Z Plazmawiki
Skocz do: nawigacja, szukaj
Zorza na Jowiszu[1], zasilana prądami Birkelanda.[2]

Określenie prąd Birkelanda odnosi się zwykle do prądów elektrycznych w ziemskiej magnetosferze, podążających za liniami pola magnetycznego (prądy przyległe do pola). Czasem odnosi się również do analogicznych prądów w przestrzeni kosmicznej.[3] Są one wywołane, między innymi, ruchami plazmy prostopadłymi do pola magnetycznego. Prąd Birkelanda często wykazuje włóknistą, lub skręconą na podobieństwo liny, strukturę magnetyczną. Jest on również znany pod nazwą prądu przyległego do pola, liny magnetycznej lub kabla magnetycznego.

Pierwotnie określenie prąd Birkelanda odnosiło się do prądu występującego w zorzy polarnej, spowodowanego oddziaływaniem plazmy w wietrze słonecznym z ziemską magnetosferą. Przepływ prądu następuje ku Ziemi od strony porannej jonosfery, przebiega wokół regionów biegunowych, po czym kieruje się w kosmos po stronie wieczornej. Te prądy Birkelanda są obecnie zwane elektrodżetami zorzowymi. Istnienie prądów zostało przewidziane w 1903 przez norweskiego odkrywcę i fizyka, [[Kristian Birkeland|Kristiana Birkelanda], który przeprowadził ekspedycje za koło podbiegunowe, w celu studiowania zorzy.

Emerytowany profesor z Laboratorium Alfvéna w Szwecji, Carl-Gunne Fälthammar napisał w 1986:

Powód, dla którego prądy Birkelanda są szczególnie interesujące, jest taki, że plazma, która go przenosi, poddana jest szeregowi procesów fizycznych (fale, niestabilności, powstawanie finezyjnych struktur). To z kolei prowadzi do takich zjawisk, jak przyspieszanie ładunków, zarówno dodatnich, jak i ujemnych, oraz rozdziału pierwiastków (jak wyrzucanie jonów tlenu). Obie klasy zjawisk powinny być w zainteresowaniu astrofizyki, daleko poza zrozumieniem ich roli w naszym ziemskim środowisku kosmicznym.
Podobny do zorzowego prądy Birkelanda, wytworzone przez naukowca Kristiana Birkelanda w swojej terrelli, będącej namagnesowaną kulą w komorze próżniowej.

Charakterystyka

Zorzowe prądy Birkelanda mogą nieść około miliona amperów.[4] Mogą podgrzać górną atmosferę, co skutkuje zwiększonym oporem stawianym nisko orbitującym satelitom.

Voyager 2 również wykrył zorze podobne do ziemskich, jednak zorze na Neptunie mają zarejestrowaną moc 50 milionów watów, w porównaniu z 100 miliardami watów na Ziemi, oraz występują na szerokich połaciach planety.[5]

Prądy Birkelanda mogą być również wytwarzane w laboratorium przy pomocy wieloterawatowego pulsacyjnego generatora mocy. Przekrój wynikowego wzoru wykazuje wydrążoną wiązkę elektronów w postaci kółek wirów, które nazywane są niestabilnością diokotronową[6] [7], podobną, lecz odmienną, od niestabilności Kelvina-Helmholtza, która następnie prowadzi do włóknistości. Wiry takie widać w zorzy jako kędziory zorzowe.[8]

Prądy Birkelanda są również jednym ze zjawisk plazmowych, zwanych skurczem-z, nazwany tak ze względu na azymutalne pole magnetyczne, wytwarzane przez prąd, które ściska tenże prąd we włóknisty przewód. Może się on również skręcać, dając helikalny skurcz na podobieństwo liny, i ta postać najbliżej odnosi się do prądu Birkelanda. Również pary prądów Birkelanda mogą oddziaływać. Dwa równoległe, płynące w tym samym kierunku, prądy Birkelanda będą się nawzajem przyciągać z siła odwrotnie proporcjonalną do odległości (siła elektrostatyczna pomiędzy pojedynczymi naładowanymi cząstkami maleje wraz z kwadratem odległości, tak, jak grawitacyjna). Prądy płynące w przeciwnych kierunkach będą się natomiast odpychać z tą samą siłą. Istnieje również komponent kołowy siły krótkiego zasięgu, przeciwny do oddziaływania długodystansowego.[9]

Elektrony, płynące w prądzie Birkelanda, mogą być przyspieszone przez plazmową warstwę podwójną. Jeżeli elektrony osiągną przez to prędkości relatywistyczne, mogą spowodować powstanie skurczu Benneta, w którym pole magnetyczne spiraluje i powoduje emisje promieniowania synchrotronowego, obejmującego światło widzialne, fale radiowe, promienie rentgena i gamma.

