ビルケランド海流

バークランド電流（磁力線に沿った電流、FACとも呼ばれる）は、地球の磁気圏と高緯度電離層を結ぶ地磁気力線に沿って流れる電流の集合です。地球の磁気圏では、これらの電流は太陽風と惑星間磁場（IMF）および磁気圏を通過するプラズマのバルク運動（惑星間環境によって間接的に駆動される対流）によって駆動されます。バークランド電流の強さは、磁気圏の活動（例えばサブストーム時）によって変化します。上向き電流シート（下向きに流れる電子）の小規模な変動は、磁気圏電子を加速させ、それが上層大気に到達すると、北極光と南極光を生成します。

高緯度電離層（またはオーロラ帯）では、バークランド電流は、電離層内の局所磁場に垂直に流れるオーロラエレクトロジェットの領域で閉じます。バークランド電流は、磁力線に沿った2組の電流シートで発生します。1組は正午から夕方セクターを経て真夜中セクターまで伸びています。もう1組は正午から夜明けセクターを経て真夜中セクターまで伸びています。オーロラ帯の高緯度側のシートは領域1電流シート、低緯度側のシートは領域2電流シートと呼ばれます。領域1電流と領域2電流は、（部分的な）リング電流とともに、ダンジーサイクルに関連する対流回路を形成します。^{[ 2 ]}昼側では、正午頃に別のタイプの FAC が見られます。それは、電離層極冠に出入りする領域 0 電流で、その方向はIMFの方向によって決まります。^{[ 2 ]}

オーロラを研究するために北極圏以北への探検を行ったノルウェーの探検家で物理学者のクリスティアン・ビルケランドは、 1908年に電流の存在を予言した。彼は、オーロラが現れると磁力計の針の方向が変わることを、単純な磁場測定装置を使って再発見し、1世紀以上前にアンデルス・セルシウスと助手オロフ・ヒョルターが発見したことを裏付けた。これは、上空の大気中に電流が流れていることを示唆するにしかならなかった。彼は、太陽が何らかの形で陰極線を放出し^{[ 3 ] [ 4 ]}、現在太陽風として知られているものからの微粒子が地球の磁場に入り込み、電流を作り出し、それによってオーロラが生成されるという理論を立てた。この見解は他の研究者から嘲笑されたが^{[ 5 ]}、1967年にオーロラ領域に打ち上げられた衛星が、ビルケランドが提唱した電流が存在することを示した。彼と彼の理論に敬意を表して、これらの海流はビルケランド海流と名付けられました。ビルケランドによる発見の詳しい説明は、ヤゴの著書に記載されています。^{[ 6 ]}

スウェーデンのアルヴェーン研究所の名誉教授、カール＝グンネ・フェルタマー氏は次のように書いています。^{[ 7 ]}「ビルケランド電流が特に興味深い理由は、それを運ぶプラズマ中で、多くのプラズマ物理プロセス（波動、不安定性、微細構造の形成）が発生するからです。これらは、正負両方の荷電粒子の加速や元素分離（酸素イオンの優先的な放出など）といった結果につながります。これらの2種類の現象は、地球の宇宙環境の理解にとどまらず、天体物理学的に広く関心を集めるはずです。」

オーロラのバークランド電流は、静穏時には約 100,000アンペア^{[ 8 ]}、地磁気擾乱時には 100 万アンペアを超える電流を流します。^{[ 9 ]}バークランドは 1908 年に「数百キロメートルの高さで、最大 100 万アンペアの強さ」の電流を推定しました。^{[ 4 ]}磁力線に沿った電流をつなぐ電離層電流は、上層大気でジュール加熱を引き起こします。熱は電離層プラズマから上層大気のガスに伝達され、その結果、ガスが上昇し、低高度衛星に対する抗力が増加します。

バークランド電流は、数テラワット級のパルス電力発生器を用いて実験室でも生成することができる。得られた断面パターンは、渦の円の形をした中空の電子ビームを示しており、これはダイオコトロン不安定性^{[ 10 ]} （ケルビン・ヘルムホルツ不安定性に類似）と呼ばれる形成であり、その後フィラメント化につながる。このような渦は、オーロラの中で「オーロラカール」として見ることができる。^{[ 11 ]}

バークランド電流は、 zピンチと呼ばれるプラズマ現象の一種でもあります。これは、電流によって生成される方位角磁場が電流をフィラメント状のケーブルに挟み込むことから名付けられました。このケーブルはねじれることもあり、ねじれたり編み込まれたりしたロープのように螺旋状に巻かれたらせん状のピンチを生じさせます。これはバークランド電流に最も近いものです。平行なバークランド電流のペアは、アンペールの法則によって相互作用します。同じ方向に移動する平行なバークランド電流は、互いに距離に反比例する電磁力で引き合いますが、反対方向に移動する平行なバークランド電流は互いに反発します。また、2つのバークランド電流間の力には、長距離の平行力とは逆の短距離の円形成分もあります。^{[ 12 ]}

バークランド電流に沿って移動する電子は、プラズマ二重層によって加速されることがある。その結果生じた電子が光速に近づくと、ベネットピンチが発生し、磁場中で電子が螺旋状に回転して、電波、可視光線、X線、ガンマ線などのシンクロトロン放射を放出する可能性がある。

オーロラ・バークランド電流は地磁気場に沿って制約される。そのため、電流の3次元空間における分布は、電離層内の特定の高度（例えば110  km）における電流のフットプリントの2次元分布を用いて概ね記述することができる。古典的な2次元記述は、飯島とポテムラによって衛星観測からまとめられた。^{[ 13 ]}オーロラ・バークランド電流のフットプリントは環状構造を示す。電流は太陽風によって駆動されるため、その空間分布と強度も太陽風擾乱によって動的に調整される。^{[ 14 ]}強い太陽風擾乱の下では、環状構造は10分程度で緯度方向に10度も急速に移動することがある。緯度方向の移動は、日中は太陽風の変化に平均20分で反応するが、夜間は70～90分かかる。^{[ 15 ]}

