Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Схема Биркеландских или полевых токов и ионосферных токовых систем, к которым они подключаются, токов Педерсена и Холла. [1]

Birkeland ток является набором токов , которые текут вдоль геомагнитных силовых линий , соединяющей Земля магнитосферы высокой широты Земли ионосферы . В магнитосфере Земли токи вызываются солнечным ветром и межпланетным магнитным полем, а также объемными движениями плазмы через магнитосферу (конвекция, косвенно вызываемая межпланетной средой). Сила токов Биркеланда изменяется в зависимости от активности в магнитосфере (например, во время суббурь). Мелкомасштабные вариации восходящих токовых слоев (нисходящие электроны) ускоряют магнитосферные электроны, которые, когда достигают верхних слоев атмосферы, создают северное сияние и австралис. В высокоширотной ионосфере (или зонах полярных сияний) токи Биркеланда замыкаются через область аврорального электроджета., которая течет перпендикулярно локальному магнитному полю в ионосфере. Токи Биркеланда возникают в двух парах продольных токовых слоев. Одна пара простирается от полудня через сумерки до полуночи. Другая пара простирается от полудня через рассветный сектор до полуночного сектора. Лист на высокоширотной стороне авроральной зоны называется токовым слоем Района 1, а лист со стороны низких широт называется токовым листом Района 2.

Течения были предсказаны в 1908 году норвежским исследователем и физиком Кристианом Биркеландом , который предпринял экспедиции к северу от Полярного круга для изучения полярного сияния. Он заново открыл, используя простые приборы для измерения магнитного поля, что, когда появилось полярное сияние, стрелки магнитометров изменили направление, подтвердив выводы Андерса Цельсия и его помощника Улофа Хьортера более века назад. Это могло означать только то, что в атмосфере наверху текли токи. Он предположил, что Солнце каким-то образом испускает катодный луч [2] [3] и частицы из того, что сейчас известно как солнечный ветер.вошел в магнитное поле Земли и создал токи, тем самым создав полярное сияние. Эта точка зрения была отвергнута другими исследователями [4], но в 1967 году спутник, запущенный в авроральную область, показал, что токи, установленные Биркеландом, существуют. В честь него и его теории эти токи названы токами Биркеланда. Хорошее описание открытий Биркеланда дано в книге Яго. [5]

Почетный профессор Альфвенской лаборатории в Швеции Карл-Гунне Фельтаммар писал: [6] «Причина, по которой токи Биркеланда особенно интересны, заключается в том, что в плазме, вынужденной переносить их, они вызывают ряд физических плазменных процессов ( волны , нестабильности , образование тонкой структуры). Это, в свою очередь, приводит к таким последствиям, как ускорение заряженных частиц , как положительных, так и отрицательных, и разделение элементов (например, предпочтительный выброс ионов кислорода). Оба эти класса явлений должны иметь общую астрофизическую интерес выходит далеко за рамки понимания космической среды нашей собственной Земли ".

Биркеландские течения, похожие на полярные сияния , созданные ученым Кристианом Биркеландом в его террелле с намагниченным анодным шаром в вакуумированной камере.

Характеристики [ править ]

Авроральные токи Биркеланда несут около 100 000 ампер в спокойное время [7] и более 1 миллиона ампер во время геомагнитных возмущений. [8] Биркеланд оценил токи «на высоте в несколько сотен километров и силой до миллиона ампер» в 1908 году. [3] Ионосферные токи, которые соединяют продольные токи, вызывают джоулева нагревание в верхних слоях атмосферы. Тепло передается от ионосферной плазмы газу верхних слоев атмосферы, который, следовательно, повышается и увеличивает сопротивление низковысотных спутников.

Токи Биркеланда также могут быть созданы в лаборатории с помощью генераторов импульсной мощности мощностью в несколько тераватт . Результирующая картина поперечного сечения указывает на полый пучок электронов в форме круга вихрей , образование, называемое диокотронной неустойчивостью [9] (аналогично неустойчивости Кельвина-Гельмгольца ), которое впоследствии приводит к филаментации. Такие вихри можно увидеть в полярных сияниях как «авроральные завитки». [10]

