнего ультрафиолета через голубой и зеленый к красному! Современный школьник должен быть в курсе передовых научных исследований!

Работа: подготовка научно-популярного обзора (включая фото- и видеоматериалы) о транзиентных атмосферных явлениях для курса лекций и демонстраций на сайте.

Задача 3. «Поиск необычных транзиентных явлений вдали от грозовых районов»

Традиционно считается, что всякой высоко-атмосферной вспышке предшествует разряд обычной молнии – именно он вызывает изменения в электрическом поле верхней атмосферы. Однако последние исследования показывают, что это бывает далеко не всегда! Природа необычных быстрых вспышек вдали от грозовых областей пока неясна, это настоящая загадка современной науки!

Работа: статистический анализ данных (сравнение) экспериментов по регистрации молний и высоко-атмосферных разрядов, поиск необычных явлений, происходящих вне грозовых районов.

Направление «Космические лучи предельно высоких энергий»

Задача 4. «Разработка и создание школьного детектора космических лучей”

Высокоэнергичные частицы, прилетающие к нам из космоса (космические лучи), образуют в атмосфере каскады вторичных частиц – так называемые широкие атмосферные ливни. Их можно и нужно наблюдать на земле! Каждая школа, имея детекторы заряженных частиц (например, электронов) могла бы стать частью мировой сети-лаборатории по регистрации и изучению космических лучей!

Работа: разработка, проектирование и создание собственной станции по регистрации космических лучей.

Задача 5. «Космические лучи предельно высоких энергий. Взгляд с орбиты»

Ускорение частиц во Вселенной происходит до таких гигантских энергий, что человек не только не может это повторить, но и даже придумать как это происходит! Такие частицы называют космическими лучами предельно высокой энергии (КЛ ПВЭ), их приход на Землю – событие крайне редкое. Ученые всего мира «охотятся» за ними уже более полувека, собирая поштучно уникальные события. В МГУ разрабатывается орбитальный детектор для регистрации КЛ ПВЭ со спутников и Международной Космической Станции, что позволит значительно увеличить количество «пойманных» сверхэнергичных посланцев дальнего космоса.

Работа: научно-популярное описание проблем физики КЛ ПВЭ и современных спутниковых проектов, посвященных исследованию этого удивительного феномена.

Задача 6. «Разработка и тестирование зеркал для космического эксперимента»

Так как оптический сигнал КЛ ПВЭ в орбитальном детекторе довольно слаб (ведь ему необходимо преодолеть сотни километров), то важнейшей составной частью такого прибора является большое зеркало-концентратор. А чтобы доставить такое зеркало на орбиту, его надо изготовить из специальных «космических» материалов (например, на основе углепластиковых конструкций). Но прежде чем отправлять зеркало в космос, следует тщательно проверить его фокусирующие свойства на земле.

Работа: разработка методики и проведение измерений оптических свойств космических зеркал из углепластика, а также моделирование и проверка данной методики в системе автоматизированного проектирования оптики (пакет Zemax).

 

ЛАБОРАТОРИЯ КОСМИЧЕСКОГО ПРАКТИКУМА

Консультант: к.ф.-м.н., заведующий Лабораторией космического практикума Отдела оперативного космического мониторинга НИИЯФ МГУ Сергей Анатольевич Красоткин (sergekras@rambler.ru)

Направление работ:
Солнечная активность и солнечно-земные связи.

Основной причиной изменений т.н. космической погоды, т.е. параметров околоземной космической среды, является непрерывно изменяющаяся активность Солнца. Именно она определяет состояние магнитосферы Земли, которая, в свою очередь, оказывает влияние на множество процессов, происходящих на Земле. Механизмы влияния солнечной активности, как на земные процессы (геологические, атмосферные, гидрологические и проч.), так и на нашу жизнь (биологическую, социальную и проч.) практически не изучены. Задачей сегодняшнего дня является не столько выявление этих механизмов (эта задача очень сложна и в полной мере сегодня не может быть решена), сколько выявления связей солнечной активности с разнообразными явлениями на Земле.

Конкретная тема может быть выработана только в процессе общения с будущими авторами работы (школьниками) и их руководителем (учителем).

Направление работ:
Космическая чепуха: школьники против.

Цель работы: борьба с дезинформацией о космосе. Выполнение работ по этому направлению включает: выявление в СМИ, художественной литературе, произведениях искусства и кино некорректностей (глупостей, ляпов, бреда, мифов, ошибок и проч.) по космической тематике; анализ и критическое рассмотрение указанных некорректностей; их опровержение, включающее наглядную демонстрацию. Работы могут выполняться как индивидуально, так и в составе междисциплинарных групп школьников.