Birkeland aktuell - Wikipedia

Schematische Darstellung der Birkeland- oder Feldorientierten Ströme und der Ionosphärenstromsysteme, an die sie angeschlossen sind, Pedersen- und Hall-Ströme. ^[1]

Ein Birkeland-Strom ist ein Satz von Strömen, die entlang geomagnetischer Feldlinien fließen und die Magnetosphäre der Erde mit der Ionosphäre der hohen Breitengrade der Erde verbinden. In der Magnetosphäre der Erde werden die Ströme durch den Sonnenwind und das interplanetare Magnetfeld sowie durch Massenbewegungen des Plasmas durch die Magnetosphäre (Konvektion indirekt durch die interplanetare Umgebung) angetrieben. Die Stärke der Birkeland-Strömungen ändert sich mit der Aktivität in der Magnetosphäre (z. B. während der Stürme). Schwankungen in den Aufwärtsstromschichten (abwärts fließende Elektronen) beschleunigen magnetosphärische Elektronen, die, wenn sie die obere Atmosphäre erreichen, die Auroras Borealis und Australis erzeugen. In der Ionosphäre (oder Polarlichtzonen) mit hohem Breitengrad schließen sich die Birkeland-Strömungen durch den Bereich des Polarlichtstrahls, der senkrecht zum lokalen Magnetfeld in der Ionosphäre fließt. Die Birkeland-Strömungen treten in zwei Paaren von feldorientierten Strombögen auf. Ein Paar reicht vom Mittag über den Dämmerungssektor bis zum Mitternachtssektor. Das andere Paar erstreckt sich vom Mittag über den Sonnenaufgang bis zum Mitternachtssektor. Das Blatt auf der Seite des hohen Breitengrades der Aurora-Zone wird als aktuelles Blatt der Region 1 bezeichnet, und das Blatt auf der Seite des niedrigen Breitengrades wird als das aktuelle Blatt der Region 2 bezeichnet.

Die Strömungen wurden 1908 vom norwegischen Forscher und Physiker Kristian Birkeland vorhergesagt, der Expeditionen nördlich des Polarkreises unternahm, um die Aurora zu studieren. Mit einfachen Magnetfeldmessgeräten entdeckte er erneut, dass die Nadeln der Magnetometer beim Auftreten der Aurora ihre Richtung veränderten, was die Erkenntnisse von Anders Celsius und dem Assistenten Olof Hjorter vor mehr als einem Jahrhundert bestätigte. Dies kann nur bedeuten, dass in der darüber liegenden Atmosphäre Strömungen fließen. Er stellte die Theorie auf, dass die Sonne irgendwie einen Kathodenstrahl ausstrahlte, ^[2][3] und Korpuskeln von dem, was heute als Sonnenwind bekannt ist, in das Magnetfeld der Erde eindrangen und Ströme bildeten, wodurch die Aurora erzeugt wurde. Diese Ansicht wurde von anderen Forschern verachtet, ^[4] aber 1967 zeigte ein Satellit, der in die Polarlichtregion gestartet war, dass die von Birkeland gesetzten Strömungen existierten. Ihm und seiner Theorie zu Ehren heißen diese Strömungen Birkeland-Strömungen. Eine gute Beschreibung der Entdeckungen von Birkeland findet sich in dem Buch von Jago. ^[5]

Professor Emeritus des Alfvén-Laboratoriums in Schweden, Carl-Gunne Fälthammar, schrieb: ^[6] "Ein Grund warum Birkeland-Ströme sind besonders interessant, da sie im Plasma zu deren Durchführung gezwungen werden, eine Reihe von physischen Prozessen des Plasmas (Wellen, Instabilitäten, Feinstrukturbildung) auslösen, die wiederum zu Konsequenzen wie Beschleunigung geladener Teilchen führen positiv und negativ sowie Elemententrennung (wie der bevorzugte Ausstoß von Sauerstoffionen). Beide Phänomenklassen sollten ein allgemeines astrophysikalisches Interesse haben, das weit über das Verständnis der Weltraumumgebung unserer eigenen Erde hinausgeht. "

Auroralähnliche Birkeland-Strömungen, die vom Wissenschaftler Kristian Birkeland in seiner Terrella mit einer magnetisierten Anodenkugel in einer evakuierten Kammer erstellt wurden.