Токи Биркеланда также относятся к классу плазменных явлений, называемых z-пинчем , названным так потому, что азимутальные магнитные поля, создаваемые током, зажимают ток в нитевидном кабеле. Он также может закручиваться, создавая спиралевидный зажим, который закручивается по спирали, как скрученная или плетеная веревка, что наиболее близко соответствует течению Биркеланда. Пары параллельных токов Биркеланда также будут взаимодействовать из-за закона силы Ампера.: параллельные токи Биркеланда, движущиеся в одном направлении, будут притягивать друг друга с помощью электромагнитной силы, обратно пропорциональной их расстоянию друг от друга, в то время как параллельные токи Биркеланда, движущиеся в противоположных направлениях, будут отталкивать друг друга. Существует также короткодействующая круговая составляющая силы между двумя токами Биркеланда, которая противоположна более дальнодействующим параллельным силам. [11]

Электроны, движущиеся по току Биркеланда, могут быть ускорены двойным слоем плазмы . Если полученные электроны приближаются к скорости света, они могут впоследствии вызвать пинч Беннета , который в магнитном поле заставляет электроны вращаться по спирали и испускать синхротронное излучение, которое может включать радио , видимый свет , рентгеновские лучи и гамма-лучи .

История [ править ]

Кристиан Биркеланд предсказал авроральные электроджеты в 1908 году. Он написал с. 95 [3] «предполагается, что токи возникли в основном как вторичный эффект электрических корпускул Солнца, втянутых из космоса, и до сих пор подпадают под второй из упомянутых выше вариантов». И п. 105, «Рис. 50a представляет те, в которых направления течения в центре бури направлены на запад, а 50b - те, в которых течения движутся на восток».

После того, как в 1908 году Кристиан Биркеланд впервые предположил, что «токи там [в полярном сиянии] представляются возникшими в основном как вторичный эффект электрических тельцов Солнца, втянутых из космоса» [3], эта история, похоже, имеет погрязнуть в политике. [12] Идеи Биркеланда обычно игнорировались в пользу альтернативной теории британского математика Сидни Чепмена . [13]

В 1939 году шведский инженер и физик плазмы Ханнес Альфвен продвигал идеи Биркеланда в опубликованной статье [14] о генерации тока из солнечного ветра. В 1964 году один из коллег Альфвена, Рольф Бострем, также использовал продольные токи в новой модели авроральных электроджетов . [15]

Доказательства теории полярного сияния Биркеланда пришли только после того, как зонд был отправлен в космос. Важнейшие результаты были получены со спутника ВМС США 1963-38C, запущенного в 1963 году и оснащенного магнитометром над ионосферой . В 1966 году Альфред Змуда, Дж. Мартин и Ф. Тёринг [16] проанализировали результаты спутникового магнитометра и сообщили о своих выводах о магнитных возмущениях в полярном сиянии. В 1967 году Алекс Десслер и аспирант Дэвид Каммингс написали статью [17], в которой утверждали, что Zmuda et al. обнаружил продольные токи. Впоследствии Альфвен признал [18]что Десслер «открыл течения, предсказанные Биркеландом», и их следует назвать токами Биркеланда-Десслера. Таким образом, 1967 год считается датой, когда теория Биркеланда, наконец, была признана подтвержденной. В 1969 году Майло Шилд, Алекс Десслер и Джон Фриман [19] впервые использовали название «Биркеландские течения». В 1970 году Змуда, Армстронг и Хеуринг написали еще одну статью [20], согласившись с тем, что их наблюдения совместимы с продольными токами, как это было предложено Каммингсом и Десслером, а также Бостремом. [15]

См. Также [ править ]

  • Электромагнетизм
  • Магнитогидродинамика
  • Список статей по плазме (физике)
  • Плазменная космология утверждает, что токи Биркеланда происходят на галактическом уровне и играют важную роль в образовании галактик.

Ссылки [ править ]

