Токи Биркэланда: связь магнитосферы и ионосферы Земли
Birkeland current
Бирланд-токи: электрические потоки вдоль геомагнитных линий Земли. Связь с солнечным ветром, полярными сияниями и ионосферой. Исследования магнитосферы.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Токи, текущие вдоль линий геомагнитного поля
Currents flowing along geomagnetic field lines
Биркеландский ток (также известный как ток, выровненный по полю) – это набор электрических токов, которые текут вдоль линий геомагнитного поля, соединяющих магнитосферу Земли с ионосферой Земли на высоких широтах. В магнитосфере Земли эти токи обусловлены солнечным ветром и межпланетным магнитным полем, а также объемными движениями плазмы в магнитосфере (конвекцией, косвенно вызванной межпланетной средой). Интенсивность биркеландских токов изменяется в зависимости от активности в магнитосфере (например, во время субштормов). Небольшие изменения в восходящих потоках (нисходящих потоках электронов) ускоряют магнитосферные электроны, которые, достигая верхней атмосферы, создают полярные сияния – северное (Бореалис) и южное (Австралис). В ионосфере высоких широт (или в полярных зонах сияний) биркеландские токи замыкаются в области полярного электроструя, который течет перпендикулярно локальному магнитному полю в ионосфере. Биркеландские токи существуют в виде двух пар листов тока, выровненных по полю. Одна пара простирается от полудня через сумеречный сектор к полуночному сектору. Другая пара простирается от полудня через утренний сектор к полуночному сектору. Лист на стороне высоких широт полярной зоны называется листом тока Региона 1, а лист на стороне низких широт – листом тока Региона 2. Эти токи были предсказаны в 1908 году норвежским исследователем и физиком Кристианом Биркеландом, который совершил экспедиции к северу от Полярного круга для изучения полярных сияний. Он заново открыл, используя простые приборы для измерения магнитного поля, что при появлении полярного сияния стрелки магнитометров меняют направление, подтверждая результаты, полученные Андерсом Цельсием и его помощником Олофом Хьортером более чем за столетие до этого. Это могло означать лишь одно: в атмосфере над нами протекают токи. Он предположил, что Солнце каким-то образом излучает катодный луч, и частицы, которые сейчас известны как солнечный ветер, проникают в магнитное поле Земли и создают токи, тем самым вызывая полярные сияния. Эта точка зрения была отвергнута другими исследователями, но в 1967 году спутник, запущенный в область полярных сияний, показал, что токи, предсказанные Биркеландом, действительно существуют. В честь него и его теории эти токи названы биркеландскими токами. Хорошее описание открытий Биркеланда приводится в книге Яго. Эмеритированный профессор Лаборатории Альфвена в Швеции Карл Гунн Фальтаммар писал: «Причина, по которой биркеландские токи особенно интересны, заключается в том, что в плазме, вынужденной их переносить, они вызывают ряд физических процессов плазмы (волны, неустойчивости, образование мелких структур). Это, в свою очередь, приводит к таким последствиям, как ускорение заряженных частиц, как положительных, так и отрицательных, и разделение элементов (например, преимущественное выбрасывание ионов кислорода). Оба этих класса явлений представляют общий астрофизический интерес, выходящий далеко за рамки понимания космической среды нашей собственной Земли».
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."
Характеристики
Полярные потоки Биркеланда несут около 100 000 ампер в спокойные периоды и более 1 миллиона ампер в периоды геомагнитных возмущений. Биркеланд оценил токи "на высотах в несколько сотен километров и силой до миллиона ампер" в 1908 году. (подобно нестабильности Кельвина — Гельмгольца), что впоследствии приводит к образованию нитей. Такие вихри можно наблюдать в полярных сияниях в виде "полярных завитков". Токи Биркеланда также относятся к классу явлений плазмы, называемых z-щипком, получивших такое название из-за того, что азимутные магнитные поля, создаваемые током, сжимают его в нитевидный проводник. Этот проводник также может скручиваться, образуя спиральный щипок, который спирально закручивается, как скрученная или плетёная верёвка, и это наиболее точно соответствует току Биркеланда. Пары параллельных токов Биркеланда также будут взаимодействовать в соответствии с законом силы Ампера: параллельные токи Биркеланда, движущиеся в одном направлении, будут притягиваться друг к другу электромагнитной силой, обратно пропорциональной расстоянию между ними, в то время как параллельные токи Биркеланда, движущиеся в противоположных направлениях, будут отталкиваться друг от друга. Также существует круговая составляющая силы короткого радиуса действия между двумя токами Биркеланда, направленная противоположно силам большего радиуса действия. Электроны, движущиеся вдоль тока Биркеланда, могут ускоряться в плазменном двойном слое. Если полученные электроны приближаются к скорости света, они могут сформировать щипок Беннетта, который в магнитном поле заставляет электроны двигаться по спирали и излучать синхротронное излучение, включающее радиоволны, видимый свет, рентгеновские лучи и гамма-лучи.
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.
Пространственное распределение и реакции на нарушения солнечного ветра
Полярные потоки Биркеланда ограничены вдоль геомагнитного поля. Поэтому распределение тока в трехмерном пространстве можно в значительной степени описать, используя двухмерное распределение отпечатков тока на заданной высоте в ионосфере, например, на высоте 110 км. Классическое двухмерное описание было обобщено Идзимой и Потемой на основе спутниковых наблюдений. Отпечатки полярных потоков Биркеланда имеют кольцеобразную структуру. Поскольку эти потоки обусловлены солнечным ветром, их пространственное распределение и интенсивность динамически модулируются возмущениями солнечного ветра. При сильных возмущениях солнечного ветра кольца могут быстро смещаться на 10 градусов по широте примерно за 10 минут. В среднем, для сдвига по широте требуется 20 минут, чтобы отреагировать на изменение солнечного ветра днем, и 70–90 минут ночью.
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.