Eigenschaften

Auroral Birkeland-Strömungen ungefähr 100.000 Ampere in ruhigen Zeiten ^[7] und mehr als 1 Million Ampere in geomagnetisch gestörten Zeiten. ^[8] Birkeland hatte geschätzte Strömungen "in Höhen von mehreren hundert Kilometern und Stärken von bis zu einer Million Ampere" im Jahr 1908. ^[3] Die ionosphärischen Ströme, die die feldorientierten Ströme verbinden, erwärmen die obere Atmosphäre aufgrund der endlichen Leitfähigkeit der Ionosphäre. Die Wärme (auch als Joulesche Wärme bezeichnet) wird vom Ionosphärenplasma auf das Gas der oberen Atmosphäre übertragen, das folglich steigt und den Luftwiderstand bei Satelliten in geringer Höhe erhöht.

Birkeland-Ströme können auch mit Multi-Terawatt-Impulsgeneratoren im Labor erzeugt werden. Das resultierende Querschnittsmuster weist auf einen hohlen Elektronenstrahl in Form eines Wirbelkreises hin, einer Formation, die Diocotron-Instabilität genannt wird (19659016) (ähnlich der Kelvin-Helmholtz-Instabilität), die anschließend zur Filamentation führt. Solche Wirbel können in Aurora als "Auroral Curls" gesehen werden. 19459030 [10]

Birkeland-Strömungen gehören auch zu einer Klasse von Plasmaphänomenen, die als Z-Pinch bezeichnet werden und daher als azimutale Magnetfelder bezeichnet werden durch den Strom wird der Strom in ein Fadenkabel geklemmt. Dies kann sich auch verdrehen und eine spiralförmige Quetschung erzeugen, die sich wie ein verdrilltes oder geflochtenes Seil windet, und dies entspricht am ehesten einer Birkeland-Strömung. Paare paralleler Birkeland-Strömungen werden auch aufgrund des Kraftgesetzes von Ampère in Wechselwirkung treten: Parallele Birkeland-Strömungen, die sich in dieselbe Richtung bewegen, ziehen sich mit einer elektromagnetischen Kraft an, die umgekehrt proportional zu ihrem Abstand ist, während parallele Birkeland-Strömungen, die sich in entgegengesetzte Richtungen bewegen, einander abstoßen. Zu der Kraft zwischen zwei Birkeland-Strömungen gibt es auch eine kurzreichweitige kreisförmige Komponente, die den längerfristigen parallelen Kräften entgegengesetzt ist. ^[11]

Elektronen, die sich entlang einer Birkeland-Strömung bewegen, können durch eine Beschleunigung beschleunigt werden Plasma-Doppelschicht. Wenn sich die resultierenden Elektronen der Lichtgeschwindigkeit annähern, können sie anschließend eine Bennett-Quetschung erzeugen, die in einem Magnetfeld bewirkt, dass sich die Elektronen spiralförmig bewegen und Synchrotronstrahlung abgeben, die Radio, sichtbares Licht, Röntgenstrahlen und Gammastrahlen umfassen kann.

Geschichte [ edit ]

Kristian Birkeland sagte die Aurora-Electrojets 1908 voraus. Er schrieb p. 95 ^[3] "Die Strömungen werden als hauptsächlich als Nebeneffekt der elektrischen Korpuskeln der aus dem Weltraum gezogenen Sonne heraus betrachtet und fallen daher unter die zweite der oben genannten Möglichkeiten." Und P. 105, "50a stellt diejenigen dar, in denen die Stromrichtungen im Sturmzentrum nach Westen gerichtet sind, und 50b diejenigen, in denen sich die Strömungen nach Osten bewegen".

