Birkelandstrømmer: Forskjell mellom sideversjoner

Fra Wikipedia, den frie encyklopedi
Neste endring →
Slettet innhold Innhold lagt til
VisuellWikitekst
Frankemann (diskusjon | bidrag)
Patruljører
14 210 redigeringer
Skapt ved oversettelse av siden «Birkeland current»
Tagger: Innsetting av nowiki-tagger i hovednavnerommet Innholdsoversettelse
(Ingen forskjell)

Sideversjonen fra 3. des. 2017 kl. 12:09

Skjematisk fremstilling av birkelandstrømmer og de ionosfæriske strømsystemene de er kobler til: pedersen- og hallstrømmer. (Legg merke til at navnet "Pederson" er stavet feil i denne figuren).[1]

Birkelandstrømmer er et sett av strømmer som går parallelt med de geomagnetiske feltetlinjene og som kobler jordens magnetosfære på høye breddegrader til ionosfæren. Disse strømmene i jordens magnetosfære er drevet av solvinden og det interplanetariske magnetfeltet. Strømmene består av store plasmaskyer som farer gjennom magnetosfæren. Bevegelsen til disse er indirekte drevet av det interplanetarisk miljøet. Styrken på birkelandstrømmer avhenger av aktivitet i magnetosfæren, for eksempel ved magnetosfæriske substormer. Små variasjoner i den oppadgående strømplanet, som gir bevegelse av elektroner nedover, akselerere magnetosfæriske elektroner i sirkelbaner. Når disse når ned i den øvre delen av atmosfæren opptrer Auroras Borealis (nordlys) og Australis (sørlys). På høye breddegrader vil ionosfæren birkelandstrømmer nærmer seg regionen for electrojeten, som går vinkelrett på det lokale magnetiske feltet i ionosfæren. Birkelandstrømmer oppstå i to par av feltparallelle plan. Ett par strekker seg fra jordklodens midt-på-dagen-sektor gjennom skumringssektoren til midnattssektoren. Det andre paret strekker seg fra midt-på dagen-sektoren gjennom skumringssektoren til midnattsektoren. Planet som dannes på den siden av nordlyssonen med høyeste breddegrader er referert til som region 1 strømplan og planet på siden med de laveste breddegrader er referert til som region 2 strømplanet.

Birkelandstrømer ble forutsagt i 1908 av den norske fysikeren Kristian Birkeland, som foretok ekspedisjoner nord for polarsirkelen for å studere nordlyset. Han gjenoppdaget at magnetfeltene endrer styrke og retning når nordlyset dukker opp. Dette ble først oppdaget av Anders Celsius og assistenten Olof Hjorter mer enn hundre år tidligere, også ved hjelp av magnetiske feltmålinger. Dette kunne bare bety at det gitt kraftige strømmer sirkulerte i atmosfæren over. Birkeland mente at solen på en eller annen måte avgir en katodestråle,Siteringsfeil: Åpningstaggen <ref> er ugyldig eller har et ugyldig navnSiteringsfeil: Åpningstaggen <ref> er ugyldig eller har et ugyldig navn slik at korpuskler fra det som i dag er kjent som en solvind, ledes inn i jordens magnetfelt. Dermed opprettes strømmer og skaper nordlys. Dette synet ble avvist av andre forskere,Siteringsfeil: Åpningstaggen <ref> er ugyldig eller har et ugyldig navn men i 1967 målte en satellitt som beveget seg inn i nordlysregionen sterke elektriske strømmer. Dermed ble eksistensen av disse strømmene første gang påvist etter Birkeland. Til hans ære er disse strømmene kalt birkelandstrømmer.Siteringsfeil: Åpningstaggen <ref> er ugyldig eller har et ugyldig navn

Carl-Gunne Fälthammar ved Alfvén-laboratoriet i Sverige beskriver birkelandstrømmene slik: "En grunn til at birkelandstrømmene er spesielt interessant er at i plasmaen som bære dem, kan de forårsake en rekke plasmafysiske prosesser som bølger, ustabiliteter og dannelse av finstrukturer. Disse vil i sin tur føre til konsekvenser som akselerasjon av ladede partikler, både positive og negative, og separasjon av grunnstoffer, for eksempel utstøting av oksygenioner. Begge disse fenomenene har en generell astrofysisk interesse langt utover det å forstå rom-miljøet på vår egen Jord.[2]

Nordlyslignende birkelandstrømmer skapt av fysikeren Kristian Birkeland i hans terrella, bestående av en magnetisk klode med positiv ladning (anode) i et vakuumkammer.

