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Corriente de Birkeland

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

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

En la ionosfera de alta latitud (o zonas aurorales), las corrientes de Birkeland pasan por la región del electrochorro auroral , que fluye perpendicularmente al campo magnético local en la ionosfera. Las corrientes de Birkeland se producen en dos pares de capas de corriente alineadas con el campo. Un par se extiende desde el mediodía a través del sector del anochecer hasta el sector de la medianoche. El otro par se extiende desde el mediodía a través del sector del amanecer hasta el sector de la medianoche. La capa en el lado de alta latitud de la zona auroral se conoce como la capa de corriente de la Región 1 y la capa en el lado de baja latitud se conoce como la capa de corriente de la Región 2.

Las corrientes fueron predichas en 1908 por el explorador y físico noruego Kristian Birkeland , quien emprendió expediciones al norte del Círculo Polar Ártico para estudiar la aurora. Redescubrió, utilizando instrumentos simples 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 las corrientes fluían en la atmósfera superior. Teorizó que de alguna manera el Sol emitía un rayo catódico, [2] [3] y corpúsculos de lo que ahora se conoce como viento solar entraron en el campo magnético de la Tierra y crearon corrientes, creando así la aurora. Esta visión fue despreciada por otros investigadores, [4] pero en 1967 un satélite, lanzado a la región auroral, demostró que las corrientes postuladas por Birkeland existían. En honor a él y su teoría, estas corrientes se denominan corrientes de Birkeland. Una buena descripción de los descubrimientos de Birkeland se da en el libro de Jago. [5]

El profesor emérito del Laboratorio Alfvén en Suecia, Carl-Gunne Fälthammar, escribió: [6] "Una razón por la que las corrientes de Birkeland son particularmente interesantes es que, en el plasma obligado a transportarlas, provocan que se produzcan una serie de procesos físicos plasmáticos ( ondas , inestabilidades , formación de estructuras finas). Estos a su vez conducen 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 mucho más allá del de comprender el entorno espacial de nuestra propia Tierra".

Corrientes de Birkeland similares a las aurorales creadas por el científico Kristian Birkeland en su terrella , que presenta un globo de ánodo magnetizado en una cámara evacuada.

Características

Las corrientes aurorales de Birkeland transportan alrededor de 100.000 amperios durante los períodos de calma [7] y más de un millón de amperios durante los períodos de perturbación geomagnética [8] . Birkeland había estimado corrientes "a alturas de varios cientos de kilómetros y con intensidades de hasta un millón de amperios" en 1908. [3] Las corrientes ionosféricas que conectan las corrientes alineadas con el campo dan lugar al calentamiento Joule en la atmósfera superior. El calor se transfiere del plasma ionosférico al gas de la atmósfera superior, que en consecuencia se eleva y aumenta la resistencia en los satélites de baja altitud.

Las corrientes de Birkeland también se pueden crear en el laboratorio con generadores de energía pulsada de varios teravatios . El patrón de sección transversal resultante indica un haz hueco de electrones en forma de un círculo de vórtices , una formación llamada inestabilidad del diocotrón [9] (similar a la inestabilidad de Kelvin-Helmholtz ), que posteriormente conduce a la filamentación. Dichos vórtices se pueden ver en la aurora como "rizos aurorales". [10]

Las corrientes de Birkeland también pertenecen a una clase de fenómenos de plasma llamados z-pinch , llamados así porque los campos magnéticos azimutales producidos por la corriente la pinzan en un cable filamentoso. Esto también puede torcerse, produciendo un pinzamiento helicoidal que se enrolla como una cuerda retorcida o trenzada, y esto se corresponde más estrechamente con una corriente de Birkeland. Los pares de corrientes de Birkeland paralelas también interactuarán debido a la ley de fuerza de Ampère : las corrientes de Birkeland paralelas que se mueven en la misma dirección se atraerán entre sí con una fuerza electromagnética inversamente proporcional a su distancia, mientras que las corrientes de Birkeland paralelas que se mueven en direcciones opuestas se repelerán entre sí. También hay un componente circular de corto alcance en la fuerza entre dos corrientes de Birkeland que es opuesto a las fuerzas paralelas de largo alcance. [11]