Сложные самосжимающиеся силовые линии магнитного поля и пути тока в токе Биркеланда, который может развиваться в плазме (рис. 15.3.2, Alfvén and Arrhenius, 1976) [21]
  1. ^ Le, G .; Я. А. Славин; RJ Strangeway (2010). «Космические технологии 5 наблюдений дисбаланса продольных токов в областях 1 и 2 и его влияние на кросс-полярные токи Педерсена». J. Geophys. Res . 115 (A07202): A07202. Bibcode : 2010JGRA..115.7202L . DOI : 10.1029 / 2009JA014979 .
  2. ^ Биркеланд, Кристиан (1896). "Sur les rayons cathodiques sous l'action de force magnetiques intenses". Archives des Sciences Physiques . 4 : 497–512.
  3. ^ a b c d Биркеланд, Кристиан (1908). Норвежская экспедиция "Аврора Полярная" 1902-1903 гг . Нью-Йорк и Христиания (ныне Осло): H. Aschehoug & Co. распечатанный, полный текст онлайн
  4. ^ Шустер, Артур (март 1912 г.). "(название статьи N / A)" . Труды Королевского общества А . 85 (575): 44–50. Bibcode : 1911RSPSA..85 ... 44S . DOI : 10,1098 / rspa.1911.0019 .
  5. Перейти ↑ Jago, Lucy (2001). Северное сияние: как один человек пожертвовал любовью, счастьем и здравомыслием, чтобы раскрыть секреты космоса . Кнопф. С.  320 . ISBN 978-0-375-40980-6.
  6. ^ Fälthammar, Карл-Gunne (декабрь 1986). «Магнитосферно-ионосферные взаимодействия. Околоземные проявления плазменной Вселенной». IEEE Transactions по науке о плазме . ПС-14 (6): 616–628. Bibcode : 1986ITPS ... 14..616F . DOI : 10.1109 / TPS.1986.4316613 . S2CID 122813564 . 
  7. ^ Сузуки, Акира; Наоши Фукусима (1998). «Космический ток вокруг Земли, полученный с применением закона Ампера к орбите и данным MAGSAT» (PDF) . Космос планеты Земля . 50 (1): 43–56. Bibcode : 1998EP&S ... 50 ... 43S . DOI : 10.1186 / bf03352085 . S2CID 55733312 .  
  8. ^ Андерсон, Би Джей; J. b. Гэри; Т. А. Потемра; RA Frahm; JR Sharber; Дж. Д. Уиннингем (1998). "Наблюдения UARS за биркеландскими течениями и темпами джоулева нагрева во время шторма 4 ноября 1993 г." (PDF) . J. Geophys. Res . 103 (A11): 26323–35. Bibcode : 1998JGR ... 10326323A . DOI : 10.1029 / 98JA01236 .
  9. ^ Плазменные явления - неустойчивости в архиве 2014-05-28 в Wayback Machine
  10. ↑ Псевдо-цветные изображения в белом свете локонных образований в дугах полярных сияний. Архивировано 3 мая 2005 г. на Wayback Machine.
  11. ↑ Электромагнитные силы, архив 3 октября 2005 г., на Wayback Machine.
  12. Перейти ↑ Brush, Stephen G. (декабрь 1992 г.). «Программа Альфвена по физике солнечной системы». IEEE Transactions по науке о плазме . 20 (6): 577–589. Bibcode : 1992ITPS ... 20..577B . DOI : 10.1109 / 27.199495 .
  13. ^ С. Чепмен и Дж. Бартельс, "Геомагнетизм", Vol. 1 и 2, Clarendon Press, Oxford, 1940.
  14. ^ Альфвен, Ханнес (1939), "Теория магнитных бурь и полярных сияний", К. Свен. Ветенскапсакад. Handl ., Ser. 3, т. 18, нет. 3, стр. 1, 1939. Перепечатано частично с комментариями AJ Dessler и J. Wilcox в Eos, Trans. Являюсь. Geophys. Un ., Т. 51, стр. 180, 1970 год.
  15. ^ а б Бострем Р. (1964). «Модель авроральных электроструй». J. Geophys. Res . 69 (23): 4983–4999. Bibcode : 1964JGR .... 69.4983B . DOI : 10.1029 / JZ069i023p04983 .
  16. ^ Змуда, Альфред; Дж. Мартин и Ф. Тьюринг (1966). «Поперечные магнитные возмущения на высоте 1100 километров в авроральной области». J. Geophys. Res . 71 (21): 5033–5045. Bibcode : 1966JGR .... 71.5033Z . DOI : 10.1029 / JZ071i021p05033 .
  17. ^ Каммингс, WD; А. Дж. Десслер (1967). «Выровненные по полю токи в магнитосфере». J. Geophys. Res . 72 (3): 1007–1013. Bibcode : 1967JGR .... 72.1007C . DOI : 10.1029 / JZ072i003p01007 .
  18. ^ Альфвен, Ханнес (1986). «Двойные слои и схемы в астрофизике» . IEEE Trans. Plasma Sci . 14 (6): 779–793. Bibcode : 1986ITPS ... 14..779A . DOI : 10.1109 / TPS.1986.4316626 . S2CID 11866813 . 
  19. ^ Шилдс, М .; Дж. Фриман; А. Десслер (1969). «Источник выравниваемых по полю течений в авроральных широтах». J. Geophys. Res . 74 (1): 247–256. Bibcode : 1969JGR .... 74..247S . DOI : 10.1029 / JA074i001p00247 .
  20. ^ Zmuda, A .; Дж. Армстронг; Ф. Хеуринг (1970). «Характеристики поперечных магнитных возмущений, наблюдаемых на высоте 1100 километров в авроральном овале». J. Geophys. Res . 75 (25): 4757–4762. Bibcode : 1970JGR .... 75.4757Z . DOI : 10.1029 / JA075i025p04757 .
  21. ^ Альфвен, Ханнес (1976). Эволюция Солнечной системы . Вашингтон. Округ Колумбия, США: Управление научно-технической информации, Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства.

