ビルケランド電流

ビルケランド電流（沿磁力線電流、FAC とも呼ばれる）は、地球の磁気圏と地球の高緯度電離層を結ぶ地磁気線に沿って流れる一連の電流である。地球の磁気圏内では、電流は太陽風と惑星間磁場(IMF) および磁気圏内のプラズマの全体運動 (惑星間環境によって間接的に駆動される対流) によって駆動される。ビルケランド電流の強さは磁気圏内の活動 (サブストーム時など) によって変化する。上向きの電流シート (下向きに流れる電子) の小規模な変動によって磁気圏電子が加速され、これが上層大気に到達すると北半球のオーロラと南半球のオーロラが発生する。

高緯度電離圏（またはオーロラ帯）では、ビルケランド電流がオーロラジェット電流の領域を通過し、電離圏の局所磁場に垂直に流れる。ビルケランド電流は、2 組の沿磁力線電流シートで発生する。1 組は正午から夕暮れセクターを通り、真夜中のセクターまで伸びている。もう 1 組は正午から夜明けセクターを通り、真夜中のセクターまで伸びている。オーロラ帯の高緯度側のシートは領域 1 電流シートと呼ばれ、低緯度側のシートは領域 2 電流シートと呼ばれる。領域 1 と領域 2 の電流は、（部分的な）リング電流とともに対流回路を形成し、ダンジー サイクルに関連付けられている。^[2]昼間側では、正午ごろに別のタイプの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]

この電流は、オーロラを調査するために北極圏の北まで遠征したノルウェーの探検家で物理学者のクリスティアン・ビルケランドによって1908年に予測されました。彼は、簡単な磁場測定機器を使用して、オーロラが現れると磁力計の針が方向を変えることを再発見し、1世紀以上前のアンネシュ・セルシウスと助手のオロフ・ヒョルターの発見を裏付けました。これは、上空の大気に電流が流れていることを意味しているに過ぎませんでした。彼は、太陽が何らかの方法で陰極線を放射し、^{[3] [4]}現在太陽風として知られている粒子が地球の磁場に入り込んで電流を作り出し、それによってオーロラが生成されるという理論を立てました。この見解は他の研究者によって軽蔑されましたが、^[5] 1967年にオーロラ領域に打ち上げられた衛星は、ビルケランドが仮定した電流が存在することを示しました。これらの電流はビルケランドと彼の理論に敬意を表してビルケランド電流と名付けられました。ビルケランドの発見については、ヤゴの著書に詳しく記載されています。^[6]

スウェーデンのアルヴェーン研究所の名誉教授であるカール・グンネ・フェルタマー氏は次のように書いている。^[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内で、それが多くのプラズマ物理プロセス（波、不安定性、微細構造の形成）を引き起こすからです。これらは次に、正と負の両方の荷電粒子の加速や元素分離（酸素イオンの優先放出など）などの結果をもたらします。これらの現象の両方のクラスは、地球の宇宙環境の理解をはるかに超えた一般的な天体物理学的関心を持つはずです。」

オーロラ・ビルケランド電流は、静穏時には約10万アンペア^[8]、地磁気が乱れた時には100万アンペア以上を運びます。^[9]ビルケランドは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]沿磁力線電流につながる電離層電流は、上層大気でジュール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、上層大気が上昇し、低高度の衛星の抗力が増加します。

ビルケランド電流は、マルチテラワットの パルス電力発生器を使用して実験室で生成することもできます。その結果生じる断面パターンは、渦の円の形をした中空の電子ビームを示し、これはディ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、その後フィラメント化につながります。このような渦は、オーロラでは「オーロラカール」として見ることができます。^[11]

ビルケランド電流は、 Zピンチと呼ばれるプラズマ現象の一種でもあり、電流によって生成される方位磁場が電流をフィラメント状のケーブルに挟むことからその名が付けられています。この電流はねじれることもあり、ねじれたロープや編んだロープのようにらせん状の挟み込みが生じます。これがビルケランド電流に最も近いものです。平行なビルケランド電流のペアもアンペールの力の法則により相互作用します。同じ方向に移動する平行なビルケランド電流は、その距離に反比例する電磁力で互いに引き合いますが、反対方向に移動する平行なビルケランド電流は互いに反発します。また、2つのビルケランド電流間の力には、長距離の平行力とは反対の短距離の円形成分があります。^[12]

ビルケ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可能性があります。その結果、電子が光速に近づくと、ベネットピンチが発生し、磁場内で電子がらせん状に回転し、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します。

