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白克兰电流

白克兰电流是沿着联结地球磁层的磁场线流进地球高纬度电离层的一股电流。在地球的磁层，这股电流由太阳风和行星际磁场以及体积庞大的等离子体驱动着（由行星际磁场间接的驱动着它们的对流）。白克兰电流的强度与磁层中的活动一起变化（例如在副暴（英语：Substorm）期间）。在朝上的电流片（电子向下流动）中小尺度的扰动加速磁层中的电子，当它们抵达大气层的上层，就会创造出极光（南极光和北极光）。在高纬度的点离层（或极光带），白克兰电流经由在该区电离层垂直于磁场线的极光电喷（英语：Electrojet）接通。两对白克兰电流在场匹配电流片中成对的出现，一对由正午处通过黄昏侧延伸到子夜处，另一对从正午区经由黎明侧也延伸到子夜区。在极光带高纬度这一侧的电流片称为第一区，低纬度那一侧的电流片称为第二区。

白克兰电流或场匹配电流与电离层电流系统联结的示意图[1]。

这种电流是曾经远征北极圈研究极光的挪威探险家兼物理学家克里斯汀·白克兰在1908年预测的。他使用简单的测量磁场仪器，重新发现安德斯·摄尔修斯和他的助理奥洛夫·约尔特（英语：Olof Hjorter）在一个多世纪前的发现：当极光出现时磁强计会改变方向。这可能只意味着电流在大气层之上流动，但他从理论上说明不知何故太阳会发出阴极射线[2][3]，和从现在被称太阳风的粒子进入地球的磁场并创造出电流，从而产生极光。这种看法受到当时其他的研究者蔑视[4]，但在1967年，一颗卫星被发射进入极光带，显示白克兰预测的电流确实存在。为了尊崇他和他的理论，这种电流被命名为白克兰电流。在露西·贾戈的书中对白克兰电流的发现有着很好的说明[5]。

瑞典阿尔芬实验室的名誉教授卡尔-贡内·菲尔塔马（英语：Carl-Gunne Fälthammar）写道[6]："为什么对白克兰电流特别感兴趣？是因为等离子体被迫携带它们，而它们会导致大量的物理过程（波（英语：Waves in plasmas）、不稳定性、精细结构的形成）。这些又回过头来导致像是包括正和负的带电粒子加速（英语：Plasma acceleration）、和元素分离（像是氧离子的差别弹射）。了解这两类现象在天文物理上获得的利益远超过了解我们地球自己的太空环境。"

科学家克里斯汀·白克兰在真空室中以磁化的小球地球仪做正极，创造出与极光类似的白克兰电流。

特性

在宁静时期的白克兰电流携带着约10万安培的电流[7]，而在地磁扰动期间的电流会超过100万安培[8]。白克兰在1908年就曾估计电流的高度在"几百公里，并且强度达到百万安培"[3]。电离层的电流与场匹配电流的联结使上层的大气层因为电离层有限的导电率而被加热。这些热（也就是焦耳热）从电离层的等离子体转移给较上层大气层的气体，这些气体会上升和增加低空人造卫星所受到的阻尼。

白克兰电流也可以在实验室中使用多亿万瓦脉冲（英语：Pulsed power）发电机组创造出来。这结果产生的截面模式显示在形成的涡旋中有一个中空的电子束，称为Diocotron不稳定性（英语：diocotron instability）[9]（类似开尔文-亥姆霍兹不稳定，但并不相同），随后就导致纤维化。这种涡旋可以视为在极光中的"极光卷发" [10]。

白克兰电流也是等离子体现象中被称为Z箍缩（英语：Z-pinch）的一类，所以这样命名是因为产生水平的磁场在Z轴的方向上产生对电流的箍缩，使电流成为丝状的缆索。这也可以扭绞，产生像编织绳子的螺旋扭曲，而这最近似于白克兰电流。平行且成对的白克兰电流也由安培力定律进行相互作用：朝着相同方向运动，平行的白克兰电流将因为与距离成反比的电磁力互相吸引；但移动方向相反，平行的白克兰电流将会互相排斥。在两股方向相反远距作用平行力的白克兰电流之间也有短距的圆形元件作用力[11]。

