stringtranslate.com

Биркеландское течение

Схема Биркеланда или продольных токов и систем ионосферных токов, с которыми они связаны, токов Педерсена и Холла . [1]

Ток Биркеланда (также известный как продольный ток) представляет собой набор электрических токов, которые текут вдоль силовых линий геомагнитного поля, соединяющих магнитосферу Земли с высокоширотной ионосферой Земли . 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 магнитосферы (например, во время суббурь ). Мелкомасштабные изменения восходящих токовых слоев (электроны, текущие вниз) ускоряют электроны магнитосферы, которые, когда они достигают верхних слоев атмосферы, создают северные и южные полярные сияния. В высокоширотной ионосфере (или авроральных зонах) токи Биркеланда замыкаются через область авроральной электроджеты , 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 сектор рассвета до сектора полуночи. Лист на высокоширотной стороне авроральной зоны называется токовым слоем Региона 1, а слой на низкоширотной стороне называется токовым слоем Региона 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. С помощью простых инструментов для измерения магнитного поля он заново открыл, что при появлении полярного сияния стрелки магнитометров меняли направление, подтверждая выводы Андерса Цельсия и его помощника Улофа Йортера, сделанные более века назад. Это могло означать только то, что в атмосфере наверху протекали токи. Он предположил, что каким-то образом Солнце испустило катодный луч, [2] [3] и частицы того, что сейчас известно как солнечный ветер , вошли в магнитное поле Земли и создали токи, тем самым создав полярное сияние. Эта точка зрения была отвергнута другими исследователями [4] , но в 1967 г. спутник, запущенный в авроральную область, показал существование токов, постулируемых Биркеландом. 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 Фельтхаммар писал: [6] «Причина, по которой токи Биркеланда особенно интересны, заключается в том, что в плазме, вынужденной нести их, они вызывают ряд плазменных физических 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, преимущественный выброс ионов кислорода). Оба этих класса явлений должны иметь общую астрофизическую природу. интерес выходит далеко за рамки понимания космической среды нашей Земли».

Подобные полярным сияниям токи Биркеланда, созданные ученым Кристианом Биркеландом в его террелле с намагниченным анодным шаром в вакуумированной камере.

Характеристики

Авроральные токи Биркеланда несут силу около 100 000 ампер в спокойные времена [7] и более 1 миллиона ампер в периоды 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 джоулевый нагрев в верхних слоях атмосферы. Тепло передается от ионосферной плазмы газу верхних слоев атмосферы, который, следовательно, поднимается и увеличивает сопротивление на низковысотных спутниках.

Токи Биркеланда также можно создавать в лаборатории с помощью импульсных генераторов мощностью несколько тераватт . Полученная картина поперечного сечения указывает на полый пучок электронов в виде круга вихрей , образование, называемое диокотронной неустойчивостью [9] (аналогично неустойчивости Кельвина-Гельмгольца ), что 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-пинчами , названным так потому, что азимутальные магнитные поля, создаваемые током, сжимают ток в нитевидный кабель. Он также может скручиваться, создавая спиральное сжатие, которое закручивается по спирали, как скрученная или плетеная веревка, и это наиболее близко соответствует току Биркеланда. Пары параллельных токов Биркеланда также будут взаимодействовать по закону силы Ампера : параллельные токи Биркеланда, движущиеся в одном направлении, будут притягивать друг друга с электромагнитной силой, обратно пропорциональной расстоянию между ними, в то время как параллельные токи Биркеланда, движущиеся в противоположных направлениях, будут отталкивать друг друга. Существует также круговая составляющая ближнего действия в силе между двумя токами Биркеланда, которая противоположна параллельным силам большего действия. [11]

Электроны, движущиеся по току Биркеланда, могут быть ускорены двойным слоем плазмы . Если образующиеся электроны приближаются к скорости света, они могут впоследствии создать 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 .