Nachdem Kristian Birkeland 1908 erstmals vorgeschlagen hatte, "Strömungen dort [19459139"MankannsichvorstellendasssiehauptsächlichalsNebeneffektderelektrischenBlutkörperchenausderausdemWeltraumgezogenenSonneentstandensind"^[3] Die Geschichte scheint in der Politik zu stecken. ^[12] Birkelands Ideen wurden im Allgemeinen ignoriert einer alternativen Theorie des britischen Mathematikers Sydney Chapman ^[13]

Im Jahr 1939 förderte der schwedische Ingenieur und Plasmaphysiker Hannes Alfvén die Ideen von Birkeland in einer ^[14] über die Erzeugung des Stroms aus der Sonnenwind Rolf Boström, ein Kollege von Alfvén, verwendete 1964 auch feldorientierte Strömungen in einem neuen Modell von Aurora-Electrojets. ^[15]

Ein Beweis für Birkelands Theorie der Aurora kam nur, nachdem eine Sonde gesendet wurde in den Weltraum. Die entscheidenden Ergebnisse wurden vom US-Marine-Satelliten 1963-38C erhalten, der 1963 gestartet wurde und ein Magnetometer über der Ionosphäre trug. Im Jahr 1966 wurde Alfred Zmuda, J.H. Martin und F.T.Heuring ^[16] analysierten die Ergebnisse des Satellitenmagnetometers und berichteten über ihre Entdeckung magnetischer Störungen in der Aurora. 1967 schrieben Alex Dessler und der Student David Cummings einen Artikel ^[17] in dem er argumentierte, Zmuda et al. hatte feldorientierte Ströme festgestellt. Alfvén bestätigte später ^[18] dass Dessler "die Strömungen entdeckt hatte, die Birkeland vorhergesagt hatte" und sie als Birkeland-Dessler-Strömungen bezeichnet werden sollten. Das Jahr 1967 gilt daher als Datum, an dem Birkelands Theorie bestätigt wurde. Im Jahr 1969 verwendeten Milo Schield, Alex Dessler und John Freeman ^[19] zum ersten Mal den Namen "Birkeland-Strömungen". 1970 stellten Zmuda, Armstrong und Heuring ein weiteres Papier ^[20] in dem sie übereinstimmten, dass ihre Beobachtungen mit feldorientierten Strömungen kompatibel waren, wie von Cummings und Dessler und von Boström vorgeschlagen. ^[15]

Siehe auch [ edit ]

Referenzen [ edit ]

Die komplexen sich selbst einschränkenden magnetischen Feldlinien und Strompfade in einem Birkeland-Strom, die sich in einem Plasma entwickeln können (Abb. 15.3.2, Alfvén und Arrhenius 1976) ^[21]

1. ^ Le, G .; J. A. Slavin; R. J. Strangeway (2010). "Weltraumtechnologie 5 Beobachtungen der Unausgewogenheit der feldorientierten Ströme der Regionen 1 und 2 und ihre Auswirkungen auf die Pedersen-Ströme der Kreuzpolkappe". J. Geophys Res . 115 (A07202): n / a. Bibcode: 2010JGRA..115.7202L. Doi: 10.1029 / 2009JA014979.
   


2. ^ Birkeland, Kristian (1896). "Sur les rayons cathodiques sous l'action de force magnetiques intensiviert". Archives der Sciences Physiques . 4 : 497–512.
   


3. ^ ^{a b c c d} Birkeland, Kristian (1908). Die norwegische Aurora Polaris Expedition 1902-1903 . New York und Christiania (jetzt Oslo): H. Aschehoug & Co. vergriffen, Volltext online
   


4. Schuster, Arthur (März 1912). "(Artikelbezeichnung N / A)". Verfahren der Royal Society A . 85 (575): 44–50. Bibcode: 1911RSPSA..85 ... 44S. doi: 10.1098 / 1911.0019,
   


5. ^ Jago, Lucy (2001). Die Nordlichter: Wie ein Mann Liebe, Glück und Vernunft geopfert hat, um die Geheimnisse des Weltraums zu erschließen . Knopf. p. 320. ISBN 978-0-375-40980-6.
   


