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Esquema de las corrientes de Birkeland o alineadas con el campo y los sistemas de corrientes ionosféricas a los que se conectan, las corrientes de Pedersen y Hall . [ 1 ] Una co...

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Esquema de las corrientes de Birkeland o alineadas con el campo y los sistemas de corrientes ionosféricas a los que se conectan, las corrientes de Pedersen y Hall . [ 1 ]

Una corriente de Birkeland (también conocida como corriente alineada con el campo, FAC) es un conjunto de corrientes eléctricas que fluyen a lo largo de las líneas del campo geomagnético que conectan la magnetosfera terrestre con la ionosfera de alta latitud . En la magnetosfera terrestre, las corrientes son impulsadas por el viento solar y el campo magnético interplanetario (FMI), así como por los movimientos de plasma a través de la magnetosfera (convección impulsada indirectamente por el entorno interplanetario). La intensidad de las corrientes de Birkeland varía con la actividad en la magnetosfera (por ejemplo, durante las subtormentas ). Las variaciones a pequeña escala en las láminas de corriente ascendentes (electrones que fluyen hacia abajo) aceleran los electrones magnetosféricos que, al llegar a la atmósfera superior, crean las auroras boreales y australes.

En la ionosfera de alta latitud (o zonas aurorales), las corrientes de Birkeland se cierran a través de la región del electrochorro auroral , que fluye perpendicular al campo magnético local en la ionosfera. Las corrientes de Birkeland ocurren en dos pares de láminas de corriente alineadas con el campo. Un par se extiende desde el mediodía a través del sector crepuscular hasta el sector de medianoche. El otro par se extiende desde el mediodía a través del sector del amanecer hasta el sector de medianoche. La lámina en el lado de alta latitud de la zona auroral se denomina lámina de corriente de la Región 1 y la lámina en el lado de baja latitud se denomina lámina de corriente de la Región 2. Junto con la corriente de anillo (parcial) , las corrientes de la Región 1 y la Región 2 forman el circuito de convección , que está asociado con el ciclo de Dungey . [ 2 ] En el lado diurno, alrededor del mediodía, se puede encontrar otro tipo de FAC: corrientes de la Región 0, que van y vienen del casquete polar ionosférico, cuya dirección está determinada por la dirección del IMF . [ 2 ]

Las corrientes fueron predichas en 1908 por el explorador y físico noruego Kristian Birkeland , quien realizó expediciones al norte del Círculo Polar Ártico para estudiar la aurora. Redescubrió, utilizando instrumentos sencillos de medición del campo magnético, que cuando aparecía la aurora, las agujas de los magnetómetros cambiaban de dirección, confirmando los hallazgos de Anders Celsius y su asistente Olof Hjorter más de un siglo antes. Esto solo podía implicar que existían corrientes fluyendo en la atmósfera superior. Birkeland teorizó que, de alguna manera, el Sol emitía un rayo catódico [ 3 ] [ 4 ] , y corpúsculos de lo que ahora se conoce como viento solar entraban en el campo magnético terrestre y creaban corrientes, generando así la aurora. Esta visión fue rechazada por otros investigadores [ 5 ] , pero en 1967 un satélite, lanzado a la región auroral, demostró la existencia de las corrientes postuladas por Birkeland. En su honor y en el de su teoría, estas corrientes se denominan corrientes de Birkeland. En el libro de Jago se ofrece una buena descripción de los descubrimientos de Birkeland. [ 6 ]

El profesor emérito del Laboratorio Alfvén en Suecia, Carl-Gunne Fälthammar, escribió: [ 7 ] «Una razón por la que las corrientes de Birkeland son particularmente interesantes es que, en el plasma obligado a transportarlas, provocan una serie de procesos físicos del plasma ( ondas , inestabilidades , formación de estructura fina). Estos, a su vez, dan lugar a consecuencias como la aceleración de partículas cargadas , tanto positivas como negativas, y la separación de elementos (como la eyección preferencial de iones de oxígeno). Ambas clases de fenómenos deberían tener un interés astrofísico general que va mucho más allá de la comprensión del entorno espacial de nuestra propia Tierra».

Corrientes de Birkeland similares a las auroras boreales, creadas por el científico Kristian Birkeland en su terrella , que cuenta con un globo de ánodo magnetizado en una cámara al vacío.

