Если заряженные частицы движутся в газе при наличии внешнего магнитного поля, то они имеют возможность беспрепятственно описывать значительную часть своей магнетронной траектории. Однако каждая траектория совсем не обязательно завершается полностью. Она может быть прервана в результате столкновения между движущейся частицей и какой-либо молекулой газа.
Такие столкновения иногда лишь отклоняют направление движения частиц, переводя их на новые траектории, однако при достаточно сильных соударениях возможна также ионизация молекул газа.
В период после столкновения, приводящего к ионизации, необходимо учитывать существование трех заряженных частиц — исходной движущейся частицы, иона газа и освободившегося электрона.
Движения ионизирующей частицы до столкновения, иона газа, освободившегося электрона и ионизирующей частицы после столкновения подвержены влиянию сил Лоренца.
Взаимодействие ионизирующих и ионизированных частиц с магнитным полем при движении этих частиц в газе порождает различные природные магнитные явления - полярное сияние, поющее пламя, солнечный ветер и магнитные бури.
Полярное сияние
Северное сияние — это свечение неба, иногда наблюдаемое в области северного полюса Земли.
Это явление возникает в результате деионизации атмосферных молекул, после того как они были ионизированы под влиянием солнечного излучения. Аналогичное явление в южном полушарии Земли называется южным сиянием.
Солнце излучает большое количество энергии во многих различных формах. Одна из этих форм — заряженные быстрые частицы разных типов, испускаемые во всех направлениях. Частицы, движущиеся к Земле, попадают в геомагнитное поле.
Любые заряженные частицы из внеземного пространства, оказывающиеся в геомагнитном поле, независимо от исходного направления движения переходят на траектории, соответствующие силовым линиям поля.
Поскольку все эти силовые линии выходят из одного полюса Земли и входят в противоположный полюс, движущиеся заряженные частицы заканчивают свой путь у одного или другого полюса Земли.
Быстрые заряженные частицы, входящие в земную атмосферу вблизи полюсов, встречаются с молекулами атмосферы. Столкновения между частицами солнечного излучения и молекулами газа могут привести к ионизации последних, причем из некоторых молекул выбиваются электроны.
Вследствие того что ионизированные молекулы обладают большей энергией, чем деионизированные, электроны и ионы газа имеют тенденцию к рекомбинации.
В тех случаях, когда ионы воссоединяются с потерянными ранее электронами, происходит испускание электромагнитной энергии. Термин «полярное сияние» используется для описания видимой части этого электромагнитного излучения.
Наличие геомагнитного поля является одним из благоприятных факторов для всех форм жизни, так как это поле служит «крышей», предохраняющей центральную часть земного шара от непрерывной бомбардировки быстрыми частицами солнечного происхождения.
Поющее пламя
Пламя, помещенное в переменное магнитное поле, может генерировать слышимые звуки на частоте колебаний магнитного поля. Пламя состоит из высокотемпературных газообразных продуктов, образующихся при определенных химических реакциях.
Когда под влиянием высокой температуры от некоторых молекул газа отделяются орбитальные электроны, возникает богатая смесь свободных электронов и положительных ионов.
Таким образом, пламя порождает как электроны, так и положительные ионы, способные служить носителями для поддержания электрического тока. В то же время пламя создает температурные градиенты, вызывающие конвекционные потоки газов, из которых состоит пламя.
Поскольку носители электрического заряда являются составной частью газов, конвекционные потоки представляют собой также и электрические токи.
Эти конвекционно-электрические токи, существующие в пламени, при наличии внешнего магнитного поля подвержены действию сил Лоренца.
В зависимости от природы взаимодействия между током и полем приложение внешнего магнитного поля может либо уменьшить, либо увеличить яркость пламени.
Давление газов в пламени, взаимодействующем с переменным магнитным полем, модулируется силами Лоренца, которые действуют на конвекционные потоки.
Поскольку в результате модуляции давления газа возникают звуковые колебания, пламя может служить преобразователем, который преобразует электрическую энергию в звуковую. Пламя, обладающее описанными свойствами, называют поющим пламенем.
Магнитосфера
Магнитосфера представляет собой ту область среды, окружающей Землю, где доминирующую роль играет магнитное поле. Это поле является векторной суммой собственного магнитного поля Земли, или геомагнитного поля, и магнитных полей, связанных с солнечным излучением.
Как перегретое тело, подверженное сильным тепловым и радиоактивным возмущениям, Солнце выбрасывает огромные количества плазмы, состоящей приблизительно наполовину из электронов и наполовину из протонов.
Хотя плазма выбрасывается с поверхности Солнца во всех направлениях, значительная ее часть, удаляясь от Солнца, образует след, направленный более или менее в одну сторону под влиянием движения Солнца в пространстве. Такая миграция плазмы называется солнечным ветром.
Заряженные частицы постоянно расходятся по спирали от Солнца, взаимодействуя с магнитосферой Земли. Этот солнечный ветер, являющийся частью протяженной солнечной атмосферы или гелиосферы, следует по спирали Архимеда, определяемой межпланетным магнитным полем.
Пока электроны и протоны, образующие солнечный ветер, движутся совместно, имея равные концентрации, они не создают магнитного поля. Однако любые различия в скоростях их дрейфа порождают электрический ток, а различия в концентрациях — напряжение, способное вызывать электрический ток. В любом случае плазменные токи порождают соответствующие магнитные поля.
Земля находится на пути солнечного ветра. Когда его частицы и связанное с ними магнитное поле приближаются к Земле, они взаимодействуют с геомагнитным полем. В результате взаимодействия изменяются оба поля. Таким образом, форма и характеристики геомагнитного поля отчасти определяются проходящим через него солнечным ветром.
Излучательная активность Солнца чрезвычайно изменчива как во времени, так и в пространстве — по поверхности Солнца.
Поскольку Солнце вращается вокруг своей оси, солнечный ветер находится в состоянии непрерывного изменения. Вследствие того что Земля также вращается вокруг своей оси, характер взаимодействия между солнечным ветром и геомагнитным полем также непрерывно изменяется.
Значительные проявления этих изменяющихся взаимодействий называются магнитосферными бурями в солнечном ветре и магнитными бурями в геомагнитном поле.
Самая большая составляющая вариаций внешнего поля исходит от кольца тока, циркулирующего примерно вокруг магнитного экватора на расстоянии 2–9 земных радиусов.
Солнечный ветер вбрасывает в кольцевой ток заряженные частицы, в основном положительно заряженные ионы кислорода.
Внезапное усиление солнечного ветра, связанное с корональными выбросами массы, вызывает магнитные бури, характеризующиеся внезапным началом, небольшим, но резким усилением магнитного поля, связанным с внезапным усилением давления солнечного ветра на магнитосферу Земли.
За началом следует период колебаний магнитного поля, называемый начальной фазой. Основная фаза шторма связана с большим уменьшением величины полей по мере того, как возбуждается циркулирующий на запад кольцевой ток - эффект состоит в том, чтобы немного компенсировать основное дипольное поле Земли.
Наконец, есть фаза восстановления, в которой поле квазиэкспоненциально возвращается к нормальному состоянию. Все это может произойти за пару часов, а может растянуться на сутки из-за сильного шторма.
Другие явления, связанные с взаимодействием между частицами солнечного ветра и магнитосферой, — это полярное сияние, упомянутое выше, и электрический ток, текущий в атмосфере вокруг Земли в направлении с востока на запад.
Смотрите также: Что такое магнитосфера и как сильные магнитные бури влияют на технику