Virmalised. Miks pooluste lähedal?

2.gif (22922 bytes)

1.gif (22922 bytes)

3.gif (22922 bytes)

Virmaliste füüsika on küllaltki keeruline. Et seda mõista, tuleb omada ettekujutust, mis on kosmiline kiirgus, kuidas liiguvad laetud osakesed magnetväljas, milline on Maa magnetvälja struktuur, mis on luminestsents jne. Et vastata pealkirjas toodud küsimusele, tuleb uurida laetud osakeste käitumist homogeenses ja mittehomogeenses magnetväljas.
Järgneval joonisel on vasakul kujutatud homogeenset ja paremal mittehomogeenset magnetvälja.

valjad.gif (10149 bytes)

Homogeense magnetvälja korral on B vektor kogu ruumis ühesuguse pikkuse ja suunaga. Homogeense välja magnetilise induktsiooni jooned (jõujooned) on omavahel paralleelsed sirged, mille vahekaugus ei muutu.
elpr.gif (6725 bytes) Kui laetud osake lendab homogeensesse magnetvälja risti magnetilise induktsiooni joontega, hakkab ta liikuma ringjoonelisel orbiidil. See on nii sellepärast, et Lorenzi jõud on igal hetkel risti osakese kiirusvektoriga. Kõrvaloleval joonisel on skemaatiliselt kujutatud elektroni ja prootoni liikumistrajektoorid homogeenses magnetväljas. Newtoni teise seaduse (F=ma) järgi   evB=mv2/R, millest trajektoori kõverusraadius  R=mv/eB
Kõrvalekaldumise suund määratakse vasaku käe reegliga.
homognurk.gif (9525 bytes) Liikugu osake positiivse laenguga e, massiga m ja kiirusega v homogeensesse magnetvälja nurga a all induktsioonijoonte suhtes. Lahutame kiirusvektori v kaheks komponendiks v1 ja v2 nii, et vektor v1 (v1=vcosa) on suunatud piki induktsioonijooni ja v2 (v2=vsina) on nendega risti. Vektor v1 on paralleelne vektoriga B ja põhjustab osakese ühtlase liikumise piki induktsioonijooni. Kiirusvektori komponent v2 on aga risti induktsioonijoontega ja põhjustab osakese liikumise mööda ringjoont nagu eespool mainitud. Nende kahe liikumise resultandiks on, et laetud osake liigub homogeenses magnetväljas mööda spiraalikujulist trajektoori.
mittehomog.gif (12783 bytes) Vaatame nüüd olukorda, kus positiivselt laetud osake lendab mittehomogeensesse magnetvälja tasandis S. Lahutame magnetilise induktsioonivektori B punktis A kaheks komponendiks.Vektor BA1 on tasandiga S risti ja vektor BA2 tasandis S (risti teljega Z). Viimase komponendi esinemine on tingitud magnetvälja mittehomogeensusest ja homogeense magnetvälja korral see puudub.
Vektor BA1 tekitab jõu F, mis sunnib osakese liikuma ringikujulisel trajektooril, nagu juba eespool mainitud. Vektor BA2 tekitab jõu F2, mis on risti tasandiga S ja mis on suunatud teljele Z vastupidises suunas. Sama olukord valitseb ka teistes joonisel punktiiriga tähistatud trajektoori punktides, näiteks punktis C. Jõud F2 mõjub laetud osakesele magnetvälja nõrgenemise suunas. Selle materjali lugejale jääb tõestada, et samasugune jõud F2 mõjub ka negatiivselt laetud osakesele.
spiral.gif (3790 bytes) Pole raske ette kujutada, kuidas liigub laetud osake eelpool mainitud  mittehomogeenses magnetväljas. Nagu homogeenses magnetväljaski on trajektooriks spiraal, aga seda kahe erinevusega. Esiteks nihkudes piki magnetvälja induktsioonijooni ei jää spiraali raadius samaks vaid väheneb, sest osake liigub järjest tugevamasse magnetvälja. Valemi R=mv/eB põhjal peabki R vähenema, kui B suureneb. Teiseks erinevuseks on see, et pidevalt väheneb spiraali samm. Seda põhjustab jõud F2, mis püüab osakese liikumist takistada. Spiraali samm väheneb kuni nullini, siis hakkab osake ikka mööda spiraali tagasi liikuma ja samm jälle suurenema.
spiraal.gif (11943 bytes) Elementaarosakesed mis satuvad Maa magnetvälja, jäävad spiraalsetele orbiitidele ümber magnetvälja jõujoonte. Lähenemisel magnetpoolusele nende liikumine aeglustub ja nad suunduvad tagasi, kuni teine magnetpoolus nad jälle omakorda tagasi suunab. Nii kontsentreeruvad laetud osakesed Maa lähedale nn. kiirgusvöönditesse. Need lõksupüütud osakesed on enamasti prootonid ja elektronid, mis liiguvad kiirustega kuni 600 km/s. Pooluste lähedal algab sisemine kiirgusvöönd umbes 100 km kõrguselt, ekvaatoril 1000 km kõrguselt.

Virmalised tekivad pooluste lähedal atmosfääri ülakihtides, kus juba mainitud elementaarosakesed pommitavad hapniku ja lämmastiku molekule, ergastavad neid ja sunnivad seega valgust kiirgama. Sellest lähemalt edaspidi.

magnetmaa.gif (32721 bytes) Maa magnetvälja uuringud tehiskaaslastelt näitavad, et päikesetuule tõttu erineb magnetvälja struktuur päeva- ja ööpoolel tublisti. Kui päevapoolel ulatub märgatav magnetväli umbes kümne Maa raadiuse kaugusele, siis ööpoolel rohkem kui saja raadiuse kaugusele. Sellisest magnetvälja "deformeerimisest" ongi tingitud virmaliste ovaali nihkumine Maa ööpoolele.
maa.gif (21346 bytes)
Kasutatud materjale: L. V. Tarasov Fizika v prirode Moskva, 1988