Iónové prúdy a prirodzené magnetické javy

Ak sa nabité častice pohybujú v plyne v prítomnosti vonkajšieho magnetického poľa, môžu voľne opísať významnú časť svojej magnetrónovej trajektórie. Každá trajektória sa však nemusí nevyhnutne dokončiť úplne. Môže sa zlomiť zrážkou medzi pohybujúcou sa časticou a akoukoľvek molekulou plynu.

Takéto zrážky niekedy iba odchýlia smer pohybu častíc a prenesú ich na nové trajektórie; pri dostatočne silných zrážkach je však možná aj ionizácia molekúl plynu. V období po zrážke vedúcej k ionizácii je potrebné vziať do úvahy existenciu troch nabitých častíc – pôvodnej pohybujúcej sa častice, plynového iónu a uvoľneného elektrónu. Pohyby ionizujúcej častice pred zrážkou, iónu plynu, uvoľneného elektrónu a ionizujúcej častice po zrážke sú ovplyvnené Lorentzove sily.

Interakcia ionizujúcich a ionizovaných častíc s magnetickým poľom, keď sa tieto častice pohybujú v plyne, vedie k rôznym prírodným magnetickým javom – polárna žiara, spievajúci plameň, slnečný vietor a magnetické búrky.

Polárne svetlá

Polárna žiara je žiara na oblohe, ktorú niekedy vidno. oblasť severného pólu Zeme. K tomuto javu dochádza v dôsledku deionizácie molekúl atmosféry po ich ionizácii slnečným žiarením. Podobný jav na južnej pologuli Zeme sa nazýva južné svetlá. Slnko vyžaruje veľké množstvo energie v mnohých rôznych formách. Jednou z týchto foriem sú nabité rýchle častice rôzneho druhu, vyžarujúce do všetkých smerov. Častice pohybujúce sa smerom k Zemi padajú do geomagnetického poľa.

Všetky nabité častice z mimozemského priestoru, ktoré spadajú do geomagnetického poľa, sa bez ohľadu na počiatočný smer pohybu pohybujú na trajektórie zodpovedajúce siločiaram. Keďže všetky tieto siločiary vychádzajú z jedného pólu Zeme a vstupujú do opačného pólu, pohybujúce sa nabité častice končia na jednom alebo druhom póle Zeme.

Rýchlo nabité častice vstupujúce do zemskej atmosféry v blízkosti pólov sa stretávajú s molekulami atmosféry. Zrážky medzi časticami slnečného žiarenia a molekulami plynu môžu viesť k jeho ionizácii a z niektorých molekúl sú vyrazené elektróny. Vzhľadom na to, že ionizované molekuly majú viac energie ako deionizované, majú elektróny a plynové ióny tendenciu rekombinácie. V prípadoch, keď sa ióny znovu zjednotia s predtým stratenými elektrónmi, vyžaruje sa elektromagnetická energia. Výraz "polárna žiara" sa používa na označenie viditeľnej časti tohto elektromagnetického žiarenia.

Prítomnosť geomagnetického poľa je jedným z priaznivých faktorov pre všetky formy života, pretože toto pole slúži ako „strecha“, ktorá chráni centrálnu časť zemegule pred nepretržitým bombardovaním rýchlymi časticami slnečného pôvodu.

Spievajúci plameň

Plameň umiestnený v striedavom magnetickom poli môže vytvárať zvuky s frekvenciou magnetického poľa. Plameň pozostáva z vysokoteplotných plynných produktov vznikajúcich pri určitých chemických reakciách. Keď sa vplyvom vysokej teploty oddelia orbitálne elektróny od niektorých molekúl plynu, vznikne bohatá zmes voľných elektrónov a kladných iónov.

Týmto spôsobom plameň generuje elektróny aj kladné ióny, ktoré môžu slúžiť ako nosiče na udržanie elektrického prúdu. Plameň zároveň vytvára teplotné gradienty, ktoré spôsobujú konvekčné toky plynov tvoriacich plameň.Keďže nosiče elektrického náboja sú neoddeliteľnou súčasťou plynov, konvekčné toky sú aj elektrické prúdy.

Tieto konvekčné elektrické prúdy existujúce v plameni v prítomnosti vonkajšieho magnetického poľa podliehajú pôsobeniu Lorentzových síl. V závislosti od povahy interakcie medzi prúdom a poľom môže aplikácia vonkajšieho magnetického poľa buď znížiť alebo zvýšiť jas plameňa.

Tlak plynov v plameni interagujúcich so striedavým magnetickým poľom je modulovaný Lorentzovými silami pôsobiacimi na konvekčné toky. Keďže v dôsledku modulácie tlaku plynu vznikajú zvukové vibrácie, plameň môže slúžiť ako prevodník, ktorý premieňa elektrickú energiu na zvuk.Plameň, ktorý má opísané vlastnosti, sa nazýva spievajúci plameň.

Magnetosféra

Magnetosféra je oblasť zemského prostredia, v ktorej hrá dominantnú úlohu magnetické pole. Toto pole je vektorovým súčtom vlastného magnetického poľa Zeme alebo geomagnetického poľa a magnetických polí spojených so slnečným žiarením. Ako prehriate teleso, ktoré podlieha silným tepelným a rádioaktívnym poruchám, Slnko vyvrhuje obrovské množstvo plazmy pozostávajúcej z približne polovice elektrónov a polovice protónov.

Hoci plazma je vyvrhovaný z povrchu Slnka všetkými smermi, jeho značná časť, vzďaľujúca sa od Slnka, tvorí pod vplyvom pohybu Slnka v priestore stopu smerujúcu viac-menej jedným smerom. Táto migrácia plazmy sa nazýva slnečný vietor.

Pokiaľ sa elektróny a protóny, ktoré tvoria slnečný vietor, pohybujú spoločne a majú rovnakú koncentráciu, nevytvárajú magnetické pole. Avšak akékoľvek rozdiely v ich rýchlosti driftu generujú elektrický prúd a rozdiely v koncentrácii vytvárajú napätie schopné produkovať elektrický prúd. V každom prípade plazmové prúdy vytvárajú zodpovedajúce magnetické polia.

Zem je v dráhe slnečného vetra. Keď sa jeho častice a s nimi spojené magnetické pole priblížia k Zemi, interagujú s geomagnetickým poľom. V dôsledku interakcie sa obe polia menia. Tvar a charakteristiky geomagnetického poľa sú teda čiastočne určené slnečným vetrom, ktorý ním prechádza.

Radiačná aktivita Slnka je extrémne premenlivá v čase aj v priestore – naprieč povrchom Slnka.Keď sa slnko otáča okolo svojej osi, slnečný vietor je v stave toku. Vzhľadom na to, že aj Zem sa otáča okolo svojej osi, neustále sa mení aj charakter interakcie medzi slnečným vetrom a geomagnetickým poľom.

Podstatné prejavy týchto meniacich sa interakcií sa nazývajú magnetosférické búrky v slnečnom vetre a magnetické búrky v geomagnetickom poli. Ďalšími javmi súvisiacimi s interakciami medzi časticami slnečného vetra a magnetosférou sú vyššie spomínané polárne žiary a elektrický prúd prúdiaci v atmosfére okolo Zeme z východu na západ.