W 2007, satelita Themis znalazł dowody na liny magnetyczne, łączące górną atmosferę Ziemi bezpośrednio ze Słońcem[10], co jest zgodne z teorią zorzy Kristiana Birkelanda, mówiącą, że prąd elektryczny korpuskuł ze Słońca prowadzi do ich opadu na Ziemię (zobacz wstęp do The Norwegian Aurora Polaris Expedition 1902-1903 (książka)).

Opisując kable plazmowe, Hannes Alfvén napisał:

Kable plazmowe zdają się być raczej stabilnymi formacjami, które mogą być rozważane jako struktury ważne dla zrozumienia zjawisk plazmowych (oczywiście, ich wewnętrzna struktura powinna być opisana przez teorię klasyczną). Kable plazmowe są włóknami, czasem spłaszczonymi (ograniczonymi przestrzennie arkuszami). Niosą one prąd elektryczny równoległy do pola magnetycznego, i to jest to, co nadaje im ich właściwości. Kable są często bardzo efektywne w transferowaniu mocy elektromagnetycznej z jednego obszaru do drugiego. Są one zagnieżdżone w pasywnej plazmie, która posiada wokół kabli te same właściwości w każdym kierunku. Kable są 'izolowane' od otoczenia przez cienką, cylindryczną otoczkę elektrostatyczną (warstwę podwójną), która ogranicza oddziaływanie ze światem zewnętrznym. W magnetosferze i górnej jonosferze, gęstość plazmy w kablu jest czasami mniejsza niż plazmy otaczającej.[11] W innych przypadkach gęstość kabla może być znacznie większa, gdyż zjonizowana materia jest wpompowywana do kabla z zewnątrz. Na skutek selekcji, skład chemiczny kabla może być różny od otoczenia[12] (zobacz: konwekcja Marklunda). Oprócz cylindrycznej otoczki elektrostatycznej, istnieją też często podłużne warstwy podwójne, w których znaczna część mocy przekształcana jest w rozpędzanie cząstek do wysokich energii. Warstwy podwójne czasami eksplodują, produkując dużą ilość takich cząstek.[13]

Kosmiczne prądy Birkelanda

Sąsiednie włókna prądów Birkelanda przyciągają się oddziaływaniem długodystansowym (F ~ 1/r), oraz odpychają na którtkich dystansach (f ~ 1/r3).[14]

Fizycy plazmowi sugerują, że wiele struktur we Wszechświecie wykazuje włóknistość na skutek obecności prądów Birkelanda. Peratt odnotował, że niezależnie od skali, ruch naładowanych cząstek wytwarza własne pole magnetyczne, które może działać na inne cząstki naładowane, wewnętrznie lub zewnętrznie.[15] Plazma w ruchu względnym oddziałuje poprzez prądy, które przez nią płyną. (zobacz: Skalowalność plazmy). Oto przykłady:

Size Current Description
20 × 103 m Liny Wenus
Warkoczek ometarne
102–105 m 106 A ziemska zorza
108 m 105–106 A Zdarzenia odwróconego V w magnetosferze
107–108 m 1011 A Wydmuchy słoneczne (spikule, strumienie koronalne)
Struktury międzygwiezdne: różne mgławice
1018 m Centra galaktyk
6 × 1020 m Podwójne galaktyki radiowe: jasne obłoki

Źródło: Peratt (1992).

Historia

Kristian Birkeland przewidział zorzowe elektrodżety w 1908. Napisał: [s. 95 ..] the currents there are imagined as having come into existence mainly as a secondary effect of the electric corpuscles from the sun drawn in out of space, and thus far come under the second of the possibilities mentioned above. [p.105 ..] Fig. 50a represents those in which the current-directions at the storm-centre are directed westwards, and 50b those in which the currents move eastwards.[16]

Historia badań nad prądami Birkelanda tonie w polityce.[17]

Po tym, jak Kristian Birkeland zasugerował, że prądy te istnieją głównie jako drugorzędny efekt korpuskuł elektrycznych, pochodzących ze Słońca, przemierzających kosmos (1908), jego idee były powszechnie ignorowane na rzecz alternatywnej teorii brytyjskiego matematyka Sydneya Chapmana.