Características

Las corrientes aurorales de Birkeland transportan alrededor de 100 000 amperios durante períodos de calma [ 8 ] y más de 1 millón de amperios durante períodos de perturbación geomagnética. [ 9 ] Birkeland había estimado corrientes "a alturas de varios cientos de kilómetros y con intensidades de hasta un millón de amperios" en 1908. [ 4 ] Las corrientes ionosféricas que conectan las corrientes alineadas con el campo generan calentamiento Joule en la atmósfera superior. El calor se transfiere del plasma ionosférico al gas de la atmósfera superior, lo que, en consecuencia, provoca un ascenso y aumenta la resistencia aerodinámica sobre los satélites de baja altitud.

Las corrientes de Birkeland también pueden crearse en el laboratorio con generadores de potencia pulsada de varios teravatios . El patrón de sección transversal resultante indica un haz hueco de electrones en forma de círculo de vórtices , una formación denominada inestabilidad de diocotrón [ 10 ] (similar a la inestabilidad de Kelvin-Helmholtz ), que posteriormente conduce a la filamentación. Dichos vórtices pueden observarse en las auroras como "rizos aurorales" [ 11 ] .

Las corrientes de Birkeland también pertenecen a una clase de fenómenos de plasma denominados z-pinch , llamados así porque los campos magnéticos azimutales producidos por la corriente la comprimen formando un filamento. Este filamento puede retorcerse, creando un z-pinch helicoidal que se enrolla en espiral como una cuerda trenzada, lo que se corresponde estrechamente con una corriente de Birkeland. Los pares de corrientes de Birkeland paralelas interactúan debido a la ley de Ampère : las corrientes de Birkeland paralelas que se mueven en la misma dirección se atraen con una fuerza electromagnética inversamente proporcional a la distancia que las separa, mientras que las que se mueven en direcciones opuestas se repelen. Además, existe un componente circular de corto alcance en la fuerza entre dos corrientes de Birkeland, opuesto a las fuerzas paralelas de mayor alcance. [ 12 ]

Los electrones que se mueven a lo largo de una corriente de Birkeland pueden ser acelerados por una doble capa de plasma . Si los electrones resultantes se aproximan a la velocidad de la luz, pueden producir posteriormente un efecto Bennett , que en un campo magnético provoca que los electrones giren en espiral y emitan radiación sincrotrón que puede incluir ondas de radio , luz visible , rayos X y rayos gamma .

Distribución espacial y respuestas a las perturbaciones del viento solar

Las corrientes de Birkeland aurorales están confinadas al campo geomagnético. Por lo tanto, la distribución de la corriente en el espacio tridimensional podría describirse en gran medida utilizando la distribución bidimensional de las huellas de la corriente a una altitud determinada en la ionosfera, por ejemplo, 110  km. Una descripción bidimensional clásica fue resumida a partir de observaciones satelitales por Iijima y Potemra. [ 13 ] Las huellas de las corrientes de Birkeland aurorales presentan estructuras en forma de anillo. Dado que las corrientes son impulsadas por vientos solares, su distribución espacial e intensidad también se ven moderadas dinámicamente por las perturbaciones del viento solar. [ 14 ] Bajo perturbaciones intensas del viento solar, los anillos pueden desplazarse rápidamente 10 grados en latitud en aproximadamente 10 minutos. El desplazamiento latitudinal tarda en promedio 20 minutos en responder a un cambio del viento solar durante el día, pero entre 70 y 90 minutos por la noche. [ 15 ]

La densidad de corriente alineada con el campo en sus huellas ionopséricas (a unos 110 km de altitud) el 4 de junio de 2007, un día bajo perturbaciones moderadas del viento solar, predicha por el modelo de código abierto MFACE, [ 14 ] [ 16 ] según las condiciones del viento solar descargadas del servidor OMNI de la NASA. [ 17 ] MFACE es un modelo empírico extraído de 10 años de observaciones magnéticas de CHAMP. El intervalo de tiempo entre fotogramas adyacentes en esta película denota 5 minutos. Películas similares, pero bajo niveles de perturbación del viento solar tranquilos y activos, están disponibles, por ejemplo, en [ 18 ] .

