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白克蘭電流

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白克蘭電流或場匹配電流與電離層電流系統聯結的示意圖[1]

白克蘭電流是沿著聯結地球磁層的磁場線流進地球高緯度電離層的一股電流。在地球的磁層,這股電流由太陽風行星際磁場以及體積龐大的電漿驅動著(由行星際磁場間接的驅動著它們的對流)。白克蘭電流的強度與磁層中的活動一起變化(例如在副暴英语Substorm期間)。在朝上的電流片(電子向下流動)中小尺度的擾動加速磁層中的電子,當它們抵達大氣層的上層,就會創造出極光(南極光和北極光)。在高緯度的點離層(或極光帶),白克蘭電流經由在該區電離層垂直於磁場線的極光電噴英语Electrojet接通。兩對白克蘭電流在場匹配電流片中成對的出現,一對由正午處通過黃昏側延伸到子夜處,另一對從正午區經由黎明側也延伸到子夜區。在極光帶高緯度這一側的電流片稱為第一區,低緯度那一側的電流片稱為第二區。

這種電流是曾經遠征北極圈研究極光的挪威探險家兼物理學家克里斯汀·白克蘭在1908年預測的。他使用簡單的測量磁場儀器,重新發現安德斯·攝爾修斯和他的助理奧洛夫·約爾特英语Olof Hjorter在一個多世紀前的發現:當極光出現時磁強計會改變方向。這可能只意味著電流在大氣層之上流動,但他從理論上說明不知何故太陽會發出陰極射線[2][3],和從現在被稱太陽風的粒子進入地球的磁場並創造出電流,從而產生極光。這種看法受到當時其他的研究者蔑視[4],但在1967年,一顆衛星被發射進入極光帶,顯示白克蘭預測的電流確實存在。為了尊崇他和他的理論,這種電流被命名為白克蘭電流。在露西·賈戈的書中對白克蘭電流的發現有著很好的說明[5]

瑞典阿爾芬實驗室的名譽教授卡爾-貢內·菲爾塔馬英语Carl-Gunne Fälthammar寫道[6]:"為甚麼對白克蘭電流特別感興趣?是因為電漿被迫攜帶它們,而它們會導致大量的物理過程(英语Waves in plasmas不穩定性、精細結構的形成)。這些又回過頭來導致像是包括正和負的帶電粒子加速英语Plasma acceleration、和元素分離(像是氧離子的差別彈射)。瞭解這兩類現象在天文物理上獲得的利益遠超過了解我們地球自己的太空環境。"

科學家克里斯汀·白克蘭在真空室中以磁化的小球地球儀做正極,創造出與極光類似的白克蘭電流。

特性[编辑]

在寧靜時期的白克蘭電流攜帶著約10萬安培的電流[7],而在地磁擾動期間的電流會超過100萬安培[8]。白克蘭在1908年就曾估計電流的高度在"幾百公里,並且強度達到百萬安培"[3]。電離層的電流與場匹配電流的聯結使上層的大氣層因為電離層有限的導電率而被加熱。這些熱(也就是焦耳熱)從電離層的電漿轉移給較上層大氣層的氣體,這些氣體會上升和增加低空人造衛星所受到的阻尼。

白克蘭電流也可以在實驗室中使用多億萬瓦脈衝英语Pulsed power發電機組創造出來。這結果產生的截面模式顯示在形成的渦旋中有一個中空的電子束,稱為Diocotron不穩定性英语diocotron instability[9](類似開爾文-亥姆霍茲不穩定,但並不相同),隨後就導致纖維化。這種渦旋可以視為在極光中的"極光卷髮" [10]

白克蘭電流也是電漿現象中被稱為Z箍縮英语Z-pinch的一類,所以這樣命名是因為產生水平的磁場在Z軸的方向上產生對電流的箍縮,使電流成為絲狀的纜索。這也可以扭絞,產生像編織繩子的螺旋扭曲,而這最近似於白克蘭電流。平行且成對的白克蘭電流也由安培力定律進行交互作用:朝著相同方向運動,平行的白克蘭電流將因為與距離成反比的電磁力互相吸引;但移動方向相反,平行的白克蘭電流將會互相排斥。在兩股方向相反遠距作用平行力的白克蘭電流之間也有短距的圓形元件作用力[11]

