Биркеланд тогы – Жердің магнит өрісімен байланысқан электр тогы. Күн желi мен плазма қозғалысынан пайда болады, сондай-ақ солтүстiк және оңтүстiк шапақтардың пайда болуына себеп болады.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Геомагниттік өріс сызықтары бойымен ағып жатқан токтар
Currents flowing along geomagnetic field lines
Биркеланд тогы (сонымен қатар өріс сәйкестендірілген ток деп те аталады) – Жердің магнитосферасын Жердің жоғары ендіктегі ионосферасына жалғастыратын геомагниттік өріс сызықтары бойымен ағып жатқан электр тоқтарының жиынтығы. Жердің магнитосферасындағы токтарды күннің желi мен планетааралық магнит өрісі, сондай-ақ магнитосфера арқылы плазманың кең көлемді қозғалысы (планетааралық ортаның жанама түрде тудырған конвекциясы) қозғайды. Биркеланд тогының күші магнитосферадағы белсенділікке байланысты өзгереді (мысалы, субжаңылма кезінде). Жоғары ағыстағы қабаттардағы шағын масштабты өзгерістер (төмен ағып жатқан электрондар) магнитосфералық электрондарды жылдамдатады, олар жоғарғы атмосфераға жеткенде Солтүстік және Оңтүстік шапақтарын (Aurora Borealis және Australis) тудырады. Жоғары ендіктегі ионосферада (немесе шапақ аймақтарында) Биркеланд тогы ионосферадағы жергілікті магнит өрісіне перпендикуляр ағып жатқан жарық электр тогының аймағы арқылы жабылады. Биркеланд тогы екі жұп өріс сәйкестендірілген ток қабаттары түрінде пайда болады. Бір жұп түстен кешкі сағатқа дейін, екінші жұп түстен таңертеңгі сағатқа дейін созылады. Шапақ аймағының жоғары ендік жағындағы қабат 1-ші аймақтың ток қабаты деп, ал төмен ендік жағындағы қабат 2-ші аймақтың ток қабаты деп аталады. Токтарды 1908 жылы норвегиялық саяхатшы және физик Кристиан Биркеланд болжаған, ол полярлық аймақтың солтүстігіне шапақ құбылысын зерттеу үшін экспедициялар ұйымдастырған. Ол қарапайым магнит өрісін өлшеу құралдарын қолданып, шапақ пайда болғанда магнит өлшегіштердің инелері бағытын өзгерткенін анықтады, бұл Андерс Цельсий мен оның көмекшісі Олоф Хьортердің бір ғасырдан астам бұрын жасаған тұжырымдамаларын растады. Бұл атмосферада токтар ағып жатыр деген тұжырымға әкелді. Ол Күннің катодты сәулелер шығаратынын және қазір күн желi деп белгілі денешіктер Жердің магнит өрісіне еніп, токтарды тудырып, осылайша шапақты құрайтынын болжады. Бұл көзқарас басқа зерттеушілер тарапынан сынға ұшырады, бірақ 1967 жылы шапақ аймағына ұшырылған спутник Биркеландтың болжаған токтарының бар екенін көрсетті. Оның құрметіне және оның теориясына орай бұл токтар Биркеланд тогы деп аталды. Биркеландтың жаңалықтары туралы толық сипаттама Ягоның кітабында келтірілген. Швециядағы Альфвен зертханасының зейнеткер профессоры Карл Гунн Фэлтхамар былай деп жазды: "Биркеланд тогының ерекше қызығушылық тудыратын себебі, оларды тасымалдауға мәжбүрленген плазмада, толқындар, тұрақсыздықтар және ұсақ құрылымның пайда болуы сияқты бірқатар плазмалық физикалық процестерді тудырады. Бұл өз кезегінде оң және теріс зарядталған бөлшектердің үдеуіне және элементтердің бөлінуіне (мысалы, оттегі иондарының басым шығарылуына) әкеледі. Бұл екі түрдегі құбылыстардың барлығы да біздің Жердің ғарыш ортасын түсінуден асып түсетін жалпы астрофизикалық маңызы бар".
