Войти
Схема Биркеландских или полевых токов и ионосферных токовых систем, с которыми они связаны, токов Педерсена и Холла. A Ток Биркеланда - это набор токов, которые протекают вдоль геомагнитных силовых линий, соединяющих магнитосферу Земли с высокой широтой 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 изменяется с активностью в магнитосфере (например, во время суббурь ). Мелкомасштабные вариации в восходящих токовых слоях (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 Биркленда закрываются через область аврорального электроджета, который течет перпендикулярно местному 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 слой со стороны низких широт называется токовым слоем Района 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. Он заново открыл, используя простые инструменты для измерения магнитного поля, что, когда появилось полярное сияние, стрелки магнитометров изменили направление, подтвердив выводы Андерса Цельсия и помощника Улофа Хьортера более века назад. Это могло означать только то, что в атмосфере наверху текли токи. Он предположил, что каким-то образом Солнце испускает катодный луч, и частицы того, что сейчас известно как солнечный ветер, вошли в магнитное поле Земли и создали токи, создавая тем самым полярное сияние. Эта точка зрения была отвергнута другими исследователями, 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 дается в книге Яго.
Почетный профессор лаборатории Альфвена в Швеции, Карл-Гунне Фельтхаммар писал: «Причина, по которой течения Биркеланда таковы. Особенно интересно то, что в плазме, вынужденной переносить их, они вызывают ряд физических процессов в плазме (волны, нестабильности, образование тонкой структуры). Они, в свою очередь, приводят к такие последствия, как ускорение заряженных частиц, как положительных, так и отрицательных, и разделение элементов (например, предпочтительный выброс ионов кислорода). Оба эти класса явлений должны иметь общий астрофизический интерес, выходящий далеко за рамки понимания космическая среда нашей собственной Земли ".
Полярные течения Биркеланда, созданные ученым Кристианом Биркеландом в его terrella с магнитным анодным шаром в вакуумированной камере. Токи Северного сияния в Биркеланде несут около 100000 ампер во время тихие времена и более 1 миллиона ампер во время геомагнитных возмущений. Биркеланд оценил токи «на высоте нескольких сотен километров и силой до миллиона ампер» в 1908 году. Ионосферные токи, соединяющие продольные токи, вызывают джоулева нагрева в верхних слоях атмосферы. Тепло передается от ионосферной плазмы газу верхних слоев атмосферы, который, следовательно, повышается и увеличивает сопротивление низковысотных спутников.
Биркеландские токи также могут создаваться в лаборатории с помощью генераторов с несколькими тераваттами импульсной мощностью. Результирующая картина поперечного сечения указывает на полый пучок электронов в форме круга из вихрей, образование, называемое диокотронной неустойчивостью (аналогично неустойчивости Кельвина-Гельмгольца ), что впоследствии приводит к филаментации. Такие вихри можно увидеть в полярных сияниях как «авроральные вихри».
Токи Биркеланда также являются одним из класса плазменных явлений, называемых z-пинчем, названным так потому, что азимутальные магнитные поля создают током зажимает ток в нитевидном кабеле. Он также может закручиваться, создавая спиралевидный зажим, который закручивается по спирали, как скрученная или плетеная веревка, и это наиболее близко 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 параллельным силам более длинного действия.
Электроны, движущиеся вдоль тока 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 закручиваться по спирали и испускать синхротронное излучение, которое может включать радио, видимый свет, рентгеновские лучи и гамма-лучи.
Кристиан Биркеланд предсказал авроральные электроджеты в 1908 году. Он написал с. 95 «Предполагается, 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 шторма направлены на запад, а 50b те, в которых течения движутся на восток». После того, как Кристиан Биркеланд впервые предположил в 1908 году, что «течения там [в полярное сияние], как представляется, возникло в основном как вторичный эффект электрических тельцов Солнца, втянутых из космоса, «история, похоже, погрязла в политике. Идеи Биркеланда обычно игнорировались в пользу альтернативной теории британского математика Сидни Чепмена.
В 1939 году шведский инженер и физик плазмы Ханнес Альфвен продвигал идеи Биркеланда в статье, опубликованной о поколении ток от солнечного ветра. В 1964 году один из коллег Альфвена, Рольф Бострем, также использовал продольные токи в новой модели авроральных электроджетов.
. Доказательство теории полярного сияния Биркеланда было получено 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 году Альфред Змуда, J.H. Мартин и Ф. Т. Херинг проанализировали результаты спутникового магнитометра и сообщили о своих выводах о магнитных возмущениях в полярном сиянии. В 1967 г. Алекс Десслер и аспирант Дэвид Каммингс написали статью, в которой утверждали, что Змуда и др. обнаружил продольные токи. Впоследствии Альфвен признал, что Десслер «открыл течения, предсказанные Биркеландом», и что их следует назвать токами Биркеланда-Десслера. Таким образом, 1967 год считается датой, когда теория Биркеланда, наконец, была признана подтвержденной. В 1969 году Майло Шилд, Алекс Десслер и Джон Фриман впервые использовали название «Биркеландские течения». В 1970 году Змуда, Армстронг и Хеуринг написали еще одну статью, в которой согласились, что их наблюдения совместимы с продольными токами, как было предложено Каммингсом, Десслером и Бостремом.
Сложные самосжимающиеся силовые линии магнитного поля и пути тока в ток Биркеланда, который может развиваться в плазме (рис. 15.3.2, Alfvén and Arrhenius, 1976) 