Дальнейшее чтение [ править ]

Книги
  • Эгеланд, Алв, Берк, Уильям Дж., (2005), Кристиан Биркеланд, Первый космический ученый [ постоянная мертвая ссылка ] , Springer, стр. 221, ISBN 1-4020-3293-5 
  • Ператт, Энтони (1992), Физика плазменной Вселенной, Биркеландские токи в космической плазме (стр. 43-92), Springer-Verlag , ISBN 0-387-97575-6 и ISBN 3-540-97575-6 [1]  
  • Отани, Син-ичи; Ryoichi Fujii, Michael Hesse и Robert Lysak, редакторы (2000), Magnetospheric Currents Systems , Am. Geophys. Юнион, Вашингтон, округ Колумбия, ISBN 0-87590-976-0 . 
Журналы
  • Ростокер, Г .; Армстронг, JC; Змуда, AJ (1975). «Продольный ток, связанный с вторжением западного электроджета, усиленного суббурией, в вечерний сектор». J. Geophys. Res . 80 (25): 3571–3579. Bibcode : 1975JGR .... 80.3571R . DOI : 10.1029 / JA080i025p03571 .
  • Потемра, Т.А. (1988). «Биркеландские токи в магнитосфере Земли». Астрофизика и космическая наука . 144 (1–2): 155–169. Bibcode : 1988Ap и SS.144..155P . DOI : 10.1007 / BF00793179 (неактивный 2021-01-15).CS1 maint: DOI неактивен с января 2021 г. ( ссылка )
  • Альфвен, Ханнес, О волокнистой структуре солнечной короны (1963) Солнечная корона ; Материалы симпозиума МАС № 16 проходило в Клаудкрофте, Нью-Мексико, США, 28–30 августа 1961 года. Отредактировал Джон Уэйнрайт Эванс. Международный астрономический союз. Симпозиум № 16, Academic Press, New York, 1963., стр. 35 год
  • Альфвен, Ханнес (1967). «Течения в солнечной атмосфере и теория солнечных вспышек». Солнечная физика . 1 (2): 220–228. Bibcode : 1967SoPh .... 1..220A . DOI : 10.1007 / BF00150857 . S2CID  121793611 .
  • Альфвен, Ханнес (1967). «О значении электрических полей в магнитосфере и межпланетном пространстве». Обзоры космической науки . 7 (2–3): 140–148. Bibcode : 1967SSRv .... 7..140A . DOI : 10.1007 / BF00215591 . S2CID  121429602 .
  • Карлквист, П. (1988). «Космические электрические токи и обобщенное соотношение Беннета». Астрофизика и космическая наука . 144 (1–2): 73–84. Bibcode : 1988Ap & SS.144 ... 73C . DOI : 10.1007 / BF00793173 (неактивный 2021-01-15).CS1 maint: DOI неактивен с января 2021 г. ( ссылка )
  • Клотье, Пенсильвания; Андерсон, Х.Р. (1975). «Наблюдения за течениями Биркеланда». Обзоры космической науки . 17 (2–4): 563–587. Bibcode : 1975SSRv ... 17..563C . DOI : 10.1007 / BF00718585 . S2CID  120333079 .
  • Потемра, Т.А. (1978). «Наблюдение за течениями Биркеланда с помощью спутника TRIAD». Астрофизика и космическая наука . 58 (1): 207–226. Bibcode : 1978Ap & SS..58..207P . DOI : 10.1007 / BF00645387 . S2CID  119690162 .

Внешние ссылки [ править ]

  • Плазменные волокна и стены
  • Электрические токи и линии передачи в космосе
  • Университет Джона Хопкинса / Лаборатория прикладной физики. Global Birkeland Currents
  • Эксперимент по активной магнитосфере и планетной электродинамике (проект AMPERE)