W 1939, szwedzki inżynier i fizyk plazmowy, Hannes Alfvén, wypromował idee Birkelanda w pracy na temat generacji prądów z wiatru słonecznego.ref>Alfvén, Hannes, "Theory of Magnetic Storms and of the Aurorae", K. Sven. Vetenskapsakad. Handl., ser. 3, vol. 18, no. 3, p. 1, 1939. Reprinted in part, with comments by A. J. Dessler and J. Wilcox, in Eos, Trans. Am. Geophys. Un., vol. 51, p. 180, 1970.</ref> Jeden z kolegów Alfvéna, Rolf Boström, również posłużył się przyległymi do pola prądami w swoim nowym modelu elektrodżetów zorzowych (1964).[18]

W 1966, Alfred Zmuda J. H. Martin i F. T. Heuring zaraportowali odkrycie zaburzeń magnetycznych wewnątrz zorzy, zarejestrowane przez magnetometr satelity, jednak bez wzmianki o Alfvénie, Birkelandzie czy prądach przyległych do pola, nawet po zwróceniu im na to uwagi przez redaktora sekcji fizyki kosmicznej czasopisma, Alexa Dresslera.[19]

W 1967 Alex Dressler i jeden z jego studentów, David Cummings, napisali artykuł utrzymujący, że Zmuda i jego współpracownicy odkryli prądy przyległe od pola.[20] Nawet Alfvén przyznał potem (1986), że Dressler odkrył prądy, które przewidział Birkeland, i powinny być one nazwane prądami Birkelanda-Dresslera.[21]

W 1969 Milo Schield, Alex Dressler i John freeman użyli po raz pierwszy określenia prądy Birkelanda.[22] W 1970 Zmuda, Armstrong i Heuring napisali kolejną publikację, w której zgodzili się, że ich obserwacje pasują do prądów przyległych do pola, jak sugerowali Dressler, Cummings i Boström, lecz ponownie nie wspomnieli o Alfvénie i Birkelandzie.[23]

W 1970, grupa z Rice University również zasugerowała, że wyniki wcześniejszych eksperymentów z rakietami są zgodne z prądami przyległymi do pola, przypisując ich ideę raczej Boströmomi i Dresslerowi oraz ich kolegom, niż Alfvénowi i Birkelandowi.[24] W tym samym roku Zmuda i Armstrong odnotowali autorstwo Alfvéna i Birkelanda, lecz zaznaczyli, że nie mogą definitywnie zidentyfikować cząstek stanowiących prąd przyległy do pola[25]

Było tak do 1973, gdy satelita marynarki, Triad, niosący sprzęt od Zmudy i Jamesa Armostronga, wykrył sygnaturę magnetyczną dwóch dużych arkuszy prądu elektrycznego. Ich publikacje (1973, 1974) zaraportowały więcej rozstrzygających dowodów na istnienie prądów przyległych do pola - cytując Cummingsa i Dresslera, lecz ponownie nie wspomnieli o Alfvenie ani Birkelandzie.[26]

65 lat zajęło potwierdzenie pierwotnych przewidywań Birkelanda.