Kjennetegn

Birkelandstrømmer har en styrke på rundt 100 000 ampere ved rolige forhold,[3] og mer enn én million ampere ved sterke geomagnetiske forstyrrelser.[4] Birkeland hadde estimert at strømmene kunne være "i en høyde av flere hundre kilometer, og styrke på opp til én million ampere" i 1908. De ionosfæriske strømningene som er rettlinjet med magnetfeltet varme opp den øvre atmosfære på grunn av den begrensede ledningsevnen til ionosfæren. Varmen (joulevarme) blir overført fra ionosfæriske plasma til gass i den øvre atmosfæren, noe som øker motstanden satellitter i lav høyde opplever.

Birkelandstrøm kan også skapes i laboratorie med kraftige pulserende elektriske generatorer. Det resulterende tverrsnitt mønsteret som oppstår er en hul stråle av elektroner i form av en sirkel i virvler.[5] Slike virvler kan sees i nordlyset som såkalte "nordlyskrøller".[6]

Birkelandstrømninger er også en klasse av plasmafenomener som kalles en z-pinch. Navnet henspeiler på et azimutisk magnetiskfelt produsert av strømmer i en krøllkabel. Denne kan også vries slik at det oppstår en spiralformet pinch som et tvunnet eller flettet tau, noe som er best tilsvarer en birkelandstrøm. Par av parallelle birkelandstrøm vil også samhandle på grunn av ampères kraftlov: Parallelle birkelandstrømmen som beveger seg i samme retning vil tiltrekker hverandre med en elektromagnetisk kraft omvendt proporsjonal med avstanden mellom dem, mens parallell Birkeland strømmene som går i motsatte retninger vil frastøte hverandre. Det er også en sirkulær komponent til kraften mellom to birkelandstrømmer med kort rekkevidde. Denne er motsatt til den mer langtvirkende parallelle kraften.[7]

Elektronene beveger seg langs en birkelandstrøm kan bli akselerert av et dobbeltlag med plasma. Hvis de resulterende elektroner kommer opp i tilnærmet relativistiske hastigheter, altså at de nærmer seg lysets hastighet, kan de deretter produsere en bennettpinch, som er et magnetisk felt som fører til at elektroner beveger seg i spiraler og avgir synkrotronstråling som kan inkludere radio, synlig lys, røntgenstråler og gammastråler.

Historie

Kristian Birkeland forutsatte eksistensen av  elektrojet i 1908. Han skrev "strømmene der er antatt å ha oppstått i hovedsak som en sekundær effekt av elektrisk korpuskler fra solen slynget ut verdensrommet, og deretter  kommet under den andre av de mulighetene som er nevnt ovenfor". Videre skrev han "Fig. 50a representerer de strømmene som har retningene mot storm-senteret og er rettet vestover, og 50b de som har strømmer i retning østover".

Birkeland foreslo i 1908 at "strømmer der [i nordlyset] er forestilt som å ha oppstått i hovedsak som en sekundær effekt av elektrisk korpuskler fra solen slynget ut i rommet," etter dette ser det ut til at teorien er blitt fast i politikk.[8] Birkelands ideer var generelt ignorert i favør av en alternativ teori fra den britiske matematikeren Sydney Chapman.[9]

I 1939 fremmet den svenske ingeniøren og plasma-fysikeren Hannes Alfvén Birkelands ideer i en artikkel[10] han publisert om skapelsen av strømmer fra solvinden. I 1964 lagde Rolf Boström, en av Alfvén kollegaer, en ny modell for elektrojet som også benyttet seg av strømmer rettlinjet med feltet.[11]

Bevis på Birkelands teori for nordlys kom etter at en sonde ble sendt ut i verdensrommet. Det avgjørende resultater ble oppnådd fra U.S. Navy satellitt-1963-38C, som ble sendt ut over ionosfæren i 1963 og hadde med et magnetometer.  Alfred Zmuda, J. H. Martin, og F. T. Heuring[12] analysert målinger fra magnetometer i satellitter i 1966 og rapporterte sine funn av magnetiske forstyrrelser i nordlyset. I 1967 skrev Alex Dessler og en av hans nyutdannede studenter, David Cummings, en artikkel[13] som hevdet at Zmuda et al. hadde oppdaget strømmer rettlinjet med feltet. Alfvén erkjent senere[14] at Dessler hadde "oppdaget strømmer som Birkeland hadde forutsatt eksistensen av" og at de skal kalles birkeland-Desslerstrømmer. 1967 er derfor satt som dato for da Birkelands teori endelig ble anerkjent for å være riktig. I 1969 brukt for første gang Milo Schield, Alex Dessler og John Freeman navnet "Birkeland strømninger"[15]. Zmuda, Armstrong og Heuring skrev i 1970 en artikkel [16] der de var enige om at deres observasjoner var kompatibel med strømmer rettlinjet med feltet som foreslått av Cummings og Dessler og av Boström.