Пространственное распределение и реакция на возмущения солнечного ветра

Авроральные токи Биркеланда ограничены вдоль геомагнитного поля. Следовательно, распределение тока в трехмерном пространстве можно в значительной степени описать с помощью двумерного распределения следов тока на заданной высоте в ионосфере, например 110 км. Классическое двумерное описание было обобщено на основе спутниковых наблюдений Иидзимой и Потемрой. [12] Следы полярных течений Биркеланда представляют собой кольцевые структуры. Поскольку течения вызываются солнечными ветрами, их пространственное распределение и интенсивность также динамически смягчаются возмущениями солнечного ветра. [13] При интенсивных возмущениях солнечного ветра кольца могут быстро смещаться на 10 градусов по широте примерно за 10 минут. Широтный сдвиг занимает в среднем 20 минут, чтобы отреагировать на изменение солнечного ветра в дневное время, и 70–90 минут ночью. [14]

Плотность продольного тока в его ионосферных следах (высота около 110 км) 4 июня 2007 года, в день умеренных возмущений солнечного ветра, предсказанная с помощью MFACE с открытым исходным кодом, [13] [15] в соответствии с условиями солнечного ветра, загруженными с сайта Служба НАСА OMNI. [16] MFACE — это эмпирический режим, извлеченный из 10-летних магнитных наблюдений CHAMP. Временной интервал между соседними кадрами в этом фильме составляет 5 минут. Подобные фильмы, но при спокойном и активном уровне возмущения солнечного ветра, можно найти, например, в [17] .

История

Кристиан Биркеланд предсказал авроральные электроджеты в 1908 году. Он написал с. 95 [3] «токи там предполагаются возникшими главным образом как вторичный эффект электрических корпускул Солнца, притянутых из космоса, и до сих пор подпадают под вторую из упомянутых выше возможностей». И п. 105: «На рис. 50а представлены те, у которых направления течений в центре бури направлены на запад, а на рис. 50b — те, у которых течения движутся на восток».

После того, как Кристиан Биркеланд в 1908 году впервые предположил, что «токи там [в полярном сиянии] представляются возникшими главным образом как вторичный эффект электрических корпускул Солнца, вытянутых из космоса» [ 3] , эта история, по-видимому, приобрела новый смысл. погрязнуть в политике. [18] Идеи Биркеланда в целом игнорировались в пользу альтернативной теории британского математика Сиднея Чепмена . [19]

В 1939 году шведский инженер и физик-плазмофизик Ханнес Альфвен развил идеи Биркеланда в опубликованной статье [20] о генерации тока из солнечного ветра. В 1964 году один из коллег Альфвена, Рольф Бострем, также использовал продольные токи в новой модели авроральных электроджетов . [21]

Доказательство теории полярного сияния Биркеланда появилось 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 над ионосферой . В 1966 г. Альфред Змуда, Дж.Х. Мартин и Ф.Теуринг [22] проанализировали результаты спутникового магнитометра и сообщили о своих открытиях магнитного возмущения в полярных сияниях. В 1967 году Алекс Десслер и аспирант Дэвид Каммингс написали статью [23], в которой утверждалось, что Змуда и др. обнаружил продольные токи. Впоследствии Альфвен признал [24] , что Десслер «открыл токи, предсказанные Биркеландом», и их следует называть токами Биркеланда-Десслера. Поэтому 1967 год считается датой, когда теория Биркеланда была наконец признана обоснованной. В 1969 году Майло Шилд, Алекс Десслер и Джон Фримен [25] впервые использовали название «токи Биркеланда». В 1970 году Змуда, Армстронг и Хеуринг написали еще одну статью [26], в которой согласились, что их наблюдения совместимы с продольными токами, как это предположили Каммингс, Десслер и Бострем. [21]

