Atmosfääri ja kosmose elektromagnetismist

Suur osa kosmose elektromagnetismist on päikese poolt kiirendatud osakeste tekitatud. Vabanev prootonite hulk on Maa juures piisav, et keskmiselt läbiks iga ruutsentimeetrit vähemalt 1 prooton sekundis. Vahel päikesetormide ajal kasvab nende tihedus sadade tuhandete osakeseni ruutsentimeetri kohta ning nende valguse kiiruse lähedane tempo võin neile anda peaaegu prootoni annihilatsioonienergia jagu kineetilist energiat.

Atmosfääri elektriline pinge muutub iga meetriga maapinnast keskmiselt 120 volti (120 V/m). Niisketel päevadel pinge erinevus väheneb ning kuival päeval suureneb. Osaliselt isoleeritud metallobjekte saab kasutada selle pinge elektrienergiaks muutmiseks, millest piisab mänguasjade tööle saamiseks. ~100 meetrise torniga on võimalik mõõta ~20 000 voldist erinevust õhu ja maapinna laengu vahel.
Algsetes elektriliinides oli probleemiks õhu laengu mõju, mis võis tekitada tulekahjusid elektrisädemetest või ootamatult kõrge pingega elektrilööke inimestele. Nende tõenäosus võis kasvada äikese ajal. Juhtmete suur pikkus võis põhjustada surmava energiakoguse kogunemist sarnaselt kondensaatoriga kuid lahendusena lisati maandavaid traate iga kindla distantsi järel, mis maandasid üleliigse laengu.

Sprites

 

Sprite on äikesetormi kohal tekkiv välgu laadne nähtus. Nende ülaosas (elektronide tihedam ionosfäär ~80-100 km piirkonnas) võib tekkida "elve". Elve on horisontaalselt leviva rõnga moodi struktuur, mis kasvab diameetri osas sadu kilomeetreid vähem kui millisekundiga. 

Sprite võib olla üle 50 km kõrgune ja kümnete kilomeetrite laiune kuid neid on väga raske pildistada, millest ka nende haldjatele viitav nimetus.

Selliste pilvede kohal olevate nähtuste kohta on sajandeid oletusi või väidetava nägemise (need peaks silmaga nähtavad olema kui pimedusega harjuda) kirjeldusi tehtud kuid esimest korda õnnestus nende pildistamine 1989. aastal. Kuna need asuvad kõrgete ja paksude äikesepilvede taga peab äikesepilvest kaugel (~100-300 km) eemal pildistama. Kasutatud kaamera peab omama piisavalt tundlikku sensorit või suurendust, et näha sadade kilomeetrite kauguseid sähvatusi. Pildistamisel peab arvestama, et nähtuse algusest lõpuni kulub ~20 millisekundit ning seda võib esineda ainult äikesetormi ühe võimsaima välgu ajal.

Need on tavaliselt punast värvi kuid kaamerate piirangute tõttu on need tavaliselt must-valgelt pildistatud kuni 1994. aastal õnnestus neid värviliselt pildistada. 
Enamasti tekivad need ~80 km kõrgusel kasvades üla- ja alasuunas alustades allapoole kasvamisega. Liikumissuundade vaheldumist näeb 10 000 kaadrit sekundis filmimisel (klipp).

Blue jet tüüpi joad avastati kindlamalt 1994. aastal.

Sprite'i eelduseks on tavaliselt piisavalt võimas välk pilvede ja maa vahel. Peaaegu alati on tegemist välguga, milles pilved olid positiivse laenguga ja maa negatiivse laenguga, mis on ~10 korda suurema vooluga äikese vorm. Vastupidiste laengute asetusega äikese korral on sprite'i tekketõenäosus üle 1000 korra väiksem. Umbes 5-10% maailmas mõõdetud äikesest tekkis positiivse laenguga pilvedes. Välgu pikem kestvus vähemalt sadu millisekundeid (vooluga ~5000-10 000 amprit) on sprite'i tekke teiseks suuremaks eelduseks.

Iga sprite'i tekkega vabanev nähtava valguse energia on ~10-50 kJ ning kogu energiavool võib olla ~1000 korda suurem.

Äikese ajal tekkiv gamma kiirgus on mõõdetav umbes 400-600 mikrosekundi jooksul.

Negatiivse laenguga pilvest maani jõudnud äike suurendab äikesepilve kohal oleva ionosfääri elektrivälja 0,0013%. Positiivse laenguga pilvest maasse jõudnud välgud langetavad ionosfääri elektrivälja 0,014% võrra ning kui sellele järgneb sprite, siis langeb ionosfääri laeng ~1 voldi võrra. Ionosfääri elektriväli taastub ~250 sekundiga. Arvestades maailmas toimuvat äikese sagedust suudaks negatiivse pilve äike suurendada ionosfääri laengut 4% võrra ja positiivsete pilvede äike langetaks seda 3% võrra. Äike annaks kokkuvõttes ~1% ionosfääri laengust. Ionosfääri pinge võrreldes maaga on ~200-300 keV.