Se også

Referanser

Komplekset selv-sammentrekkende magnetiske feltlinjer og nåværende baner i en Birkeland gjeldende som kan utvikle seg i en plasma (Figur 15.3.2, Alfvén og Arrhenius, 1976)[17]
  1. ^ Le, G.; J. A. Slavin; R. J. Strangeway (2010). «Space Technology 5 observations of the imbalance of regions 1 and 2 field-aligned currents and its implication to the cross-polar cap Pedersen currents». J. Geophys. Res. 115 (A07202): n/a. Bibcode:2010JGRA..11507202L. doi:10.1029/2009JA014979. 
  2. ^ Fälthammar, Carl-Gunne (Dec 1986). «Magnetosphere-Ionosphere Interactions. Near Earth Manifestations of the Plasma Universe». IEEE Transactions on Plasma Science. PS-14 (6): 616–628. Bibcode:1986ITPS...14..616F. doi:10.1109/TPS.1986.4316613.  Sjekk datoverdier i |dato= (hjelp)
  3. ^ Suzuki, Akira; Naoshi Fukushima (1998). «Space current around the earth obtained with Ampère’s law applied to the MAGSAT orbit and data» (PDF). Earth Planets Space. 50 (1): 43–56. Bibcode:1998EP&S...50...43S. doi:10.1186/bf03352085. 
  4. ^ Anderson, B. J.; J. b. Gary; T. A. Potemra; R. A. Frahm; J. R. Sharber; J. D. Winningham (1998). «UARS observations of Birkeland currents and Joule heating rates for the November 4, 1993, storm». J. Geophys. Res. 103 (A11): 26323–35. Bibcode:1998JGR...10326323A. doi:10.1029/98JA01236. 
  5. ^ Plasma phenomena - instabilities
  6. ^ Pseudo-color, white-light images of curl formations in auroral arcs Arkivert mai 3, 2005, hos Wayback Machine
  7. ^ Electromagnetic Forces Arkivert oktober 3, 2005, hos Wayback Machine
  8. ^ Brush, Stephen G. (December 1992). «Alfvén's Programme in Solar System Physics». IEEE Trans. Plasma Science. 20 (6): 577. Bibcode:1992ITPS...20..577B. doi:10.1109/27.199495.  Sjekk datoverdier i |dato= (hjelp)
  9. ^ S. Chapman and J. Bartels, ‘’Geomagnetism,’’ Vol. 1 and 2, Clarendon Press, Oxford, 1940.
  10. ^ Alfvén, Hannes (1939), "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.
  11. ^ Boström R. (1964). «A Model of the Auroral Electrojets». J. Geophys. Res. 69 (23): 4983. Bibcode:1964JGR....69.4983B. doi:10.1029/JZ069i023p04983. 
  12. ^ Zmuda, Alfred; J.H. Martin; F.T.Heuring (1966). «Transverse Magnetic Disturbances at 1100 Kilometers in the Auroral Region». J. Geophys. Res. 71 (21): 5033–5045. Bibcode:1966JGR....71.5033Z. doi:10.1029/JZ071i021p05033. 
  13. ^ Cummings, W. D.; A. J. Dessler (1967). «Field‐Aligned Currents in the Magnetosphere». J. Geophys. Res. 72 (3): 1007–1013. Bibcode:1967JGR....72.1007C. doi:10.1029/JZ072i003p01007. 
  14. ^ Alfvén, Hannes (1986). «Double layers and circuits in astrophysics». IEEE Trans. Plasma Sci. 14 (6): 779–793. Bibcode:1986ITPS...14..779A. doi:10.1109/TPS.1986.4316626. 
  15. ^ Schields, M.; J. Freeman; A. Dessler (1969). «A Source for Field‐Aligned Currents at Auroral Latitudes». J. Geophys. Res. 74 (1): 247–256. Bibcode:1969JGR....74..247S. doi:10.1029/JA074i001p00247. 
  16. ^ Zmuda, A.; J. Armstrong; F. Heuring (1970). «Characteristics of Transverse Magnetic Disturbances Observed at 1100 Kilometers in the Auroral Oval». J. Geophys. Res. 75 (25): 4757–4762. Bibcode:1970JGR....75.4757Z. doi:10.1029/JA075i025p04757. 
  17. ^ Alfvén, Hannes (1976). Evolution of the Solar System. Washington. D.C., USA: Scientific and Technical Information Office, National Aeronautics and Space Administration. 

Videre lesning

Eksterne lenker

Hentet fra «https://no.wikipedia.org/w/index.php?title=Birkelandstrømmer&oldid=18044521»