Birkelandstrømmer

Fra Wikipedia, den frie encyklopedi
Hopp til: navigasjon, søk
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 feltlinjene 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 beveger seg 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 det oppadgående strømsjiktet (nedadgående elektroner) akselererer elektroner i magnetosfæren. Når disse elektronene treffer den øvre delen av atmosfæren oppstår Aurora Borealis (nordlys) og Australis (sørlys). På høye breddegrader vil birkelandstrømmer nærme seg regionen for elektrojet, som går vinkelrett på det lokale magnetfeltet i ionosfæren. Birkelandstrømmer oppstår i to par av sjikt som er parallelle til magnetfeltet. Ett par strekker seg fra jordklodens midt-på-dagen-sektor, gjennom kveldssektoren og til midnattssektoren. Det andre paret strekker seg fra midt-på-dagen-sektoren gjennom daggrysektoren til midnattsektoren. Strømsjiktet som dannes på den siden av nordlyssonen som er nærmest polen(e) kalles region 1, mens sjiktet på siden lengst vekk fra polen(e) er referert til som region 2.

Birkelandstrømmer ble forutsett i 1908 av den norske fysikeren Kristian Birkeland. Han dro på flere ekspedisjoner nord for polarsirkelen for å studere nordlyset og måle forstyrrelsene av jordens magnetfelt

Historie[rediger | rediger kilde]

Kristian Birkeland forutså eksistensen av sterke horisontale strømmer i nordlysområdene (elektrojet) i 1908. Han skrev strømmene der er «antatt å ha oppstått i hovedsak som en sekundær effekt av korpuskler som solen slynger ut i verdensrommet, og som blir trukket inn i atmosfæren av jordens magnetfelt». Videre skrev han "Fig. 50a representerer de strømmene som har retning 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] antas å ha oppstått i hovedsak som en sekundær effekt av såkalte elektriske korpuskler slynget ut i rommet av solen». I dag omtales korpuskler som elektroner.[2] Birkelands ideer ble stort sett ignorert til fordel for en alternativ teori fra den britiske matematikeren Sydney Chapman.[3]

Birkeland 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 kraftige strømmer sirkulerte i atmosfæren over. Birkeland mente at solen på en eller annen måte avgir en katodestråle,[4][5] 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,[6] men i 1967 målte en satellitt som beveget seg inn i nordlysregionen sterke elektriske strømmer. Dermed ble eksistensen av strømmene Birkeland hadde forutsett første gang påvist. Disse strømmene ble oppkalt etter Birkeland for å hedre ham og det teoretiske arbeidet han utførte.[7]

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

I 1939 fremmet den svenske ingeniøren og plasma-fysikeren Hannes Alfvén Birkelands ideer i en artikkel[8] 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 parallelle med magnetfeltet.[9]

Bevis på Birkelands teori for nordlys kom etter at en sonde ble sendt ut i verdensrommet. De avgjørende målingene kom fra U.S. Navys satellitt 1963-38C, som ble sendt opp over ionosfæren i 1963 med et magnetometer ombord. Alfred Zmuda, J. H. Martin, og F. T. Heuring[10] analyserte målinger fra magnetometre 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[11] som hevdet at Zmuda et al. hadde oppdaget strømmer parallelt med magnetfeltet. Alfvén erkjent senere[12] at Dessler hadde "oppdaget strømmer som Birkeland hadde forutsett eksistensen av" og at de skal kalles birkeland-Desslerstrømmer. 1967 er derfor satt som dato for da Birkelands teori endelig ble ansett for å være riktig. I 1969 brukt for første gang Milo Schield, Alex Dessler og John Freeman begrepet Birkelandstrømmer [13]. Zmuda, Armstrong og Heuring skrev i 1970 en artikkel [14] der de var enige i at deres observasjoner kunne forklares av strømmer parallelt med magnetfeltet - som var foreslått av Cummings og Dessler og av Boström.