A Birkeland current (also known as field aligned current) is a set of electrical currents that flow along geomagnetic field lines connecting the Earth's magnetosphere to the Earth's high latitude ionosphere. In the Earth's magnetosphere, the currents are driven by the solar wind and interplanetary magnetic field and by bulk motions of plasma through the magnetosphere (convection indirectly driven by the interplanetary environment). The strength of the Birkeland currents changes with activity in the magnetosphere (e. g. during substorms). Small scale variations in the upward current sheets (downward flowing electrons) accelerate magnetospheric electrons which, when they reach the upper atmosphere, create the Auroras Borealis and Australis. In the high latitude ionosphere (or auroral zones), the Birkeland currents close through the region of the auroral electrojet, which flows perpendicular to the local magnetic field in the ionosphere. The Birkeland currents occur in two pairs of field aligned current sheets. One pair extends from noon through the dusk sector to the midnight sector. The other pair extends from noon through the dawn sector to the midnight sector. The sheet on the high latitude side of the auroral zone is referred to as the Region 1 current sheet and the sheet on the low latitude side is referred to as the Region 2 current sheet. The currents were predicted in 1908 by Norwegian explorer and physicist Kristian Birkeland, who undertook expeditions north of the Arctic Circle to study the aurora. He rediscovered, using simple magnetic field measurement instruments, that when the aurora appeared the needles of magnetometers changed direction, confirming the findings of Anders Celsius and assistant Olof Hjorter more than a century before. This could only imply that currents were flowing in the atmosphere above. He theorized that somehow the Sun emitted a cathode ray, and corpuscles from what is now known as a solar wind entered the Earth's magnetic field and created currents, thereby creating the aurora. This view was scorned by other researchers, but in 1967 a satellite, launched into the auroral region, showed that the currents posited by Birkeland existed. In honour of him and his theory these currents are named Birkeland currents. A good description of the discoveries by Birkeland is given in the book by Jago. Professor Emeritus of the Alfvén Laboratory in Sweden, Carl Gunne Fälthammar wrote: "A reason why Birkeland currents are particularly interesting is that, in the plasma forced to carry them, they cause a number of plasma physical processes to occur (waves, instabilities, fine structure formation). These in turn lead to consequences such as acceleration of charged particles, both positive and negative, and element separation (such as preferential ejection of oxygen ions). Both of these classes of phenomena should have a general astrophysical interest far beyond that of understanding the space environment of our own Earth."
Сипаттамалары
Авроралық Биркеланд тоқтары тыныш уақытта шамамен 100 000 амперді, ал геомагниттік қалыптық жағдайдан ауытқу кезінде 1 миллион амперден асады. Биркеланд 1908 жылы "бірнеше жүз километр биіктіктегі және миллион амперге дейінгі күшті тоқтарды" бағалаған. (Кельвин-Гельмгольц тұрақсыздығына ұқсас), бұл кейіннен жіптелуге (filamentation) әкеледі. Мұндай құйындылар (vortices) аврорада "авроралық иілмелер" (auroral curls) ретінде көрінеді. Биркеланд тоқтары сондай-ақ z-қысым (z pinch) деп аталатын плазма құбылыстарының бір класына жатады, себебі ток тудыратын азимуттық магнит өрістері токты жіп тәрізді кабельге қысады. Бұл бұрылуға да қабілетті, бұрылған немесе тоқылған арқан сияқты спиральді қысымды (helical pinch) тудырады, бұл Биркеланд тоғына ең жақын сәйкеседі. Параллель Биркеланд тоқтарының жұптары Ампердің күш заңына сәйкес өзара әрекеттеседі: бір бағытта қозғалатын параллель Биркеланд тоқтары бір-біріне арақашықтығына кері пропорционал электромагниттік күшпен тартылады, ал қарама-қарсы бағытта қозғалатын параллель Биркеланд тоқтары бір-бірін итермелейді. Екі Биркеланд тогы арасындағы күштің қысқа аралықтағы дөңгелек компоненті де бар, ол ұзақ аралықтағы параллель күштерге қарама-қарсы. Биркеланд тогымен қозғалатын электрондар плазманың қос қабаты арқылы үдетілуі мүмкін. Егер нәтижесінде алынған электрондар жарық жылдамдығына жақындаса, олар Беннетт қысымын (Bennett pinch) тудыруы мүмкін, бұл магнит өрісінде электрондардың спиральға айналып, радио, көрінетін жарық, рентген сәулелері және гамма сәулелерін қамтитын синхротрон сәулесін (synchrotron radiation) шығаруына себеп болады.
