Birkeland ток представляет собой совокупность 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 меняется 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 и южное сияние. 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 сумеречный сектор до полуночного сектора. 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 северного сияния. Он заново открыл, используя простые инструменты 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 только означать, что в атмосфере наверху текли токи. Он предположил, что Солнце каким-то образом испускает катодный луч [2] [3], и частицы того, что сейчас известно как солнечный ветер, входят в магнитное поле Земли и создают токи, тем самым создавая полярное сияние. Эта точка зрения была отвергнута другими исследователями [4], но в 1967 году спутник, запущенный в область полярных сияний, 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 лаборатории Альфвена 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 процессов в плазме ( 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 общие астрофизические свойства. интерес выходит далеко за рамки понимания космической среды нашей собственной Земли ".
Характеристики
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 нескольких сотен километров и силой до миллиона ампер» в 1908 году. [3] Ионосферные токи, которые соединяют продольные токи, вызывают джоулев нагрев в верхних слоях атмосферы. Тепло передается от ионосферной плазмы газу верхних слоев атмосферы, который, следовательно, увеличивается и увеличивает сопротивление низковысотных спутников.
Токи Биркеланда также можно создавать 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 «северные завитки». [10]
Токи Биркеланда также являются одним из класса плазменных явлений, называемых z-пинчем , названных 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, и это наиболее точно 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 электромагнитной силой, 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
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 Сиднея Чепмена . [13]
В 1939 г. 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 г. 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 токи, предсказанные Биркеландом», и их следует назвать токами Биркеланда-Десслера. Таким образом, 1967 год считается датой, когда теория Биркеланда была окончательно 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 было предложено Каммингсом, Десслером и Бостремом. [15]
Смотрите также
- Электромагнетизм
- Магнитогидродинамика
- Список статей по плазме (физике)
- Плазменная космология утверждает, что токи Биркеланда происходят на галактическом уровне и играют важную роль в образовании галактик.
Рекомендации
- ^ Le, G .; Я. А. Славин; RJ Strangeway (2010). "Космические технологии 5 наблюдений за дисбалансом 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 .
- ^ Биркеланд, Кристиан (1896). "Sur les rayons cathodiques sous l'action de force magnetiques intenses". Archives des Sciences Physiques . 4 : 497–512.
- ^ а б в г Биркеланд, Кристиан (1908). Норвежская экспедиция "Аврора Полярная" 1902-1903 гг . Нью-Йорк и Христиания (ныне Осло): H. Aschehoug & Co. распроданный, полный текст онлайн
- ^ 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 .
- ^ Джаго, Люси (2001). Северное сияние: как один человек пожертвовал любовью, счастьем и здравомыслием, чтобы открыть секреты космоса . Кнопф. С. 320 . ISBN 978-0-375-40980-6.
- ^ Фельтаммар, Карл-Гунн (декабрь 1986 г.). «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 .
- ^ 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 .
- ^ Андерсон, Б.Дж.; J. b. Гэри; Т. А. Потемра; RA Frahm; JR Sharber; Дж. Д. Виннингем (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 .
- ^ Плазменные явления - неустойчивости в архиве 2014-05-28 в Wayback Machine
- ↑ Псевдо-цветные изображения в белом свете локонных образований в дугах полярных сияний. Архивировано 3 мая 2005 г. на Wayback Machine.
- ↑ Электромагнитные силы, архив 3 октября 2005 г., на Wayback Machine.
- ^ Кисть, Стивен Г. (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 .
- ↑ S. Chapman и J. Bartels, 'Geomagnetism', Vol. 1 и 2, Clarendon Press, Oxford, 1940.
- ^ Альфвен, Ханнес (1939), «Теория магнитных бурь и от Aurorae», К. Свена. 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.
- ^ а б Бострем Р. (1964). «Модель авроральных электроджетов». J. Geophys. Res . 69 (23): 4983–4999. Bibcode : 1964JGR .... 69.4983B . DOI : 10.1029 / JZ069i023p04983 .
- ^ Змуда, Альфред; Дж. Х. 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 .
- ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ Schields, M .; 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 .
- ^ Змуда, А .; 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 .
- ^ Альфвен, Ханнес (1976). Эволюция Солнечной системы . Вашингтон. Округ Колумбия, США: Управление научно-технической информации, Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства.
дальнейшее чтение
- 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 & SS.144..155P . doi : 10.1007 / BF00793179 (неактивен 31 мая 2021 г.).CS1 maint: DOI неактивен с мая 2021 г. ( ссылка )
- Альфвен, Ханнес, О волокнистой структуре солнечной короны (1963) Солнечная корона ; Труды симпозиума МАС № 16 проходило в Клаудкрофте, штат 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 (неактивен 31 мая 2021 г.).CS1 maint: DOI неактивен с мая 2021 г. ( ссылка )
- Клотье, Пенсильвания; Андерсон, HR (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
- 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)