Historia

Kristian Birkeland predijo los electrochorros aurorales en 1908. Escribió en la página 95 [ 4 ] : ​​«Se imagina que las corrientes allí se originaron principalmente como un efecto secundario de los corpúsculos eléctricos del sol atraídos desde el espacio, y hasta ahora se incluyen en la segunda de las posibilidades mencionadas anteriormente». Y en la página 105: «La figura 50a representa aquellas en las que las direcciones de la corriente en el centro de la tormenta se dirigen hacia el oeste, y la 50b aquellas en las que las corrientes se mueven hacia el este».

Después de que Kristian Birkeland sugiriera por primera vez en 1908 que "las corrientes allí [en la aurora] se imaginan como si hubieran surgido principalmente como un efecto secundario de los corpúsculos eléctricos del sol atraídos desde el espacio", [ 4 ] la historia parece haberse enredado en la política. [ 19 ] Las ideas de Birkeland fueron generalmente ignoradas en favor de una teoría alternativa del matemático británico Sydney Chapman . [ 20 ]

En 1939, el ingeniero y físico de plasma sueco Hannes Alfvén promovió las ideas de Birkeland en un artículo [ 21 ] publicado sobre la generación de la corriente a partir del viento solar. En 1964, uno de los colegas de Alfvén, Rolf Boström, también utilizó corrientes alineadas con el campo en un nuevo modelo de electrochorros aurorales . [ 22 ]

La prueba de la teoría de Birkeland sobre la aurora solo llegó después de que se enviara una sonda al espacio. Los resultados cruciales se obtuvieron del satélite de la Armada de los Estados Unidos 1963-38C, lanzado en 1963 y equipado con un magnetómetro por encima de la ionosfera . En 1966, Alfred Zmuda, JH Martin y FTHeuring [ 23 ] analizaron los resultados del magnetómetro del satélite e informaron sobre sus hallazgos de perturbación magnética en la aurora. En 1967, Alex Dessler y el estudiante de posgrado David Cummings escribieron un artículo [ 24 ] argumentando que Zmuda et al. habían detectado corrientes alineadas con el campo magnético. Posteriormente, Alfvén reconoció [ 25 ] que Dessler había "descubierto las corrientes que Birkeland había predicho" y que debían llamarse corrientes de Birkeland-Dessler. Por lo tanto, se toma 1967 como la fecha en que finalmente se reconoció la confirmación de la teoría de Birkeland. En 1969, Milo Schield, Alex Dessler y John Freeman [ 26 ] utilizaron por primera vez el nombre de "corrientes de Birkeland". En 1970, Zmuda, Armstrong y Heuring escribieron otro artículo [ 27 ] en el que coincidían en que sus observaciones eran compatibles con las corrientes alineadas con el campo, como sugirieron Cummings y Dessler y Boström. [ 22 ]