Auroral Birkeland currents carry about 100,000 amperes during quiet times and more than 1 million amperes during geomagnetically disturbed times. Birkeland had estimated currents "at heights of several hundred kilometres, and strengths of up to a million amperes" in 1908. (similar to the Kelvin–Helmholtz instability), that subsequently leads to filamentation. Such vortices can be seen in aurora as "auroral curls". Birkeland currents are also one of a class of plasma phenomena called a z pinch, so named because the azimuthal magnetic fields produced by the current pinches the current into a filamentary cable. This can also twist, producing a helical pinch that spirals like a twisted or braided rope, and this most closely corresponds to a Birkeland current. Pairs of parallel Birkeland currents will also interact due to Ampère's force law: parallel Birkeland currents moving in the same direction will attract each other with an electromagnetic force inversely proportional to their distance apart whilst parallel Birkeland currents moving in opposite directions will repel each other. There is also a short range circular component to the force between two Birkeland currents that is opposite to the longer range parallel forces. Electrons moving along a Birkeland current may be accelerated by a plasma double layer. If the resulting electrons approach the speed of light, they may subsequently produce a Bennett pinch, which in a magnetic field causes the electrons to spiral and emit synchrotron radiation that may include radio, visible light, x rays, and gamma rays.
Күн желінің кедергілерінің кеңістіктегі таралуы және оған әсер ету
Авроралық Биркеланд ағымдары геомагниттік өріс бойымен шектеледі. Сондықтан, 3 өлшемді кеңістіктегі токтардың таралуын, негізінен, ионосферадағы белгілі бір биіктіктегі токтардың 2 өлшемді таралуын қолдану арқылы сипаттауға болады, мысалы, 110 км. Идзима және Потемера спутниктік бақылаулар негізінде классикалық екі өлшемді сипаттама жасаған. Авроралық Биркеланд ағымдарының іздері сақина тәрізді құрылымдарды көрсетеді. Ағымдар күн желдерімен қозғалғандықтан, олардың кеңістіктегі таралуы мен қарқындылығы күн желдің бұзылуларымен динамикалық түрде өзгертіледі. Күн желдің күшті бұзылуы кезінде сақиналар 10 минут ішінде 10 градусқа дейін ендік бойынша жылдам ығыса алады. Күн желдің өзгеруіне жауап ретінде ендік ығысу күндіз орташа есеппен 20 минут, ал түнінде 70-90 минутқа созылады.
Auroral Birkeland currents are constrained along the geomagnetic field. Therefore, the current’s distribution in 3 dimensional space could be largely described using the 2 dimensional distribution of the current’s footprints at a given altitude in the ionosphere, e. g., 110 km. A classical 2 dimensional description was summarized from satellite observations by Iijima and Potemra. The footprints of Auroral Birkeland currents exhibit ring shaped structures. As the currents are driven by solar winds, their spatial distribution and intensity are also dynamically moderated by solar wind disturbances. Under intensive solar wind disturbances, the rings can quickly shift by 10 degrees in latitude in about 10 minutes. The latitudinal shift takes on average 20 minutes to respond to a solar wind change during the daytime but 70–90 minutes at night.