Смотрите также

Рекомендации

Сложные самосужающиеся силовые линии магнитного поля и пути тока в токе Биркеланда, который может развиваться в плазме (рис. 15.3.2, Альфвен и Аррениус, 1976 г.) [27]
  1. ^ Ле, Г.; Я.А. Славин; Р. Дж. Стрэнджвей (2010). «Космические технологии 5 наблюдений за дисбалансом продольных токов в регионах 1 и 2 и его влияние на токи Педерсена кроссполярной шапки». Дж. Геофиз. Рез . 115 (А07202): А07202. Бибкод : 2010JGRA..115.7202L. дои : 10.1029/2009JA014979 .
  2. ^ Биркеланд, Кристиан (1896). «Sur les rayons cathodiques sous l'action de магнитные силы интенсивны». Архивы физических наук . 4 : 497–512.
  3. ^ abcd Биркеланд, Кристиан (1908). Норвежская экспедиция «Полярное сияние» 1902-1903 гг. Нью-Йорк и Христиания (ныне Осло): H. Aschehoug & Co.распродано, полный текст онлайн
  4. ^ Шустер, Артур (март 1912 г.). «(название статьи неприменимо)». Труды Королевского общества А. 85 (575): 44–50. Бибкод : 1911RSPSA..85...44S. дои : 10.1098/rspa.1911.0019 .
  5. ^ Джаго, Люси (2001). Северное сияние: как один человек пожертвовал любовью, счастьем и здравомыслием, чтобы раскрыть тайны космоса . Кнопф. стр. 320. ISBN 978-0-375-40980-6.
  6. ^ Фельтхаммар, Карл-Гунне (декабрь 1986 г.). «Взаимодействие магнитосферы и ионосферы. Околоземные проявления плазменной Вселенной». Транзакции IEEE по науке о плазме . ПС-14 (6): 616–628. Бибкод : 1986ITPS...14..616F. дои : 10.1109/TPS.1986.4316613. S2CID  122813564.
  7. ^ Сузуки, Акира; Наоши Фукусима (1998 г.). «Космический ток вокруг Земли, полученный с помощью закона Ампера, примененного к орбите MAGSAT и данным». Земля Планеты Космос . 50 (1): 43–56. Бибкод : 1998EP&S...50...43S. дои : 10.1186/bf03352085 . S2CID  55733312.
  8. ^ Андерсон, Би Джей; Дж. Б. Гэри; Т.А. Потемра; Р.А. Фрам; Дж. Р. Шарбер; Джей Ди Виннингем (1998). «Наблюдения UARS за течениями Биркеланда и скоростью джоулевого нагрева во время шторма 4 ноября 1993 года» (PDF) . Дж. Геофиз. Рез . 103 (А11): 26323–35. Бибкод : 1998JGR...10326323A. дои : 10.1029/98JA01236.
  9. ^ Плазменные явления - нестабильности. Архивировано 28 мая 2014 г. в Wayback Machine.
  10. ↑ Псевдоцветные изображения вихрей в дугах полярных сияний в белом свете. Архивировано 3 мая 2005 г., в Wayback Machine.
  11. ↑ Электромагнитные силы. Архивировано 3 октября 2005 г., в Wayback Machine.
  12. ^ Иидзима, Т.; Потемра, Т.А. (1 декабря 1976 г.). «Полевые токи в дневном выступе, наблюдаемые Триадой». Журнал геофизических исследований . 81 (34): 5971–5979. Бибкод : 1976JGR....81.5971I. дои : 10.1029/ja081i034p05971. ISSN  0148-0227.
  13. ^ аб Хэ, Маошэн; Фогт, Иоахим; Люр, Герман; Сорбало, Ойген; Благау, Адриан; Ле, Гуань; Лу, Банда (сентябрь 2012 г.). «Модель продольных токов высокого разрешения с помощью эмпирического анализа ортогональных функций (MFACE)». Письма о геофизических исследованиях . 39 (18). Бибкод : 2012GeoRL..3918105H. дои : 10.1029/2012gl053168 . hdl : 2060/20140005564 . ISSN  0094-8276. S2CID  51690849.