オーロラ・ビルケランド電流は、地磁気に沿って制約される。したがって、3次元空間における電流の分布は、電離層の特定の高度、たとえば110 kmにおける電流の足跡の2次元分布を使用して、ほぼ説明できる。古典的な2次元の説明は、飯島とポテムラによる衛星観測からまとめられた。^[13]オーロラ・ビルケランド電流の足跡は、リング状の構造を示す。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の擾乱によって動的に緩和される。^[14]強い太陽風の擾乱の下では、リングは約10分で緯度10度急速に移動する可能性がある。緯度の移動は、日中は太陽風の変化に反応するのに平均20分かかるが、夜間は70～90分かかる。^[15]

1908年にクリスチャン・ビルケランドが「オーロラの電流は、主に宇宙から太陽から引き込まれた電気粒子の二次的影響として生じたと考えられている」と初めて示唆した後、^[4]、この話は政治的に泥沼にはまったようだ。^{[19]ビルケランドの考えは、イギリスの数学者}シドニー・チャップマンの代替理論に取って代わられ、一般的には無視された。^[20]

1939年、スウェーデンの技術者でプラズマ物理学者のハンネス・アルヴェーンは、太陽風からの電流の発生に関する論文^{[21]を発表し、ビルケランドの考えを広めました。1964年には、アルヴェーンの同僚の一人であるロルフ・ボストロームも、}オーロラの電気ジェットの新しいモデルで沿磁力線電流を使用しました^[22]。

ビルケランドのオーロラ理論の証明は、探査機が宇宙に送り込まれた後にのみ行われました。重要な結果は、1963年に打ち上げられ、電離層上に磁力計を搭載した米国海軍の衛星1963-38Cから得られました。1966年にアルフレッド・ズムダ、JHマーティン、FTヒューリング^[23]は衛星磁力計の結果を分析し、オーロラの磁気擾乱に関する発見を報告しました。1967年にアレックス・デスラーと大学院生のデイビッド・カミングスは、ズムダらが沿磁力線電流を検出したと主張する論文^{[24]を執筆しました。その後アルヴェンは、デスラーが「ビルケランドが予測した電流を発見した」ことを認め、それをビルケランド-デスラー電流と呼ぶべきであると述べました[25]}。したがって、1967年はビルケランドの理論が最終的に立証されたと認められた年とされています。 1969年にミロ・シールト、アレックス・デスラー、ジョン・フリーマン^[26]が初めて「ビルケランド電流」という名前を使用しました。1970年にズムダ、アームストロング、ヒューリングは別の論文^{[27]を書き、彼らの観測結果はカミングスとデスラー、およびボストローム[22]}が示唆した沿磁力線電流と一致することに同意しました。

• 電磁気
• 電磁流体力学
• 地磁気ジャーク（地磁気永年変化インパルス）
• 地電流誘導地電流またはビルケランド電流の地電流部分
• プラズマ宇宙論では、ビルケランド電流は銀河レベルで発生し、銀河の形成に重要であると主張している。

書籍

• Egeland, Alv、Burke, William J.、(2005)、Kristian Birkeland、The First Space Scientist ^{[ permanent dead link ‍ ]}、Springer pp. 221、ISBN 1-4020-3293-5 
• ペラット、アンソニー（1992）、プラズマ宇宙の物理学、宇宙プラズマのビルケランド電流（p.43-92）、シュプリンガー・フェアラーク、ISBN 0-387-97575-6およびISBN 3-540-97575-6 [1]  
• 大谷 真一、藤井 良一、Michael Hesse、Robert Lysak 編 (2000)、Magnetospheric Currents Systems、Am. Geophys. Union、ワシントン DC、ISBN 0-87590-976-0。 

ジャーナル

• Rostoker, G.; Armstrong, JC; Zmuda, AJ (1975). 「サブストームによって強化された西向きのジェット電流の夕方部への侵入に関連する沿磁力線電流」J. Geophys. Res . 80 (25): 3571–3579. Bibcode :1975JGR....80.3571R. doi :10.1029/JA080i025p03571.
• Potemra, TA (1988). 「地球磁気圏におけるビルケランド電流」.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状構造について」（1963 年）太陽コロナ；1961 年 8 月 28 ～ 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 IAU シンポジウム第 16 号の議事録。ジョン・ウェインライト・エバンス編。国際天文学連合。シンポジウム第 16 号、Academic Press、ニューヨーク、1963 年、p. 35
• アルヴェン、ハンネス (1967)。「太陽大気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  。
• アルヴェン、ハンネス(1967)。「磁気圏と惑星間空間における電界の重要性について」。宇宙科学レビュー。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). 「ビルケランド電流の観測」.宇宙科学レビュー. 17 (2–4): 563–587. Bibcode :1975SSRv...17..563C. doi :10.1007/BF00718585. S2CID  120333079.
• Potemra, TA (1978). 「TRIAD衛星によるビルケランド電流の観測」.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/応用物理学研究所 グローバル・ビルケランド・カレント
• 活性磁気圏および惑星電気力学応答実験 (プロジェクト AMPERE)