Birkelandův proud - Birkeland current

Schéma Birkelandových nebo polních proudů a systémů ionosférického proudu, ke kterým se připojují, Pedersenův a Hallův proud.

Birkeland proudu je sada proudy, které tečou podél geomagnetického siločar spojujících zemskou magnetosféru do zemské vysoké šířky ionosféry . V zemské magnetosféře jsou proudy poháněny slunečním větrem a meziplanetárním magnetickým polem a hromadnými pohyby plazmy magnetosférou (konvekce nepřímo poháněná meziplanetárním prostředím). Síla Birkelandových proudů se mění s aktivitou v magnetosféře (např. Během dílčích bouří ). Malé změny v proudových listech směrem nahoru (dolů proudící elektrony) zrychlují magnetosférické elektrony, které, když dosáhnou horní atmosféry, vytvoří Auroras Borealis a Australis. Ve vysoké zeměpisné šířce ionosféry (nebo v aurorálních zónách) se Birkelandovy proudy uzavírají oblastí aurorální elektrojety , která proudí kolmo na lokální magnetické pole v ionosféře. Birkelandovy proudy se vyskytují ve dvou párech proudových listů zarovnaných na pole. Jeden pár sahá od poledne sektorem soumraku do sektoru půlnoci. Druhá dvojice sahá od poledne přes sektor úsvitu do sektoru půlnoci. List na straně aurorální zóny s velkou šířkou se označuje jako aktuální list Regionu 1 a list na straně s nízkou šířkou se označuje jako aktuální list Regionu 2.

Proudy předpověděl v roce 1908 norský průzkumník a fyzik Kristian Birkeland , který podnikl expedice na sever od polárního kruhu za studiem polární záře. Pomocí jednoduchých přístrojů pro měření magnetického pole znovu objevil, že když se objevila polární záře, jehly magnetometrů změnily směr, což potvrdilo zjištění Anderse Celsia a asistenta Olofa Hjortera před více než stoletím. To by mohlo znamenat pouze to, že v atmosféře výše proudily proudy. Předpokládal, že Slunce nějak vyzařovalo katodový paprsek a částice z toho, co je nyní známé jako sluneční vítr, vstoupily do magnetického pole Země a vytvořily proudy, čímž vytvořily polární záři. Jiní badatelé tento názor opovrhovali, ale v roce 1967 satelit vypuštěný do polární oblasti ukázal, že proudy předpokládané Birkelandem existují. Na počest jeho a jeho teorie jsou tyto proudy pojmenovány Birkelandské proudy. Dobrý popis objevů Birkelanda je uveden v knize Jago.

Emeritní profesor švédské laboratoře Alfvén Carl-Gunne Fälthammar napsal: „Důvodem, proč jsou Birkelandovy proudy obzvláště zajímavé, je to, že v plazmě, která je nucena je nést, způsobují výskyt řady fyzikálních procesů plazmy ( vlny , nestability , To zase vede k následkům, jako je zrychlení nabitých částic , pozitivních i negativních, a oddělení prvků (například přednostní vypuzení iontů kyslíku). Obě tyto třídy jevů by měly mít obecný astrofyzikální zájem daleko za hranicemi porozumění vesmírnému prostředí naší vlastní Země. “

Aurorální birkelandské proudy vytvořené vědcem Kristianem Birkelandem v jeho terrelle , představující magnetizovanou anodovou kouli v evakuované komoře.

Vlastnosti

Aurorální Birkelandovy proudy přenášejí v klidných dobách přibližně 100 000 ampérů a v geomagneticky narušených časech více než 1 milion ampér. Birkeland odhadl proudy „ve výškách několika stovek kilometrů a síle až milionu ampér“ v roce 1908. Iontosférické proudy, které spojují proudy zarovnané v poli, vedou k Jouleovu ohřevu v horních vrstvách atmosféry. Teplo je přenášeno z ionosférické plazmy na plyn v horní atmosféře, což následně zvyšuje a zvyšuje odpor nízko nadmořských satelitů.

Birkelandovy proudy lze také vytvářet v laboratoři pomocí multiterawattových pulzních generátorů energie . Výsledný vzor průřezu naznačuje dutý paprsek elektronů ve formě kruhu vírů , což je útvar nazývaný diokotronová nestabilita (podobná Kelvin-Helmholtzově nestabilitě ), která následně vede k filamentaci. Takové víry lze na polární záři vidět jako „polární kadeře“.