  14. ^ Он, Маошэн; Фогт, Иоахим; Люр, Герман; Сорбало, Ойген (июль 2014 г.). «Динамика продольных токов по местному времени и их реакция на изменчивость солнечного ветра». Журнал геофизических исследований: Космическая физика . 119 (7): 5305–5315. Бибкод : 2014JGRA..119.5305H. дои : 10.1002/2014ja019776. ISSN  2169-9380. S2CID  129749917.
  15. ^ Хэ, Маошэн (07.07.2019). «MFACE: эмпирическая модель продольных токов полярных сияний». Гарвардская вселенная данных. дои : 10.7910/DVN/GA5ZTO. {{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь )
  16. ^ "SPDF - Служба OMNIWeb" . omniweb.gsfc.nasa.gov . Проверено 26 января 2022 г.
  17. ^ Эволюция тока полярных сияний на активных уровнях геомагнитной активности , получено 26 января 2022 г.
  18. ^ Браш, Стивен Г. (декабрь 1992 г.). «Программа Альвена по физике Солнечной системы». Транзакции IEEE по науке о плазме . 20 (6): 577–589. Бибкод : 1992ITPS...20..577B. дои : 10.1109/27.199495.
  19. ^ С. Чепмен и Дж. Бартельс, «Геомагнетизм», Vol. 1 и 2, Clarendon Press, Оксфорд, 1940.
  20. ^ Альфвен, Ханнес (1939), «Теория магнитных бурь и полярных сияний», К. Свен. Ветенскапсакад. Хэндл ., сер. 3, том. 18, нет. 3, с. 1, 1939. Частично перепечатано с комментариями А. Дж. Десслера и Дж. Уилкокса в Eos, Trans. Являюсь. Геофиз. Ун ., вып. 51, с. 180, 1970.
  21. ^ аб Бострем Р. (1964). «Модель авроральных электроджетов». Дж. Геофиз. Рез . 69 (23): 4983–4999. Бибкод : 1964JGR....69.4983B. дои : 10.1029/JZ069i023p04983.
  22. ^ Змуда, Альфред; Дж. Х. Мартин и FTHeuring (1966). «Поперечные магнитные возмущения на высоте 1100 километров в авроральной области». Дж. Геофиз. Рез . 71 (21): 5033–5045. Бибкод : 1966JGR....71.5033Z. дои : 10.1029/JZ071i021p05033.
  23. ^ Каммингс, WD; Эй Джей Десслер (1967). «Полевые токи в магнитосфере». Дж. Геофиз. Рез . 72 (3): 1007–1013. Бибкод : 1967JGR....72.1007C. дои : 10.1029/JZ072i003p01007.
  24. ^ Альфвен, Ханнес (1986). «Двойные слои и схемы в астрофизике». IEEE Транс. Плазменная наука . 14 (6): 779–793. Бибкод : 1986ITPS...14..779A. дои : 10.1109/TPS.1986.4316626. hdl : 2060/19870005703 . S2CID  11866813.
  25. ^ Шильдс, М.; Дж. Фриман; А. Десслер (1969). «Источник продольных токов в авроральных широтах». Дж. Геофиз. Рез . 74 (1): 247–256. Бибкод : 1969JGR....74..247S. дои : 10.1029/JA074i001p00247.
  26. ^ Змуда, А.; Дж. Армстронг; Ф. Хеуринг (1970). «Характеристики поперечных магнитных возмущений, наблюдаемых на высоте 1100 километров в авроральном овале». Дж. Геофиз. Рез . 75 (25): 4757–4762. Бибкод : 1970JGR....75.4757Z. дои : 10.1029/JA075i025p04757.
  27. ^ Альфвен, Ханнес (1976). Эволюция Солнечной системы. Вашингтон. Округ Колумбия, США: Управление научной и технической информации Национального управления по аэронавтике и исследованию космического пространства.

дальнейшее чтение

Книги
Журналы

Внешние ссылки