沿着白克兰电流移动的电子可能会受到双层（英语：Double layer (plasma physics)）等离子体的加速。如果此结果导致电子接近相对论速度（即如果它们的速度接近光速），它们随后可能会产生本内特纠结（英语：Bennett pinch）（Bennett pinch），会在磁场内造成电子螺旋和发出同步辐射，包括无线电波、光学（即可见光）、和伽马射线。

空间分布和对太阳风的响应

 
在电离层高度上，场向电流在2007年6月4日的变化。该日太阳风出于中等演化水平。该动画是开源模式MFACE的预测[12][13]，基于NASA OMNI 提供的太阳风参数。 MFACE是基于CHAMP卫星积累十年的磁场观测而构建的场向电流经验模型。该动画相邻两帧的时间间隔代表5分钟。

白克兰电流是沿着地球磁场的磁力线分布的。由于地球磁场在大尺度上是稳定可预测的，如果知道了白克兰电流在某一高度的强度分布，也就能推算出其在三维空间的强度分布。因此，Iijima and Potemra用白克兰电流电流在电流层高度（比如110km高度）的投影来概况其空间分布[12]。在电流层高度上，白克兰电流呈现出环状结构。该电流分布对太阳风扰动非常敏感[13]。在扰动强烈的情况下，该电流分布可以在10分钟内在子午向变化10°纬度。该子午向变化对太阳风的响应呈现出延时，在正午时段大概花费20分钟，而在子夜附近需要花费70到90分钟[14]。

历史

 
克里斯丁·白克兰在1908年预言极光内有电子。他在第95页[3]写道："那里的电流被想像成是由太阳延伸出来的带电微粒进入所引发的主要次级效应，和到目前为止如前为所述的第二种可能性"。和第105页："图50a代表了在风暴中心的电流走向是西向的，和图50b的电流是向东移动的。

克里斯丁·白克兰在1908年首度建议在极光里的电流被想像成是由太阳延伸出来的带电微粒进入所引发的主要次级效应[3]，这个说法似乎成为不切实际的说法[15]。白克兰的想法通常都被忽略，而来自一位英国数学家悉尼·查普曼（英语：Sydney Chapman (mathematician)）的理论却受到支持[16]。

在1939年，瑞典工程师兼等离子体物理学家汉斯·阿耳芬在一篇论为中推崇白克兰的想法[17]，发表电流产生自太阳风。在1964年，阿耳芬的同事，罗尔夫·波斯敦（Rolf Boström），也在新的极光电喷（英语：Electrojet）模型中使用场向电流[18]。

白克兰的极光理论在探测器进入太空之后终于得到证明。美国海军在1963年发射的卫星，1963-38C携带了磁强计探测电离层，得到了关键性的结果。在1966年，阿耳芬·史慕达（Alfred Zmuda）、马丁（J.H. Martin）、和海宁（F.T.Heuring）[19]分析了卫星磁强计的结果，并且报告它们发现磁场对极光造成的扰动。在1967年，亚力克斯·戴斯（Alex Dessler）和它的一位毕业学生大卫·卡明斯（David Cummings）写了一篇论文[20]，讨论史慕达等人发现的场向电流。阿耳芬事后认定[21]由戴斯"发现的电流是白克兰之前预测的"，它应该被称为白克兰·戴斯电流。因此，1967年是白克兰的理论终于被承认和获得正名的确实日期。在1969年，Milo Schield、亚力克斯·戴斯和约翰·弗里曼（John Freeman）[22]首度使用"白克兰电流"这个名称；在1970年，史慕达、阿姆斯壮（Armstrong）和海宁写了另一篇论文[23]同意他们观测到的场向电流和卡明斯、戴斯、和波斯敦所建议的是相容的[18]。

相关条目

参考资料

 
可能在等离子体内发展的白克兰电流内复杂的自缩磁场线和电流路径（图15.3.2，Alfvén and Arrhenius, 1976）[24]。
  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
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