沿著白克蘭電流移動的電子可能會受到雙層英语Double layer (plasma physics)電漿的加速。如果此結果導致電子接近相對論速度(即如果它們的速度接近光速),它們隨後可能會產生本內特糾結英语Bennett pinch(Bennett pinch),會在磁場內造成電子螺旋和發出同步輻射,包括無線電波光學(即可見光)、和伽瑪射線

歷史[编辑]

克里斯丁·白克蘭在1908年預言極光內有電子。他在第95頁[3]寫道:"那裏的電流被想像成是由太陽延伸出來的帶電微粒進入所引發的主要次級效應,和到目前為止如前為所述的第二種可能性"。和第105頁:"圖50a代表了在風暴中心的電流走向是西向的,和圖50b的電流是向東移動的。

克里斯丁·白克蘭在1908年首度建議在極光裡的電流被想像成是由太陽延伸出來的帶電微粒進入所引發的主要次級效應[3],這個說法似乎成為不切實際的說法[12]。白克蘭的想法通常都被忽略,而來自一位英國數學家悉尼·查普曼英语Sydney Chapman (mathematician)的理論卻受到支持[13]

在1939年,瑞典工程師兼電漿物理學家漢斯·阿耳芬在一篇論為中推崇白克蘭的想法[14],發表電流產生自太陽風。在1964年,阿耳芬的同事,羅爾夫·波斯敦(Rolf Boström),也在新的極光電噴英语Electrojet模型中使用場向電流[15]

白克蘭的極光理論在探測器進入太空之後終於得到證明。美國海軍在1963年發射的衛星,1963-38C攜帶了磁強計探測電離層,得到了關鍵性的結果。在1966年,阿耳芬·史慕達(Alfred Zmuda)、馬丁(J.H. Martin)、和海寧(F.T.Heuring)[16]分析了衛星磁強計的結果,並且報告它們發現磁場對極光造成的擾動。在1967年,亞力克斯·戴斯(Alex Dessler)和它的一位畢業學生大衛·卡明斯(David Cummings)寫了一篇論文[17],討論史慕達等人發現的場向電流。阿耳芬事後認定[18]由戴斯"發現的電流是白克蘭之前預測的",它應該被稱為白克蘭·戴斯電流。因此,1967年是白克蘭的理論終於被承認和獲得正名的確實日期。在1969年,Milo Schield、亞力克斯·戴斯和約翰·弗里曼(John Freeman)[19]首度使用"白克蘭電流"這個名稱;在1970年,史慕達、阿姆斯壯(Armstrong)和海寧寫了另一篇論文[20]同意他們觀測到的場向電流和卡明斯、戴斯、和波斯敦所建議的是相容的[15]

相關條目[编辑]

參考資料[编辑]