6. ^ Fälthammar, Carl-Gunne (Dezember 1986). "Magnetosphäre-Ionosphäre-Wechselwirkungen. Manifestationen des Plasma-Universums in der Nähe der Erde". IEEE-Transaktionen in der Plasmawissenschaft . PS-14 (6): 616–628. Bibcode: 1986ITPS ... 14..616F. doi: 10.1109 / TPS.1986.4316613.
   


7. ^ Suzuki, Akira; Naoshi Fukushima (1998). "Weltraumstrom um die Erde, der mit dem Ampère'schen Gesetz für die MAGSAT-Umlaufbahn und Daten erhalten wurde" (PDF) . Earth Planets Space . 50 (1): 43–56. Bibcode: 1998EP & S ... 50 ... 43S. doi: 10.1186 / bf03352085.
   


8. ^ Anderson, B. J .; J. b. Gary; T. A. Potemra; R. A. Frahm; J. R. Sharber; J. D. Winningham (1998). "UARS-Beobachtungen von Birkeland-Strömungen und Jouleschen Heizraten für den Sturm vom 4. November 1993". J. Geophys Res . 103 (A11): 26323–35. Bibcode: 1998JGR ... 10326323A. Doi: 10.1029 / 98JA01236.
   


9. ^ Plasmaphänomene - Instabilitäten Archiviert am 28.05.2014 an der Wayback Machine
   


10. ^ Pseudofarbe, Weißlichtbilder von Lockenformationen in Aurorabögen 3, 2005, an der Wayback Machine
    


11. Elektromagnetische Kräfte archiviert am 3. Oktober 2005, an der Wayback Machine
    


12. Brush, Stephen G. (Dezember 1992). "Alfvén-Programm für Physik im Sonnensystem". IEEE-Transaktionen in der Plasmawissenschaft . 20 (6): 577–589. Bibcode: 1992ITPS ... 20..577B. doi: 10.1109 / 27.199495.
    


13. ^ S. Chapman und J. Bartels, "Geomagnetism", Vol. 1 und 2, Clarendon Press, Oxford, 1940.
    


14. Alfvén, Hannes (1939), "Theorie der magnetischen Stürme und der Aurorae", K. Sven. 19459057 Vetenskapsakad. Handl ., Ser. 3, vol. 18, nein. 3, p. 1, 1939. Nachdruck mit Teilen von A. J. Dessler und J. Wilcox, Eos, Trans. Am. Geophys Un ., Vol. 51, p. 180, 1970.
    


15. ^ ^{a b} Boström R. (1964). "Ein Modell der Auroralen Electrojets". J. Geophys Res . 69 (23): 4983–4999. Bibcode: 1964JGR .... 69.4983B. doi: 10.1029 / JZ069i023p04983.
    


16. ^ Zmuda, Alfred; J.H. Martin & F. T. Heuring (1966). "Quermagnetische Störungen bei 1100 Kilometern in der Auroralregion". J. Geophys Res . 71 (21): 5033–5045. Bibcode: 1966JGR .... 71.5033Z. doi: 10.1029 / JZ071i021p05033.
    


17. ^ Cummings, W. D .; A. J. Dessler (1967). "Feldorientierte Ströme in der Magnetosphäre". J. Geophys Res . 72 (3): 1007–1013. Bibcode: 1967JGR .... 72.1007C. doi: 10.1029 / JZ072i003p01007.
    


18. ^ Alfvén, Hannes (1986). "Doppelschichten und Schaltungen in der Astrophysik". IEEE Trans. Plasma Sci . 14 (6): 779–793. Bibcode: 1986ITPS ... 14..779A. doi: 10.1109 / TPS.1986.4316626.
    