Véase también

Referencias

Las complejas líneas de campo magnético autoconstrictivas y las trayectorias de corriente en una corriente de Birkeland que pueden desarrollarse en un plasma (Figura 15.3.2, Alfvén y Arrhenius, 1976) [ 28 ]
  1. ↑ Le, G.; JA Slavin; RJ Strangeway (2010). "Observaciones de Space Technology 5 sobre el desequilibrio de las corrientes alineadas con el campo en las regiones 1 y 2 y su implicación en las corrientes de Pedersen que atraviesan el casquete polar" . J. Geophys. Res . 115 (A07202): A07202. Bibcode : 2010JGRA..115.7202L . doi : 10.1029/2009JA014979 .
  2. 1 2 Milan, SE; Clausen, LBN; Coxon, JC; Carter, JA; Walach, M.-T.; Laundal, K.; Østgaard, N.; Tenfjord, P.; Reistad, J.; Snekvik, K.; Korth, H.; Anderson, BJ (marzo de 2017). "Descripción general del acoplamiento viento solar–magnetosfera–ionosfera–atmósfera y la generación de corrientes magnetosféricas" . Space Science Reviews . 206 ( 1–4 ): 547–573 . Bibcode : 2017SSRv..206..547M . doi : 10.1007/s11214-017-0333-0 . hdl : 10852/63202 . ISSN 0038-6308 . 
  3. ^ Birkeland, Kristian (1896). "Sur les rayons cathodiques bajo la acción de fuerzas magnéticas intensas". Archives des Sciences Physiques . 4 : 497–512 .
  4. ^ Birkeland , Kristian (1908) . La expedición noruega Aurora Polaris 1902-1903 . Nueva York y Christiania (ahora Oslo): H. Aschehoug & Co.Agotado, texto completo en línea
  5. ↑ Schuster, Arthur (marzo de 1912). "(título del artículo N/A)" . Actas de la Royal Society A. 85 ( 575): 44– 50. Bibcode : 1911RSPSA..85...44S . doi : 10.1098/rspa.1911.0019 .
  6. ↑ Jago, Lucy (2001). Las auroras boreales: Cómo un hombre sacrificó el amor, la felicidad y la cordura para desvelar los secretos del espacio . Knopf. 320 págs . ISBN  978-0-375-40980-6.
  7. ↑ Fälthammar, Carl-Gunne (diciembre de 1986). "Interacciones magnetosfera-ionosfera. Manifestaciones cercanas a la Tierra del universo de plasma". IEEE Transactions on Plasma Science . PS-14 (6): 616– 628. Bibcode : 1986ITPS...14..616F . doi : 10.1109/TPS.1986.4316613 . S2CID 122813564 . 
  8. ↑ Suzuki, Akira; Naoshi Fukushima (1998). "Corriente espacial alrededor de la Tierra obtenida con la ley de Ampère aplicada a la órbita y los datos de MAGSAT" . Earth Planets Space . 50 (1): 43– 56. Bibcode : 1998EP & S...50...43S . doi : 10.1186/bf03352085 . S2CID 55733312 . 
  9. ↑ Anderson, BJ; J. b. Gary; TA Potemra; RA Frahm; JR Sharber; JD Winningham (1998). "Observaciones de UARS de las corrientes de Birkeland y las tasas de calentamiento Joule para la tormenta del 4 de noviembre de 1993" (PDF) . J. Geophys. Res . 103 (A11): 26323–35 . Bibcode : 1998JGR...10326323A . doi : 10.1029/98JA01236 .
  10. ↑ Fenómenos de plasma - inestabilidades Archivado el 28 de mayo de 2014 en Wayback Machine
  11. ↑ Imágenes en pseudocolor y luz blanca de formaciones en espiral en arcos aurorales. Archivado el 3 de mayo de 2005 en Wayback Machine.
  12. ↑ Fuerzas electromagnéticas. Archivado el 3 de octubre de 2005 en Wayback Machine.
  13. ^ Iijima, T.; Potemra, TA (1 de diciembre de 1976). "Corrientes alineadas con el campo en la cúspide diurna observadas por Triad" . Revista de investigaciones geofísicas . 81 (34): 5971– 5979. Bibcode : 1976JGR....81.5971I . doi : 10.1029/ja081i034p05971 . ISSN 0148-0227 . 
  14. 1 2 He, Maosheng; Vogt, Joachim; Lühr, Hermann; Sorbalo, Eugen; Blagau, Adrian; Le, Guan; Lu, Gang (septiembre de 2012). "Un modelo de alta resolución de corrientes alineadas con el campo a través del análisis de funciones ortogonales empíricas (MFACE)" . Geophysical Research Letters . 39 (18). Bibcode : 2012GeoRL..3918105H . doi : 10.1029/2012gl053168 . hdl : 2060/20140005564 . ISSN 0094-8276 . S2CID 51690849 .  
  15. ↑ He, Maosheng; Vogt, Joachim; Lühr, Hermann; Sorbalo, Eugen (julio de 2014). "Dinámica local resuelta en el tiempo de las corrientes alineadas con el campo y su respuesta a la variabilidad del viento solar" . Journal of Geophysical Research: Space Physics . 119 (7): 5305– 5315. Bibcode : 2014JGRA..119.5305H . doi : 10.1002/2014ja019776 . ISSN 2169-9380 . S2CID 129749917 .  
  16. ↑ He, Maosheng (7 de julio de 2019). "MFACE: Un modelo empírico para las corrientes alineadas con el campo de la aurora" . Harvard Dataverse. doi : 10.7910/DVN/GA5ZTO .{{cite journal}}: Para citar una revista se requiere |journal=( ayuda )
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  18. ↑ Evolución de la corriente auroral en niveles activos de actividad geomagnética , 2 de septiembre de 2015 , consultado el 26 de enero de 2022.
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  20. ↑ S. Chapman y J. Bartels, ''Geomagnetismo'', Vol. 1 y 2, Clarendon Press, Oxford, 1940.
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  22. 1 2 Boström R. (1964). "Un modelo de los electrochorros aurorales". J. Geophys. Res . 69 (23): 4983– 4999. Bibcode : 1964JGR....69.4983B . doi : 10.1029/JZ069i023p04983 .
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  24. ↑ Cummings, WD; AJ Dessler (1967). "Corrientes alineadas con el campo en la magnetosfera". J. Geophys. Res . 72 (3): 1007–1013 . Bibcode : 1967JGR....72.1007C . doi : 10.1029/JZ072i003p01007 .
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  28. ↑ Alfvén, Hannes (1976). Evolución del Sistema Solar . Washington, DC, EE. UU.: Oficina de Información Científica y Técnica, Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio.