クリスティアン・ビルケランドが1908年に「オーロラの電流は、主に太陽から宇宙空間に引き込まれた電気粒子の二次的な影響として生じたと考えられている」^{[ 4 ]}と初めて提唱して以来、この話は政治的な問題に巻き込まれてしまったようだ。^{[ 19 ]}ビルケランドの考えは、イギリスの数学者シドニー・チャップマンによる別の理論が支持され、一般的に無視された。^{[ 20 ]}

1939年、スウェーデンのエンジニアでプラズマ物理学者のハンネス・アルヴェーンは、太陽風からの電流生成に関する論文^{[ 21 ]}でビルケランドの考えを提唱した。1964年には、アルヴェーンの同僚の一人であるロルフ・ボストロムも、オーロラのエレクトロジェットの新しいモデルで磁力線に沿った電流を使用した^{[ 22 ]}。

ビルケランドのオーロラ理論の証明は、探査機が宇宙に送られた後に初めて得られた。決定的な結果は、1963年に打ち上げられ、電離層上空に磁力計を搭載した米海軍の衛星1963-38Cから得られた。1966年、アルフレッド・ズムダ、JHマーティン、FTHeuring ^{[ 23 ]}は衛星の磁力計の結果を分析し、オーロラにおける磁気擾乱の発見を報告した。1967年、アレックス・デッスラーと大学院生のデイビッド・カミングスは、ズムダらが磁力線に沿った電流を検出したと主張する論文^{[ 24 ]を書いた。アルヴェーンはその後[ 25 ]} 、デッスラーが「ビルケランドが予測した電流を発見した」ことを認め、それらはビルケランド＝デッスラー電流と呼ばれるべきだと述べた。したがって、1967年は、バークランドの理論が最終的に正当であると認められた年とみなされている。1969年に、ミロ・シールド、アレックス・デッスラー、ジョン・フリーマン^{[ 26 ]}は、「バークランド電流」という名称を初めて使用した。1970年、ズムダ、アームストロング、ヒューリングは別の論文^{[ 27 ]を発表し、彼らの観測結果はカミングスとデッスラー、そしてボストロム[ 22 ]}が示唆した磁場に沿った電流と一致することに同意した。

• 電磁気
• 磁気流体力学
• 地磁気ジャーク（地磁気永年変化インパルス）
• 地電流によって誘発される地表電流、またはバークランド電流の地表部分
• プラズマ宇宙論によれば、バークランド電流は銀河レベルで発生し、銀河の形成において重要な役割を果たしている。

本

• Egeland、Alv、Burke、William J.、(2005)、Kristian Birkeland、『The First Space Scientist』、Springer、221 ページ、ISBN  1-4020-3293-5
• Peratt, Anthony (1992), Physics of the Plasma Universe, Birkeland Currents in Cosmic Plasma (p.  43-92), Springer-Verlag , ISBN 0-387-97575-6ISBN​ 3-540-97575-6
• 大谷慎一、藤井良一、マイケル・ヘッセ、ロバート・ライサック編（2000）『磁気圏電流システム』米国地球物理学連合、ワシントンDC、ISBN 0-87590-976-0。

ジャーナル

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• Potemra, TA (1988). "地球磁気圏におけるバークランド電流".天体物理学と宇宙科学. 144 ( 1– 2): 155– 169. Bibcode : 1988Ap & SS.144..155P . doi : 10.1007/BF00793179 . S2CID 122300686 . 
• アルヴェーン、ハンネス、「太陽コロナのフィラメント構造について」 （1963年）『太陽コロナ』、1961年8月28日～30日に米国ニューメキシコ州クラウドクロフトで開催された国際天文学連合シンポジウム第16回会議録。ジョン・ウェインライト・エヴァンス編。国際天文学連合シンポジウム第16回、アカデミック・プレス、ニューヨーク、1963年、 35ページ
• アルヴェーン、ハネス（1967 ） 。 「太陽大気中の電流と太陽フレアの理論」。太陽物理学。1 （ 2）：220–228。Bibcode：1967SoPh....1..220A。doi：10.1007 / BF00150857。S2CID 121793611。 
• アルヴェーン、ハネス（1967 ） 。「磁気圏および惑星間空間における電場の重要性について」。Space Science Reviews。7 （ 2–3 ）：140–148。Bibcode：1967SSRv.... 7..140A。doi：10.1007 / BF00215591。S2CID 121429602。 
• Carlqvist, P (1988). 「宇宙電流と一般化されたベネット関係」.天体物理学と宇宙科学. 144 ( 1– 2): 73– 84. Bibcode : 1988Ap & SS.144...73C . doi : 10.1007/BF00793173 . S2CID 119719745 . 
• Cloutier, PA; Anderson, HR (1975). "バークランド海流の観測". Space Science Reviews . 17 ( 2–4 ): 563–587 . Bibcode : 1975SSRv...17..563C . doi : 10.1007/BF00718585 . S2CID 120333079 . 
• Potemra, TA (1978). "TRIAD衛星によるバークランド海流の観測".天体物理学と宇宙科学. 58 (1): 207–226 . Bibcode : 1978Ap & SS..58..207P . doi : 10.1007/BF00645387 . S2CID 119690162 . 

• プラズマ繊維と壁
• 宇宙における電流と送電線
• ジョンズ・ホプキンス大学／応用物理研究所。グローバル・バークランド海流
• 活動的な磁気圏と惑星電気力学応答実験（プロジェクトAMPERE）