Elektriline juhtivus atmosfääri eri kõrgustel S väärtus võrdub 1/ (elektritakistus oomides) ning merepinnaga võrreldes paistab 80 km kõrgusel oleva õhu elektritakistus ~10 miljonit korda väiksem. Juhtivus paraneb suurema ioonide kontsentratsiooniga ja atmosfääri ülaosa on rohkem ioniseeritud päikesekiirguse ja päikesetuulte tõttu.
Keskmine välk liigutab 20 kuloni jagu laengut ~2 km. Positiivsest pilvest pärit äike liigutab ~70 kuloni jagu laenguga osakesi.
Osa laengu liikumisest võib toimuda vihmaga. Alpides mõõdeti 5 minuti jooksul ~-10 nA voolu ruutmeetri tavalise vihmapilve aluse ala kohta.

Päikesetuuled ja magnetosfäär

Päikesetuules olevad osakesed vabanevad igas olukorras kus päikesest eraldub materjali sarnaselt ülal nähtava CME'ga (coronal mass ejection), mille esinemissagedus on sõltuvalt päikese aktiivsusest kord nädalas kuni mitu korda päevas. Maa lähedal on energiliseimad prootonid olnud ~1 GeV energiaga (prootoni annihilatsiooni energia jagu) ning neil kulus umbes päev Maani jõudmiseks. Maa poolusteni jõudes võivad need tekitada nitraatide teket, mis kogunevad jää sisse ning võimaldavad hinnata päikese aktiivsust viimasel ~400 aastal.
300-800 km/s päikesetuule prootonite energia on ~500- 3000 eV. Energilisemad päikesest vabanenud osakesed on 10 keV- 10 GeV vahele jääva energiaga.
Enamasti on need energilised osakesed prootonid kuid vähemal määral esineb peaaegu iga keemilise elemendi ioone.
Osakeste kiirendamine käib kahe erinevama mehhanismiga. Kiirem kiirendus toimub päikesepursete turbulentsis kuid need pole päikesetormides eriti olulised. Aeglasem kiirendus toimub kui päikesest vabanenud mass kiirendab osakesi ning osakeste laengud suurendavad teiste laenguga osakeste kiirust aja jooksul. Selle mehhanismiga tekivad Maa juures suuremat mõju avaldavad päikesetormid.

3 võimsamat päikesetormi, mida on satelliidiga mõõdetud. 1972. oli üks võimsaimaid kosmoses mõõdetud tormidest. Prootonite läbivool ruutsentimeetri kohta sekundis tõusis 100 000 lähedale.
Energilised osakesed on tugevalt magnetvälja jõujoontega seotud ning päikese pöörlemise tõttu eemalduvad magnetvälja jõujooned veidi spiraalse trajektooriga. Jõujooned säilivad päikesest eemaldudes, sest ioonid hoiavad neid alal.
Kosmosejaamadele ja astronautidele on suuremaks riskiks alates 30 MeV energiaga osakesed, mis läbivad skafandreid ja lisavad kiirgust kosmosejaamades. 100 MeV prootonid suudavad kindlamalt ka kosmosejaamade seinu läbida. 

Poolustel nitraate moodustavate osakeste energiaks pakuti alates 30 MeV. Nitraatide järgi toimus suurim osakeste vool 19. sajandi keskel kui toimus teadaolev rekordiline päikesetorm.

2002. päikesetormi ajal mõõdetud prootonite voolu muutus GOES 8 satelliidi (Maast ~30 000 km kaugusel) järgi. Prootonite vool kuupsentimeetri kohta sekundis kasvas viie minutiga ~10 000 korda. Punaselt tähistatud prootonite energia oli üle 10 MeV (kiirus ~30 000 km sekundis), siniste 50 MeV prootonite kiirus oli ~50 000 km/s ja roheliselt tähistatud 100 MeV prootonite kiirus oli ~100 000 km/s.
Võimalik, et need laetud osakesed tekitavad pilvi kondenseerumise kiirendamisega ja lisavad neile äikese ajal nähtava laengu. Kuna selliste osakeste energia on tugeva gamma kiirguse energiaga, siis tekitavad nende kokkupõrked aatomitega gamma kiirgust.

Tähe magnetvälja poolt tekitatud "bow shock". Igal magnetväljaga (magnetosfääriga) planeedil ja tähel on samasugune piirkond (Maal ~90 000km kaugusel). Need tekivad kuna laenguga osakesed jäävad magnetvälja mõjul palju aeglasemaks.
Magnetväli paneb laenguga osakesed võimalusel enda jõujoonte ümber tiirlema ja kuna Maa-päikese vahelise magnetvälja jõujooned on päikese suunaga umbes ristisuunalised, siis otse Maa suunas liikudes tekib osakestel bowshock piirkonnas kalduvus hakata ligikaudu 90 kraadi kõrvale liikuma tiireldes ümber magnetvälja jõujoone.