Zobacz również

Prądy elektryczne w plazmie kosmicznej

Przypisy

Złożone, samo ściskające się pole magnetyczne i ścieżki elektrycznego prądu Birkelanda, rozwijające sie w plazmie.[27]
  1. Astronomy Picture of the Day, [1] 20 Dec 2000
  2. "Dessler, A. J., "Corotating Birkeland currents in Jupiter's magnetosphere - an Io plasma-torus source", Planetary and Space Science, vol. 28, July 1980, p. 781-788. PEERREVIEWED
  3. A. L. Peratt, et al, "3-dimensional Particle-in-cell Simulations Of Spiral Galaxies" FULL TEXT in Galactic and intergalactic magnetic fields; Proceedings of the 140th Symposium of IAU, June 19-23, 1989. See "3.1 Galactic dimensioned Birkeland currents"
  4. Fälthammar, Carl-Gunne, "Magnetospheric plasma interactions", Astrophysics and Space Science (ISSN 0004-640X), vol. 214, nos. 1-2, Proceedings of the second United Nations/European Space Agency Workshop, Bogota, Colombia, 9-13 November, 1992, UN/ESA Workshops Vol. 3, p. 3-17. PEERREVIEWED
  5. "Solar Wind, Genesis, and the Planets: Do other solar system planets have protective magnetospheres?" June 23, 2008 at the NASA Jet Propulsion Laboratory Web site.
  6. Plasma Phenomena, Department of Physics, Czech Technical University
  7. Peratt, A. L.; Snell, C. M., "Microwave generation from filamentation and vortex formation within magnetically confined electron beams", Physical Review Letters (ISSN 0031-9007), vol. 54, March 18, 1985, p. 1167-1170. Research supported by the U.S. Department of Energy. PaperFULL TEXT PDF PEERREVIEWED
  8. Auroral Curls, University of Calgary Portable Auroral Imager
  9. Peratt, Anthony L., "The evidence for electrical currents in cosmic plasma", IEEE Transactions on Plasma Science (ISSN 0093-3813), vol. 18, Feb. 1990, p. 26-32. Paper FULL TEXT PDF PEERREVIEWED
  10. "NASA Spacecraft Make New Discoveries About Northern Lights" FULL TEXT NASA Themis press release, 11 Dec 2007
  11. Block, L.P., Fälthammar, C.-G, "Effects of field-aligned currents on the structure of the ionosphere (Magnetic field aligned electric currents effects on ionospheric structure, noting electron concentration variations and plasma diffusion)" (1968) J. Geophys. Res., 73: 4807-12 (Aug. 1, 1968). PEERREVIEWED
  12. Marklund, G. T., "Plasma convection in force-free magnetic fields as a mechanism for chemical separation in cosmical plasma", Nature, vol. 277, Feb. 1, 1979, p. 370, 371 PEERREVIEWED. See also "Steady State Models for Filamentary Plasma Structures Associated with Force Free Magnetic Fields (1978) Royal Institute of Technology, Stockholm (TRITA-EPP-78-09) ISSN: 0348-7539
  13. Hannes Alfvén, Cosmic Plasma (1981). Astrophysics and Space Science Library, Vol. 82 (1981) Springer Verlag. ISBN 90-277-1151-8.
  14. Peratt, A. L.; Peter, W.; Snell, C. M., "3-dimensional particle-in-cell simulations of spiral galaxies", Galactic and intergalactic magnetic fields; Proceedings of the 140th Symposium of IAU, Heidelberg, Federal Republic of Germany, June 19-23, 1989 (A91-46626 20-90). Dordrecht, Netherlands, Kluwer Academic Publishers, 1990, p. 143-148; Discussion, p. 149, 150. PEERREVIEWED
  15. Peratt, Anthony, Physics of the Plasma Universe, "Birkeland Currents in Cosmic Plasma" (p.43-92)
  16. Kristian Birkeland, The Norwegian Aurora Polaris Expedition 1902-1903, Volume 1: On the Cause of Magnetic Storms and The Origin of Terrestrial Magnetism. Section 1 published 1908; Section 3 publ. 1913
  17. Brush, Stephen G., "Alfven's programme in solar system physics", IEEE Transactions on Plasma Science (ISSN 0093-3813), vol. 20, no. 6, p. 577-589. PEERREVIEWED
  18. * Bostrom, R., "A model of the auroral electrojets," J. Geophys. Res., vol. 69, p. 4983, 1964. PEERREVIEWED
  19. Zmuda, A. J.; Martin, J. H.; Heuring, F. T. "Transverse magnetic disturbances at 1100 kilometers in the auroral region," J . Geophys. Res., vol. 71, p. 5033, 1966. PEERREVIEWED
  20. Cummings, W. D.; Dessler, A. J.; "Field-aligned currents in the magnetosphere," J. Geophys. Res., vol. 72, p. 1007, 1967. PEERREVIEWED
  21. Alfvén, Hannes, "Double layers and circuits in astrophysics," IEEE Trans. Plasma Sci., vol. 14, p. 779, 1986 (on p. 787). PEERREVIEWED. Reproduced from "Keynote Address" in Double Layers in Astrophysics, Proceedings of a Workshop held in Huntsville, Ala., 17-19 Mar. 1986. Proceedings FULL TEXT PDF (page 12)
  22. * Schield, M. A.; Freeman, J. W.; Dessler, A. J., (1969) "A Source for Field-Aligned Currents at Auroral Latitudes", Journal of Geophysical Research, Vol. 74, p.247. PEERREVIEWED
  23. Zmuda, A. J.; Armstrong, J. C.; Heuring, F. T. "Characteristics of transverse magnetic disturbances observed at 1100 km in the auroral oval", J. Geophys. Res., vol. 75, p. 4757, 1970. PEERREVIEWED
  24. P. A. Cloutier, H. R. Anderson, R. J. Park, R. R. Vondrak, R. J. Spiger and B. R. Sandel, "Detection of geomagnetically aligned currents associated with an auroral arc", J. Geophys. Res., vol. 75, p. 2595, 1970. PEERREVIEWED
  25. Armstrong J. C.; Zmuda, A. J.; "Field-aligned current at 1100km in the auroral region measured by satellite," J. Geophys. Res., vol. 75, p. 7122, 1970. PEERREVIEWED
  26. Armstrong J. C.; Zmuda, A. J.; "Triaxial magnetic measurements of field-aligned currents at 800 kilometers in the auroral region: Initial results," J. Geophys. Res., vol. 78, p. 6802, 1973. PEERREVIEWED; Zmuda A. J.; Armstrong J. C.; "The diurnal flow pattern of field-aligned currents," J. Geophys. Res., vol. 79, p. 4611, 1974. PEERREVIEWED
  27. Hannes Alfvén and Gustaf Arrhenius, Evolution of the Solar System, NASA Publication SP-345, (1976)

Bibliografia

(Przejrzane i z pełnym tekstem online)

Linki zewnętrzne