Birkelandovy proudy jsou také jednou z třídy plazmatických jevů zvaných z-pinch , tak pojmenovaných proto, že azimutální magnetická pole produkovaná proudem svírá proud do vláknového kabelu. To se také může zkroutit a vytvořit spirálovitý špetku, která se spirálovitě podobá zkroucenému nebo spletenému lanu, a to nejvíce odpovídá proudu Birkelandu. Dvojice paralelních Birkelandových proudů budou také interagovat díky Ampereovu silovému zákonu : paralelní Birkelandovy proudy pohybující se stejným směrem se budou navzájem přitahovat elektromagnetickou silou nepřímo úměrnou jejich vzdálenosti od sebe, zatímco paralelní Birkelandovy proudy pohybující se v opačných směrech se budou navzájem odpuzovat. Existuje také kruhová složka krátkého dosahu síly mezi dvěma Birkelandovými proudy, která je opačná k paralelním silám delšího dosahu.

Elektrony pohybující se podél Birkelandova proudu mohou být urychlovány plazmovou dvojitou vrstvou . Pokud se výsledné elektrony přiblíží rychlosti světla, mohou následně produkovat Bennettovu špetku , která v magnetickém poli způsobí spirálu elektronů a emitování synchrotronového záření, které může zahrnovat rádiové , viditelné světlo , rentgenové záření a paprsky gama .

Dějiny

Kristian Birkeland předpověděl polární elektrojety v roce 1908. Napsal str. 95 „proudy se zde považují za vznikající hlavně jako druhotný účinek elektrických částic ze slunce vytažených z vesmíru a dosud spadají pod druhou z výše zmíněných možností“. A str. 105, „Obr. 50a představuje ty, ve kterých jsou směry proudu ve středu bouře směrovány na západ, a 50b, ve kterých se proudy pohybují na východ“.

Poté, co Kristian Birkeland v roce 1908 poprvé navrhl, že „proudy tam [v polární záři] jsou představovány tak, že vznikly hlavně jako sekundární účinek elektrických tělísek ze slunce vytažených z vesmíru,“ zdá se, že se příběh utápěl v politika. Birkelandovy myšlenky byly obecně ignorovány ve prospěch alternativní teorie od britského matematika Sydney Chapmana .

V roce 1939 švédský inženýr a plazmový fyzik Hannes Alfvén propagoval Birkelandovy myšlenky v článku publikovaném o generování proudu ze slunečního větru. V roce 1964 jeden z Alfvénových kolegů, Rolf Boström, také použil proudové pole v novém modelu polárních elektrojetů .

Důkaz o Birkelandově teorii polární záře přišel až po vyslání sondy do vesmíru. Zásadní výsledky byly získány ze satelitu amerického námořnictva 1963-38C, vypuštěného v roce 1963 a nesoucího magnetometr nad ionosférou . V roce 1966 Alfred Zmuda, JH Martin a FTHeuring analyzovali výsledky satelitního magnetometru a oznámili své nálezy magnetického rušení v polární záři. V roce 1967 Alex Dessler a postgraduální student David Cummings napsali článek, ve kterém argumentovali, že Zmuda et al. detekoval proudy zarovnané do pole. Alfvén následně uznal, že Dessler „objevil proudy, které předpověděl Birkeland“, a mělo by se jim říkat Birkeland-Desslerovy proudy. Rok 1967 je proto považován za datum, kdy byla Birkelandova teorie konečně uznána za obhájenou. V roce 1969 Milo Schield, Alex Dessler a John Freeman poprvé používali název „Birkelandské proudy“. V roce 1970 Zmuda, Armstrong a Heuring napsali další dokument, v němž se shodli, že jejich pozorování jsou kompatibilní s proudy zarovnanými do pole, jak navrhli Cummings a Dessler a Boström.

Viz také

Reference

Složité samovolně se stahující čáry magnetického pole a proudové dráhy v Birkelandově proudu, které se mohou vyvinout v plazmě (obrázek 15.3.2, Alfvén a Arrhenius, 1976).

Další čtení

Knihy
Časopisy

externí odkazy