Lecturas adicionales

Libros
  • Egeland, Alv, Burke, William J., (2005), Kristian Birkeland, El primer científico espacial , Springer págs. 221, ISBN  1-4020-3293-5
  • Peratt, Anthony (1992), Física del universo de plasma, Corrientes de Birkeland en el plasma cósmico (págs.  43-92), Springer-Verlag , ISBN 0-387-97575-6y ISBN 3-540-97575-6
  • Ohtani, Shin-ichi; Ryoichi Fujii, Michael Hesse y Robert Lysak, editores (2000), Sistemas de corrientes magnetosféricas , Am. Geophys. Union, Washington, DC, ISBN 0-87590-976-0.
Revistas
  • Rostoker, G.; Armstrong, JC; Zmuda, AJ (1975). "Flujo de corriente alineado con el campo asociado con la intrusión del electrochorro oeste intensificado por la subtormenta en el sector vespertino". J. Geophys. Res . 80 (25): 3571–3579 . Bibcode : 1975JGR....80.3571R . doi : 10.1029/JA080i025p03571 .
  • Potemra, TA (1988). "Corrientes de Birkeland en la magnetosfera terrestre". Astrofísica y Ciencias Espaciales . 144 ( 1– 2): 155– 169. Bibcode : 1988Ap & SS.144..155P . doi : 10.1007/BF00793179 . S2CID 122300686 . 
  • Alfvén, Hannes, Sobre la estructura filamentosa de la corona solar (1963) La corona solar ; Actas del Simposio n.º 16 de la IAU celebrado en Cloudcroft, Nuevo México, EE. UU., del 28 al 30 de agosto de 1961. Editado por John Wainwright Evans. Unión Astronómica Internacional. Simposio n.º 16, Academic Press, Nueva York, 1963, pág.  35.
  • Alfvén, Hannes (1967). "Corrientes en la atmósfera solar y una teoría de las erupciones solares". Física solar . 1 (2): 220– 228. Bibcode : 1967SoPh....1..220A . doi : 10.1007/BF00150857 . S2CID 121793611 . 
  • Alfvén, Hannes (1967). "Sobre la importancia de los campos eléctricos en la magnetosfera y el espacio interplanetario". Space Science Reviews . 7 ( 2– 3): 140– 148. Bibcode : 1967SSRv....7..140A . doi : 10.1007/BF00215591 . S2CID 121429602 . 
  • Carlqvist, P (1988). "Corrientes eléctricas cósmicas y la relación generalizada de Bennett". Astrofísica y Ciencias Espaciales . 144 ( 1– 2): 73– 84. Bibcode : 1988Ap & SS.144...73C . doi : 10.1007/BF00793173 . S2CID 119719745 . 
  • Cloutier, PA; Anderson, HR (1975). "Observaciones de las corrientes de Birkeland". Space Science Reviews . 17 ( 2– 4): 563– 587. Bibcode : 1975SSRv...17..563C . doi : 10.1007/BF00718585 . S2CID 120333079 . 
  • Potemra, TA (1978). "Observación de corrientes de Birkeland con el satélite TRIAD". Astrofísica y Ciencias Espaciales . 58 (1): 207– 226. Bibcode : 1978Ap & SS..58..207P . doi : 10.1007/BF00645387 . S2CID 119690162 . 
  • Fibras de plasma y paredes
  • Corrientes eléctricas y líneas de transmisión en el espacio
  • Universidad Johns Hopkins/Laboratorio de Física Aplicada. Corrientes de Birkeland globales.
  • Experimento de respuesta de la magnetosfera activa y la electrodinámica planetaria (Proyecto AMPERE)