Magnetvälja poolt tekitatud osakeste liikumine on selline, et nende liikumine tekitab algse magnetväljaga vastupidiste poolustega magnetvälja. Laenguga osakestel on mõlemad magnetilised poolused ja ka nende põhjapoolused eelistavad olla taevakeha lõunapooluse suunas ning vastupidi. Võimalik, et seetõttu saavad ioonid ajutiselt "lõigata" lahti Maa magnetvälja jõujooni kuid uued jõujooned tulevad kiiresti asemele.


Magnetosfääri sisse ja ionosfääri jõudnud osakeste kineetiline energia moodustab ~1% päikesetuulega magnetosfäärini jõudnud kineetilisest energiast. 1986. ja 1988. aasta tugevamate tormide energiast  ~
1.85×10¹⁷- 3.24×10¹⁷ J jõudis ionosfääri.
~95% päikesest eraldunud ioonidest on prootonid ja ~5% heelium kuigi esineb teisi elemente. Elektrone peaks arvuliselt positiivsete laengutega umbes sama palju olema.

RE tähistab Maa raadiust. Päikesetuule mõjul on päikese poolne magnetosfääri osa kokku surutud ning Maa taha jääv osa on sellest ~100 korda kaugemale ulatuv. Päikesetuuled ise on pidevalt toimuvad kuid tuhandeid kordi varieeruva tiheduse ja kiirusega.
Maa magnetosfäär algab ~100 km kõrgusel ionosfääris, kus on magentvälja jaoks olulises koguses ioone. Magnetosfääri väline piir on magnetopause, mis on piiriks päikesetuulele ja magentosfäärile asudes kohaliku keskpäeva ajal ~10 RE kaugusel päikese suunas, hommikul ja õhtul ~20 RE kaugusel ja öösel üle 100 RE kaugusel. 
Päikesest vabanenud mass kiireneb päikesest eemaldudes ning kui see saavutab teistest päikese ümber olevatest ioonidest suurema kiiruse, siis tekitab see sarnaselt atmosfääri helikiiruse ületamisega tiheda lööklaine laadse ala kiiremini liikuvate osakeste ees.
Kui päikesetuul võis Maa lähedal levida 400 km sekundis, siis magnetosteath'ini jõudes pidurdub see kiiresti ~50 km sekundis piirkonda. Maast mõõdudes hakkab kiirus jälle kasvama.
Van Allen'i vöö sisaldab elektrone ja ioone ning see asub umbes magnetosfääri keskosas.
Ioonide tihedus magnetosfääri välisosas on rahulikumal ajal ~mõnikümmend tuhat kuupmeetri kohta ja päikesetormi ajal mõni miljon kuupmeetri kohta. Keskmiselt peaks need saama sellises keskkonnas liikuda ~100 miljonit kilomeetrit enne teise osakesega kokku põrkumist. Tõenäolisemalt mõjutavad osakesed üksteist rohkem oma laengutega kui kokkupõrgetega.

Termotuuma plahvatustes

Kuigi iga plahvatus tekitab ioniseeritud osakeste teket ja liikumist koos kaasnevate elektromagnetväljadega, suudavad termotuuma relvad tekitada seda piisavalt äikese tekitamiseks (vist ainuke olukord, kus inimesed saavad tekitada loodusliku äikese lähedase võimsusega elektrinähtuseid). Ülemised pildid tehti esimese termotuuma plahvatuse (~10 megatonnine Ivy Mike) järgselt 1952. aastal. Need tekkisid ~1 km kaugusel plahvatuse keskosast ulatudes maast pilvedeni olles nähtavad 4-75 ms pärast plahvatust. Kaamerad vajasid sobivat valguse tundlikkust, et elektrijugasid ereda plahvatuse kõrval nähtavaks saada.
Võrdluseks kasvas selle plahvatuse pilv hiljem 37 km kõrguseks, ülal 160 km laiuseks ning maa lähedal 20 km laiuseks.
Ivy Mike plahvatuse ajal mõõdetud 5 välgujuga algasid merest või maapinnast liikudes pilvedesse. Vool võis olla ~250 000 amprit.Tekkemehhanismina pakuti, et kuna ioniseeriv kiirgus ioniseerib õhu, siis plasmaks muutudes langeb selle elektriline takistus piisavalt, et atmosfääri eri kõrguste vahelised pinged saaksid ennast maandada. Tekkinud elektrivool võis olla ~100 000-1 000 000 amprit.