19. ^ Schields, M .; J. Freeman; A. Dessler (1969). "Eine Quelle für feldorientierte Strömungen in nördlichen Breitengraden". J. Geophys Res . 74 (1): 247–256. Bibcode: 1969JGR .... 74..247S. doi: 10.1029 / JA074i001p00247.
    


20. ^ Zmuda, A .; J. Armstrong; F. Heuring (1970). "Merkmale der transversalen magnetischen Störungen, die bei 1100 Kilometern im Auroraloval beobachtet wurden". J. Geophys Res . 75 (25): 4757–4762. Bibcode: 1970JGR .... 75.4757Z. doi: 10.1029 / JA075i025p04757.
    


21. ^ Alfvén, Hannes (1976). Evolution des Sonnensystems . Washington. DC, USA: Büro für wissenschaftliche und technische Information, National Aeronautics and Space Administration.
    

Weiterführende Literatur [ ]

• • Egeland, Alv, Burke, William J., (2005), Kristian Birkeland, der erste Weltraumforscher ^{dauerhafter toter Link} Springer S. 221, ISBN 1-4020-3293-5 [19659096PerattAnthony(1992)PhysikdesPlasma-Universums Birkeland Currents in Cosmic Plasma (S. 43-92), Springer-Verlag, ISBN 0-387-97575-6 und ISBN 3-540-97575-6 [1]
  
  
  • Ohtani, Shin-ichi; Ryoichi Fujii, Michael Hesse und Robert Lysak, Herausgeber (2000), Magnetosphärische Stromsysteme Am. Geophys Union, Washington, D. C., ISBN 0-87590-976-0.

  Journals

  • Rostoker, G .; Armstrong, J. C .; Zmuda, AJ (1975), Feldorientierter Stromfluss, der mit dem Eindringen des substormintensivierten nach Westen gerichteten Elektrojets in den Abendsektor verbunden ist ", J. Geophys. Res. Band 80 1 Sept. 1975, S. 3571-3579, Doi: 10.1029 / JA080i025p03571
  
  
  • Potemra, TA " Birkeland-Strömungen in der Magnetosphäre der Erde " aus einer Sonderausgabe von Astrophysik und Weltraum Science "Hannes Alfvén an seinem 80. Geburtstag gewidmet ( Astrophysics and Space Science Band 144 Nr. 1-2, Mai 1988, S. 155-169, Doi: 10.1007 / BF00793179
  
  
  • Alfvén, Hannes, Über die Filamentstruktur der Sonnenkorona (1963) Die Sonnenkorona ; Verfahren des IAU-Symposiums Nr. 16 in Cloudcroft, New Mexico, USA 28 30. August 1961. Herausgegeben von John Wainwright Evans, International Astronomical Union, Symposium Nr. 16, Academic Press, New York, 1963, S. 35
  
  
  • Alfvén, Hannes, Strömungen in der Sonnenatmosphäre und eine Theorie der Sonneneruptionen (März 1967)) Sonnenphysik V 1 2, S. 220–228, doi: 10.1007 / BF00150857
  
  
  • Alfvén, Hannes, Zur Bedeutung elektrischer Felder in der Magnetosphäre und im interplanetaren Raum (1967) Space Science Reviews Band 7 Ausgabe 2-3, S. 140–148, doi : 10.1007 / BF00215591
  
  
  • Carlqvist, P., Kosmische elektrische Ströme und die verallgemeinerte Bennett-Beziehung, Astrophysics and Space Science ( ISSN 0004-640X), vol. 144 Nr. 1-2, p. 73-84. (Mai 1988) doi: 10.1007 / BF00793173
  
  
  • Cloutier, P. A .; Anderson, H. R. Beobachtungen von Birkeland-Strömungen Space Science Reviews 17, p. 563-587, Mar.-Juni 1975, Doi: 10.1007 / BF00718585
  
  
  • Potemra, TA Beobachtung von Birkeland-Strömungen mit dem TRIAD-Satelliten, Astrophysics and Space Science 58 1 Sept. 1978, Doi: 10.1007 / BF00645387

  Externe Links [ ]