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."[15]

Kjennetegn[rediger | rediger kilde]

Birkelandstrømmer har en styrke på rundt 100 000 ampere ved rolige forhold,[16] og mer enn én million ampere ved sterke geomagnetiske forstyrrelser.[17] Birkeland hadde estimert at strømmene kunne være "i en høyde av flere hundre kilometer, og ha styrke på opp til én million ampere" i 1908. De ionosfæriske strømmene som er parallelle med magnetfeltet varmer 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 laboratorium med kraftige pulserende elektriske generatorer. Tverrsnittet av strømmen som oppstår er en hul stråle av elektroner i form av en sirkel i virvler.[18] Slike virvler kan sees i nordlyset som spiralformede formasjoner.[19]

Par av parallelle birkelandstrømmer vil også påvirke hverandre på grunn av ampères kraftlov: Parallelle birkelandstrømmen som beveger seg i samme retning vil tiltrekke hverandre med en elektromagnetisk kraft omvendt proporsjonal med avstanden mellom dem, mens parallelle birkelandstrømmer som går i hver sin retning vil frastøte hverandre. Det er også en sirkulær komponent til kraften mellom to birkelandstrømmer. Denne har kort rekkevidde, og virker motsatt av den parallelle kraften som har større rekkevidde.[20]

Elektroner i birkelandstrømmer kan bli akselerert av et dobbelt lag med plasma. Hvis de resulterende elektronene 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.

Se også[rediger | rediger kilde]

Referanser[rediger | rediger kilde]

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)[21]
  1. ^ Le, G. (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. ^ Brush, Stephen G. (desember 1992). «Alfvén's Programme in Solar System Physics». IEEE Trans. Plasma Science. 20 (6): 577. Bibcode:1992ITPS...20..577B. doi:10.1109/27.199495. 
  3. ^ S. Chapman and J. Bartels, ‘’Geomagnetism,’’ Vol. 1 and 2, Clarendon Press, Oxford, 1940.
  4. ^ Birkeland, Kristian (1896). «Sur les rayons cathodiques sous l'action de forces magnetiques intenses». Archives des Sciences Physiques. 4: 497–512. 
  5. ^ Birkeland, Kristian (1908). The Norwegian Aurora Polaris Expedition 1902-1903. New York and Christiania (now Oslo): H. Aschehoug & Co.  out-of-print, full text online
  6. ^ Schuster, Arthur (mars 1912). «(article title N/A)». Proceedings of the Royal Society A. 85 (575): 44–50. Bibcode:1911RSPSA..85...44S. doi:10.1098/rspa.1911.0019. 
  7. ^ Jago, Lucy (2001). The Northern Lights: How One Man Sacrificed Love, Happiness and Sanity to Unlock the Secrets of Space. Knopf. s. 320. ISBN 0-375-40980-7. 
  8. ^ 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.
  9. ^ Boström R. (1964). «A Model of the Auroral Electrojets». J. Geophys. Res. 69 (23): 4983. Bibcode:1964JGR....69.4983B. doi:10.1029/JZ069i023p04983. 
  10. ^ Zmuda, Alfred (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. 
  11. ^ Cummings, W. D. (1967). «Field‐Aligned Currents in the Magnetosphere». J. Geophys. Res. 72 (3): 1007–1013. Bibcode:1967JGR....72.1007C. doi:10.1029/JZ072i003p01007. 
  12. ^ 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. 
  13. ^ Schields, M. (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. 
  14. ^ Zmuda, A. (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. 
  15. ^ Fälthammar, Carl-Gunne (desember 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. 
  16. ^ Suzuki, Akira (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. 
  17. ^ Anderson, B. J. (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. 
  18. ^ Plasma phenomena - instabilities Arkivert 28. mai 2014 hos Wayback Machine.
  19. ^ Pseudo-color, white-light images of curl formations in auroral arcs Arkivert 3. mai 2005 hos Wayback Machine.
  20. ^ Electromagnetic Forces (arkivert fra originalversjonen
  21. ^ Alfvén, Hannes (1976). Evolution of the Solar System. Washington. D.C., USA: Scientific and Technical Information Office, National Aeronautics and Space Administration. 

Videre lesning[rediger | rediger kilde]

Eksterne lenker[rediger | rediger kilde]