✖


Jump to content

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 линий геомагнитного Земли поля, соединяющих магнитосферу Земли с высокоширотной ионосферой . 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 изменения восходящих токовых слоев (электроны, текущие вниз) ускоряют магнитосферные электроны, 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 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 излучает 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 году спутник, запущенный в авроральную область, показал, что течения, постулированные 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 Фельтхаммар писал: [6] «Причина, по которой токи Биркеланда особенно интересны, заключается в том, что в плазме, вынужденной нести их, они вызывают ряд физических процессов в плазме ( волны , нестабильности , образование тонкой структуры). Это, в свою очередь, приводит к таким последствиям, как ускорение токов Биркеланда. заряженные частицы , как положительные, так и отрицательные, и разделение элементов (например, преимущественный выброс ионов кислорода). Оба этих класса явлений должны представлять общий астрофизический интерес, выходящий далеко за пределы понимания космической среды нашей собственной Земли».

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

Характеристики

[ редактировать ]

Авроральные токи Биркеланда несут около 100 000 ампер в спокойные времена. [7] и более 1 миллиона ампер в периоды геомагнитных возмущений. [8] В 1908 году Биркеланд оценил токи «на высоте нескольких сотен километров и силой до миллиона ампер». [3] Ионосферные токи, соединяющие продольные токи, вызывают джоулевый нагрев в верхних слоях атмосферы. Тепло передается от ионосферной плазмы газу верхних слоев атмосферы, который, следовательно, поднимается и увеличивает сопротивление низковысотных спутников.

Токи Биркеланда также можно создавать в лаборатории с помощью несколько тераватт импульсных генераторов мощностью . Полученная картина поперечного сечения указывает на полый пучок электронов в форме круга вихрей , образование, называемое диокотронной неустойчивостью. [9] (аналогично нестабильности 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 спиральный зажим, который 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

[ редактировать ]

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 MFACE с открытым исходным кодом, [13] [15] в соответствии с условиями солнечного ветра, загруженными с сервера 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 тихом и активном уровне воздействия солнечного ветра, доступны, например, по адресу: [17] .

История

[ редактировать ]
Кристиан Биркеланд предсказал авроральные электроджеты в 1908 году. Он написал с. 95 [3] «Там предполагается, что токи возникли главным образом как вторичный эффект электрических корпускул Солнца, притянутых из космоса, и поэтому подпадают под вторую из возможностей, упомянутых выше». 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] считаются возникшими главным образом как вторичный эффект электрических корпускул Солнца, притянутых из космоса», [3] история, похоже, увязла в политике. [18] Идеи Биркеланда в целом игнорировались в пользу альтернативной теории британского математика Сиднея Чепмена . [19]

В 1939 году шведский инженер и физик плазмы Ханнес Альфвен продвигал идеи Биркеланда в статье. [20] опубликовано о генерации тока от солнечного ветра. В 1964 году один из коллег Альфвена, Рольф Бострём, 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 году Альфред Змуда, Дж. Х. Мартин и FTHeuring [22] 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. [23] утверждая, что Змуда и др. обнаружил продольные токи. Впоследствии Альфвен признал [24] что Десслер «открыл токи, которые предсказал Биркеланд», 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 Фриман. [25] впервые использовал название «течения Биркеланда». В 1970 году Змуда, Армстронг и Хёринг написали еще одну статью. [26] согласившись, что их наблюдения совместимы с продольными токами, как предположили Каммингс, Десслер и Бострем. [21]

См. также

[ редактировать ]

Ссылки

[ редактировать ]
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. ^ Нога.; 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). «О катодных лучах под действием мощных магнитных сил». Архив физических наук . 4 : 497–512.
  3. ^ Jump up to: а б с д Биркеланд, Кристиан (1908). Норвежская экспедиция «Полярное сияние» 1902–1903 годов . Нью-Йорк и Христиания (ныне Осло): издание 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 : 1911РСПСА..85...44С . 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. ^ Jump up to: а б Он, 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 течений и их реакция на изменчивость солнечного ветра решены по местному времени» . 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 (7 июля 2019 г.). «MFACE: эмпирическая модель продольных токов полярных сияний» . Гарвардская вселенная данных. дои : 10.7910/DVN/GA5ZTO . {{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется |journal= ( помощь )
  16. ^ «SPDF — OMNIWeb Сервис» . omniweb.gsfc.nasa.gov . Проверено 26 января 2022 г.
  17. ^ Эволюция тока полярных сияний на активных уровнях геомагнитной активности , данные получены 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. ^ Jump up to: а б 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, штат Вашингтон; 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. ^ Шилдс, 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

[ редактировать ]
Книги
Журналы
[ редактировать ]
Retrieved from "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Birkeland_current&oldid=1217437181"
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: ff66209069658f947f7eda5237e40159__1712338860
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/ff/59/ff66209069658f947f7eda5237e40159.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Birkeland current - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)