Биркеланд текущий - Википедия - Birkeland current

Схема Биркеландских или полевых токов и ионосферных токовых систем, к которым они подключаются, токов Педерсена и Холла.[1]

А Биркеланд текущее это набор токов, которые текут по геомагнитный силовые линии, соединяющие магнитосфера к высокой широте Земли ионосфера. В магнитосфере Земли токи вызываются Солнечный ветер и межпланетное магнитное поле и объемными движениями плазмы через магнитосферу (конвекция, косвенно вызываемая межпланетной средой). Сила токов Биркеланда изменяется с активностью в магнитосфере (например, во время суббури ). Мелкомасштабные вариации восходящих токовых слоев (нисходящие электроны) ускоряют магнитосферные электроны, которые, когда достигают верхних слоев атмосферы, создают Полярные сияния Borealis и Australis. В высокоширотной ионосфере (или зонах полярных сияний) токи Биркеланда закрываются через область полярных сияний. электроджет, 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. Кристиан Биркеланд, который предпринял экспедиции к северу от Полярный круг изучать полярное сияние. Он заново открыл, используя простые приборы для измерения магнитного поля, что, когда появилось полярное сияние, стрелки магнитометров изменили направление, подтвердив выводы Андерс Цельсий и помощник Улоф Хьортер 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 тельца 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-Гунн Фельтаммар написал:[6] «Причина, по которой токи Биркеланда особенно интересны, заключается в том, что в плазме, вынужденной переносить их, они вызывают ряд физических плазменных процессов (волны, нестабильность, формирование тонкой структуры). Это, в свою очередь, приводит к таким последствиям, как ускорение заряженных частиц, как положительные, так и отрицательные, и разделение элементов (например, предпочтительный выброс ионов кислорода). Оба этих класса явлений должны иметь общий астрофизический интерес, выходящий за рамки понимания космической среды нашей собственной Земли ".

Биркеландские течения, похожие на полярные сияния, созданные ученым Кристиан Биркеланд в его Terrella с магнитным анодным шаром в вакуумированной камере.

Характеристики

Течения Северного сияния Биркеланда переносят около 100000 амперы 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, соединяющие продольные токи, вызывают Джоулевое нагревание в верхних слоях атмосферы. Тепло передается от ионосферной плазмы газу верхних слоев атмосферы, который, следовательно, увеличивается и увеличивает сопротивление низковысотных спутников.

Биркеландские токи также могут быть созданы в лаборатории с помощьютераватт импульсная мощность генераторы. Полученный рисунок поперечного сечения указывает на полый пучок электронов в форме круга из вихри образование, называемое диокотронная нестабильность[9] (аналогично Неустойчивость Кельвина-Гельмгольца ), что в дальнейшем 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-щепотка, названный 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 Закон 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 плазмой. двухслойный. Если полученные электроны приближаются к скорости света, они могут впоследствии произвести Беннетт пинч, которое в магнитном поле заставляет электроны закручиваться по спирали и испускать синхротронное излучение что может включать радио, видимый свет, рентгеновские лучи, и гамма излучение.

История

Кристиан Биркеланд предсказал авроральные электроджеты в 1908 году. Он написал с. 95[3] «Представляется, что токи там возникли, главным образом, как вторичный эффект электрических корпускул Солнца, втянутых из космоса, и до сих пор подпадают под вторую из упомянутых выше возможностей». 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] воображаются как возникшие в основном как вторичный эффект электрических тельцов Солнца, втянутых из космоса»,[3] история, похоже, погрязла в политике.[12] Идеи Биркеланда обычно игнорировались в пользу альтернативной теории британского математика. Сидней Чепмен.[13]

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

Доказательства теории полярного сияния Биркеланда пришли только после того, как зонд был отправлен в космос. Решающие результаты были получены со спутника ВМС США 1963-38C, запущенного в 1963 году и несущего магнитометр выше ионосфера. В 1966 году Альфред Змуда, J.H. Мартин, Ф. Т. Хьюринг[16] проанализировали результаты спутникового магнитометра и сообщили о своих выводах о магнитных возмущениях в полярном сиянии. В 1967 г. Алекс Десслер и аспирант Дэвид Каммингс написал статью[17] утверждая, что Zmuda et al. обнаружил продольные токи. Впоследствии Альфвен признал[18] что Десслер «открыл течения, предсказанные Биркеландом», и их следует называть 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 использовал название «Биркеландские течения». В 1970 году Змуда, Армстронг и Хьюринг написали еще одну статью.[20] согласившись, что их наблюдения совместимы с продольными токами, как было предложено Каммингсом, Десслером и Бостремом.[15]