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

Distribución espacial y respuestas a las perturbaciones del viento solar

Las corrientes aurorales de Birkeland están limitadas a lo largo del 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 dada en la ionosfera, por ejemplo, 110 km. Iijima y Potemra resumieron una descripción bidimensional clásica a partir de observaciones satelitales. [12] Las huellas de las corrientes aurorales de Birkeland exhiben estructuras en forma de anillo. Como las corrientes son impulsadas por los vientos solares, su distribución espacial e intensidad también son moderadas dinámicamente por las perturbaciones del viento solar. [13] Bajo intensas perturbaciones del viento solar, los anillos pueden cambiar rápidamente 10 grados en latitud en aproximadamente 10 minutos. El cambio latitudinal demora en promedio 20 minutos para responder a un cambio del viento solar durante el día, pero 70-90 minutos por la noche. [14]

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 con perturbaciones moderadas del viento solar, predicha por el MFACE de código abierto, [13] [15] de acuerdo con las condiciones del viento solar descargadas del servidor OMNI de la NASA. [16] MFACE es un modo empírico extraído de 10 años de observaciones magnéticas CHAMP. El intervalo de tiempo entre fotogramas vecinos en esta película indica 5 minutos. Películas similares pero con niveles de perturbación del viento solar tranquilos y activos están disponibles en, por ejemplo, [17] .

Historia

Kristian Birkeland predijo los chorros de electricidad de las auroras en 1908. En la página 95 [3] escribió: "Se supone que las corrientes que se forman allí son principalmente un efecto secundario de los corpúsculos eléctricos del sol extraídos del espacio, y hasta ahora entran en la segunda de las posibilidades mencionadas anteriormente". Y en la página 105, "La figura 50a representa aquellas en las que las direcciones de las corrientes 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 "se supone que las corrientes allí [en la aurora] surgieron principalmente como un efecto secundario de los corpúsculos eléctricos del sol extraídos del espacio", [3] la historia parece haberse visto envuelta en política. [18] Las ideas de Birkeland fueron generalmente ignoradas a favor de una teoría alternativa del matemático británico Sydney Chapman . [19]

En 1939, el ingeniero y físico de plasma sueco Hannes Alfvén promovió las ideas de Birkeland en un artículo [20] publicado sobre la generación de 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 . [21]

La teoría de Birkeland sobre la aurora no se pudo demostrar hasta que se envió una sonda al espacio. Los resultados cruciales se obtuvieron con el satélite 1963-38C de la Marina de los EE. UU., lanzado en 1963 y que transportaba un magnetómetro sobre la ionosfera . En 1966, Alfred Zmuda, JH Martin y FTHeuring [22] 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 [23] en el que argumentaban que Zmuda y otros habían detectado corrientes alineadas con el campo. Alfvén reconoció posteriormente [24] que Dessler había "descubierto las corrientes que Birkeland había predicho" y que deberían llamarse corrientes Birkeland-Dessler. Por lo tanto, se considera que 1967 es la fecha en la que finalmente se reconoció que la teoría de Birkeland había quedado justificada. En 1969, Milo Schield, Alex Dessler y John Freeman [25] utilizaron por primera vez el nombre de "corrientes de Birkeland". En 1970, Zmuda, Armstrong y Heuring escribieron otro artículo [26] en el que coincidían en que sus observaciones eran compatibles con las corrientes alineadas con el campo, como sugirieron Cummings y Dessler y Boström. [21]