可能在電漿內發展的白克蘭電流內複雜的自縮磁場線和電流路徑(圖15.3.2,Alfvén and Arrhenius, 1976)[21]
  1. ^ Le, G.; J. A. Slavin; R. J. Strangeway. 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. 2010, 115 (A07202). Bibcode:2010JGRA..11507202L. doi:10.1029/2009JA014979. 
  2. ^ Birkeland, Kristian. Sur les rayson cathodieques sous l'action de forces magnetiques intenses. Archives des Sciences Physiques. 1896, 4: 497–512. 
  3. ^ 3.0 3.1 3.2 3.3 Birkeland, Kristian. The Norwegian Aurora Polaris Expedition 1902-1903. New York and Christiania (now Oslo): H. Aschehoug & Co. 1908 (section 1), 1913 (section 2).  out-of-print, full text online
  4. ^ Schuster, Arthur. "(article title N/A)". Proceedings of the Royal Society A. March 1912, 85: 44–50. Bibcode:1911RSPSA..85...44S. doi:10.1098/rspa.1911.0019. 
  5. ^ Jago, Lucy. The Northern Lights: How One Man Sacrificed Love, Happiness and Sanity to Unlock the Secrets of Space. Knopf. 2001: 320. ISBN 0-375-40980-7. 
  6. ^ Fälthammar, Carl-Gunne. Magnetosphere-Ionosphere Interactions. Near Earth Manifestations of the Plasma Universe. IEEE Transactions on Plasma Science. Dec 1986, PS–14 (6): 616–628. Bibcode:1986ITPS...14..616F. doi:10.1109/TPS.1986.4316613. 
  7. ^ Suzuki, Akira; Naoshi Fukushima. Space current around the earth obtained with Ampère’s law applied to the MAGSAT orbit and data (PDF). Earth Planets Space. 1998, 50 (1): 43–56. Bibcode:1998EP&S...50...43S. 
  8. ^ Anderson, B. J.; J. b. Gary; T. A. Potemra; R. A. Frahm; J. R. Sharber; J. D. Winningham. UARS observations of Birkeland currents and Joule heating rates for the November 4, 1993, storm. J. Geophys. Res. 1998, 103 (A11): 26323–35. Bibcode:1998JGR...10326323A. doi:10.1029/98JA01236. 
  9. ^ Plasma phenomena - instabilities
  10. ^ Pseudo-color, white-light images of curl formations in auroral arcs
  11. ^ Electromagnetic Forces
  12. ^ Brush, Stephen G. Alfvén's Programme in Solar System Physics. IEEE Trans. Plasma Science. December 1992, 20 (6): 577. Bibcode:1992ITPS...20..577B. doi:10.1109/27.199495. 
  13. ^ S. Chapman and J. Bartels, ‘’Geomagnetism,’’ Vol. 1 and 2, Clarendon Press, Oxford, 1940.
  14. ^ 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.
  15. ^ 15.0 15.1 Boström R. A Model of the Auroral Electrojets. J. Geophys. Res. 1964, 69 (23): 4983. Bibcode:1964JGR....69.4983B. doi:10.1029/JZ069i023p04983. 
  16. ^ Zmuda, Alfred; J.H. Martin and F.T.Heuring. Transverse Magnetic Disturbances at 1100 Kilometers in the Auroral Region. J. Geophys. Res. 1966, 71 (21): 5033–5045. Bibcode:1966JGR....71.5033Z. doi:10.1029/JZ071i021p05033. 
  17. ^ Cummings, W. D.; A. J. Dessler. Field‐Aligned Currents in the Magnetosphere. J. Geophys. Res. 1967, 72 (3): 1007–1013. Bibcode:1967JGR....72.1007C. doi:10.1029/JZ072i003p01007. 
  18. ^ Alfvén, Hannes. Double layers and circuits in astrophysics. IEEE Trans. Plasma Sci. 1986, 14: 779–793. Bibcode:1986ITPS...14..779A. doi:10.1109/TPS.1986.4316626. 
  19. ^ Schields, M.; J. Freeman; A. Dessler. A Source for Field‐Aligned Currents at Auroral Latitudes. J. Geophys. Res. 1969, 74 (1): 247–256. Bibcode:1969JGR....74..247S. doi:10.1029/JA074i001p00247. 
  20. ^ Zmuda, A.; J. Armstrong; F. Heuring. Characteristics of Transverse Magnetic Disturbances Observed at 1100 Kilometers in the Auroral Oval. J. Geophys. Res. 1970, 75 (25): 4757–4762. Bibcode:1970JGR....75.4757Z. doi:10.1029/JA075i025p04757. 
  21. ^ Alfvén, Hannes. Evolution of the Solar System. Washington. D.C., USA: Scientific and Technical Information Office, National Aeronautics and Space Administration. 1976. 

進階讀物[编辑]

書籍
期刊

外部連結[编辑]