Смотрите также

Рекомендации

Сложные самосжимающиеся силовые линии магнитного поля и пути тока в токе Биркеланда, который может развиваться в плазма (Рисунок 15.3.2, Альфвен и Аррениус, 1976 г.)[21]
  1. ^ Нога.; Я. А. Славин; Р. Дж. Стрейнджуэй (2010). «Космические технологии 5 наблюдений за дисбалансом продольных токов в областях 1 и 2 и его влияние на кроссполярные токи Педерсена». J. Geophys. Res. 115 (A07202): A07202. Bibcode:2010JGRA..115.7202L. Дои: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. ^ а б c d Биркеланд, Кристиан (1908). Норвежская экспедиция "Аврора Полярная" 1902-1903 гг.. Нью-Йорк и Христиания (ныне Осло): H. Aschehoug & Co. распроданный, 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. Дои:10.1098 / rspa.1911.0019.
  5. ^ Джаго, Люси (2001). Северное сияние: как один человек пожертвовал любовью, счастьем и здравомыслием, чтобы открыть секреты космоса. Кнопф. стр.320. ISBN  978-0-375-40980-6.
  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. Дои: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). Земля Планеты Космос. 50 (1): 43–56. Bibcode:1998EP&S ... 50 ... 43S. Дои:10.1186 / bf03352085. S2CID  55733312.
  8. ^ Андерсон, Б. Дж .; J. b. Гэри; Т. А. Потемра; Р. А. Фрам; Дж. Р. Шарбер; 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. Дои:10.1029 / 98JA01236.
  9. ^ Плазменные явления - нестабильности Архивировано 2014-05-28 в Wayback Machine
  10. ^ Псевдоцветные изображения в белом свете вихревых образований в дугах полярных сияний Архивировано 3 мая 2005 г. Wayback Machine
  11. ^ Электромагнитные силы Архивировано 3 октября 2005 г. Wayback Machine
  12. ^ 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. Дои:10.1109/27.199495.
  13. ^ С. Чепмен и Дж. Бартельс, «Геомагнетизм», т. 1 и 2, Clarendon Press, Oxford, 1940.
  14. ^ Альфвен, Ханнес (1939), "Теория магнитных бурь и полярных сияний", К. Свен. Ветенскапсакад. Handl., сер. 3, т. 18, нет. 3, стр. 1, 1939. Перепечатано частично с комментариями А. Дж. Десслера и Дж. Уилкокса в Eos, Trans. Являюсь. Geophys. ООН., т. 51, стр. 180, 1970 год.
  15. ^ а б Бострем Р. (1964). «Модель авроральных электропоездов». J. Geophys. Res. 69 (23): 4983–4999. Bibcode:1964JGR .... 69.4983B. Дои:10.1029 / JZ069i023p04983.
  16. ^ Змуда, Альфред; J.H. Мартин и Ф. Т. Хьюринг (1966). «Поперечные магнитные возмущения на высоте 1100 километров в авроральной области». J. Geophys. Res. 71 (21): 5033–5045. Bibcode:1966JGR .... 71.5033Z. Дои:10.1029 / JZ071i021p05033.
  17. ^ Cummings, W. D .; А. Дж. Десслер (1967). «Выровненные по полю токи в магнитосфере». J. Geophys. Res. 72 (3): 1007–1013. Bibcode:1967JGR .... 72.1007C. Дои:10.1029 / JZ072i003p01007.
  18. ^ Альфвен, Ханнес (1986). «Двойные слои и схемы в астрофизике». IEEE Trans. Плазма Sci. 14 (6): 779–793. Bibcode:1986ITPS ... 14..779A. Дои:10.1109 / TPS.1986.4316626. S2CID  11866813.
  19. ^ 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. Дои:10.1029 / JA074i001p00247.
  20. ^ 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. Дои: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

Книги
Журналы
  • Ростокер, Г .; Armstrong, J.C .; Змуда, А. Дж. (1975). «Продольный ток, связанный с вторжением западного электроджета, усиленного суббурией, в вечерний сектор». J. Geophys. Res. 80 (25): 3571–3579. Bibcode:1975JGR .... 80.3571R. Дои: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. Дои:10.1007 / BF00793179 (неактивно 11.11.2020).CS1 maint: DOI неактивен по состоянию на ноябрь 2020 г. (связь)
  • Альфвен, Ханнес, О нитевидной 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:1967Соф .... 1..220А. Дои: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:1967ССРв .... 7..140А. Дои: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 и SS.144 ... 73C. Дои:10.1007 / BF00793173 (неактивно 11.11.2020).CS1 maint: DOI неактивен по состоянию на ноябрь 2020 г. (связь)
  • Cloutier, P.A .; Андерсон, Х. Р. (1975). «Наблюдения за течениями Биркеланда». Обзоры космической науки. 17 (2–4): 563–587. Bibcode:1975ССРв ... 17..563С. Дои: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. Дои:10.1007 / BF00645387. S2CID  119690162.

внешняя ссылка