Véase también

Referencias

Las complejas líneas de campo magnético autoconstrictoras y trayectorias de corriente en una corriente de Birkeland que pueden desarrollarse en un plasma (Figura 15.3.2, Alfvén y Arrhenius, 1976) [27]
  1. ^ Le, G.; JA Slavin; RJ Strangeway (2010). "Tecnología espacial 5 observaciones del desequilibrio de las corrientes alineadas en el campo de las regiones 1 y 2 y su implicación en las corrientes de Pedersen de la capa polar cruzada". J. Geophys. Res . 115 (A07202): A07202. Bibcode :2010JGRA..115.7202L. doi : 10.1029/2009JA014979 .
  2. ^ Birkeland, Kristian (1896). "Sur les rayons cathodiques bajo la acción de fuerzas magnéticas intensas". Archives des Sciences Physiques . 4 : 497–512.
  3. ^ abcd Birkeland, Kristian (1908). La expedición noruega Aurora Polaris 1902-1903. Nueva York y Christiania (hoy Oslo): H. Aschehoug & Co.Agotado, texto completo en línea
  4. ^ 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 .
  5. ^ Jago, Lucy (2001). La aurora boreal: cómo un hombre sacrificó el amor, la felicidad y la cordura para descubrir los secretos del espacio . Knopf. pp. 320. ISBN 978-0-375-40980-6.
  6. ^ 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.
  7. ^ Suzuki, Akira; Naoshi Fukushima (1998). "Corriente espacial alrededor de la Tierra obtenida con la ley de Ampère aplicada a la órbita y los datos del MAGSAT". Earth Planets Space . 50 (1): 43–56. Bibcode :1998EP&S...50...43S. doi : 10.1186/bf03352085 . S2CID  55733312.
  8. ^ Anderson, BJ; J. b. Gary; TA Potemra; RA Frahm; JR Sharber; JD Winningham (1998). "Observaciones de las corrientes de Birkeland y las tasas de calentamiento de Joule de la tormenta del 4 de noviembre de 1993" (PDF) . J. Geophys. Res . 103 (A11): 26323–35. Bibcode :1998JGR...10326323A. doi :10.1029/98JA01236.
  9. ^ Fenómenos del plasma: inestabilidades Archivado el 28 de mayo de 2014 en Wayback Machine.
  10. ^ Imágenes en pseudocolor y luz blanca de formaciones de rizos en arcos aurorales Archivado el 3 de mayo de 2005 en Wayback Machine.
  11. ^ Fuerzas electromagnéticas Archivado el 3 de octubre de 2005 en Wayback Machine.
  12. ^ Iijima, T.; Potemra, TA (1 de diciembre de 1976). "Corrientes alineadas con el campo en la cúspide del lado diurno observadas por Triad". Revista de investigación geofísica . 81 (34): 5971–5979. Bibcode :1976JGR....81.5971I. doi :10.1029/ja081i034p05971. ISSN  0148-0227.
  13. ^ ab 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 en el campo mediante análisis empírico de funciones ortogonales (MFACE)". Geophysical Research Letters . 39 (18). Bibcode :2012GeoRL..3918105H. doi : 10.1029/2012gl053168 . hdl : 2060/20140005564 . ISSN  0094-8276. S2CID  51690849.
  14. ^ He, Maosheng; Vogt, Joachim; Lühr, Hermann; Sorbalo, Eugen (julio de 2014). "Dinámica resuelta en tiempo local de corrientes alineadas con el campo y su respuesta a la variabilidad del viento solar". Revista de investigación geofísica: Física espacial . 119 (7): 5305–5315. Bibcode :2014JGRA..119.5305H. doi :10.1002/2014ja019776. ISSN  2169-9380. S2CID  129749917.
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  16. ^ "SPDF - Servicio OMNIWeb". omniweb.gsfc.nasa.gov . Consultado el 26 de enero de 2022 .
  17. ^ Evolución de la corriente de aurora en niveles activos de actividad geomagnética , consultado el 26 de enero de 2022
  18. ^ Brush, Stephen G. (diciembre de 1992). "Programa de Alfvén en Física del Sistema Solar". IEEE Transactions on Plasma Science . 20 (6): 577–589. Bibcode :1992ITPS...20..577B. doi :10.1109/27.199495.
  19. ^ S. Chapman y J. Bartels, ''Geomagnetismo'', vol. 1 y 2, Clarendon Press, Oxford, 1940.
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  21. ^ ab Boström R. (1964). "Un modelo de los electrochorros aurorales". J. Geophys. Res . 69 (23): 4983–4999. Código Bibliográfico :1964JGR....69.4983B. doi :10.1029/JZ069i023p04983.
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  24. ^ Alfvén, Hannes (1986). "Capas dobles y circuitos en astrofísica". IEEE Trans. Plasma Sci . 14 (6): 779–793. Bibcode :1986ITPS...14..779A. doi :10.1109/TPS.1986.4316626. hdl : 2060/19870005703 . S2CID  11866813.
  25. ^ Schields, M.; J. Freeman; A. Dessler (1969). "Una fuente de corrientes alineadas con el campo en latitudes aurorales". J. Geophys. Res . 74 (1): 247–256. Bibcode :1969JGR....74..247S. doi :10.1029/JA074i001p00247.
  26. ^ Zmuda, A.; J. Armstrong; F. Heuring (1970). "Características de las perturbaciones magnéticas transversales observadas a 1100 kilómetros en el óvalo auroral". J. Geophys. Res . 75 (25): 4757–4762. Bibcode :1970JGR....75.4757Z. doi :10.1029/JA075i025p04757.
  27. ^ Alfvén, Hannes (1976). Evolución del sistema solar. Washington. DC, EE.UU.: Oficina de Información Científica y Técnica, Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio.

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