Úvodní strana  >  Články  >  Sluneční soustava  >  Výzkumy v AsÚ AV ČR (23): Analytický model Birkelandových proudů

Výzkumy v AsÚ AV ČR (23): Analytický model Birkelandových proudů

(Popiska obrázku v závěru článku) Autor: www.plasma-universe.com
(Popiska obrázku v závěru článku)
Autor: www.plasma-universe.com
Zemská magnetosféra je velkým rejdištěm elektricky nabitých částic, z nichž převážná část se sem dostává od Slunce prostřednictvím slunečního větru. Výstižný popis jejich pohybů má důležité aplikace pro pochopení dění v geomagnetických bouřích, jimiž jsou ovlivněny i lidské technologie. Marek Vandas z AsÚ publikoval práci, v níž představuje analytický model speciální konfigurace magnetických polí, jenž je použitelný pro popis Birkelandových proudů.

Zemská magnetosféra funguje proti nalétajícím nabitým částicím slunečního větru jako deštník. Zákony magnetohydrodynamiky nedovolují prostupovat těmto částicím napříč magnetickým polem, proud slunečního větru je tedy odkláněn kolem magnetosféry na její noční stranu, kde vlivem nestabilit v plazmovém ohonu tyto částice mohou tu a tam proniknout až do vnitřních částí magnetosféry. Tyto částice se nejčastěji vysypávají do zemské atmosféry v polárních oblastech, a mají-li dostatečně vysoké energie (alespoň 15 keV), excitují atomy a molekuly vysokých vrstev atmosféry a způsobují pouhým okem viditelné polární záře.

Na počátku 20. století norský fyzik a průzkumník Kristian Birkeland usoudil z měření aktuálního stavu magnetického pole Země v případě probíhající polární záře, že tento jev musí být spojen s elektrickými proudy ve vysokých vrstvách atmosféry. Jeho práce vzbudila v tehdejší odborné veřejnosti rozpaky a byla odmítnuta. V šedesátých letech však aurorálními oblastmi prolétala kosmická družice Transit 5E-1, která tyto elektrické proudy přímo změřila. Birkelandova hypotéza tak byla po více než půlstoletí rehabilitována jako zcela správná.

Výzkumníci jsou dnes zajedno: komplex proudů v zemské magnetosféře je udržován slunečním větrem a meziplanetárním magnetickým polem a také pohyby řídkého plazmatu ve vysokých vrstvách atmosféry (což má charakter konvekce opět nepřímo buzené meziplanetárním prostředím). Jako Birkelandovy se označují proudy tekoucí ve dvou párech proudových vrstev, jednom na denní a jednom na noční straně. Proudy v páru, které tečou podél zemského magnetického pole (tj. svisle) se dole v ionosféře uzavírají vodorovným proudem napříč magnetickému poli (aurorální elektrojet). Je-li magnetosféra v klidu, protékají systémem Birkelandovy proudy o hodnotě asi 100 000 ampérů. Porušenou magnetosférou (například během geomagnetické bouře) však teče proud i více než desetkrát větší. Magnetosférické plazma je nuceno proudy přenášet, v důsledku čehož dochází v těchto oblastech k velkému množství zajímavých jevů: ke vzniku plazmových vln, nestabilit, vzniku jemných struktur, k urychlování částic i elektroseparaci chemických prvků. Magnetosféra tak může sloužit jako obří laboratoř pro výzkum jevů v plazmatu.

Birkelandovy proudy mají tedy charakter dvou rovnoběžných proudových vrstev rovnoběžných současně s pozaďovým magnetickým polem Země. Tato konfigurace dlouhodobě zajímá i Marka Vandase. Ve spolupráci se zahraničním kolegou Eugenem Romashetsem tak odvodil analytické řešení této konfigurace, jež je vhodné pro studium nejrůznějších jevů, které v Birkelandových proudech probíhají. Analytické řešení narozdíl od řešení numerického (tedy s pomocí počítačů) je řešením přesným a navíc platným v každém bodě studovaného prostoru. I proto jsou analytická řešení mezi fyziky vždy obzvláště ceněna. M. Vandas ukazuje, že pro konfiguraci dvou proudových ploch s konečnou tloušťkou v podélném pozaďovém magnetickém poli je možné vypočítat analytický tvar tzv. Eulerových potenciálů, které nesou úplnou informaci o charakteru celkového magnetického pole, které řídí pohyb nabitých částic.

Kromě nalezení samotného řešení se autoři práce zabývali také studiem podmínek pro urychlování částic a vznik magnetických zrcadel. I tyto jevy se totiž v reálné magnetosféře pozorují. I proto je jejich výsledek široce použitelný pro popis Birkelandových proudů.


Poznámka k obrázku v úvodu článku: Kristian Birkeland nejenže vypracoval hypotézu, podle níž jsou polární záře důsledkem elektrických proudů ve vysoké atmosféře, ale dokonce zkonstruoval jejich funkční model. Jeho „terella“, tedy kulová anoda ve vakuové komoře odchylovala svazky elektronů stejně jako zemská magnetosféra a rozzářila zbytkový plyn v komoře v místech, kudy proud skutečně protékal.


Reference: Vandas, M. a Romashets, E. P., Euler potentials for two current sheets on nonzero thickness along ambient uniform magnetic fields, Journal of Geophysical Research: Space Physics 119 (2014) 2579-2592

Kontakt: RNDr. Marek Vandas, DrSc., vandas@asu.cas.cz

Převzato z webu Astronomického ústavu AV ČR.




Seriál

  1. Na čem se pracuje v Ondřejově (1): Objev prvních B[e] nadobrů v Galaxii v Andromedě
  2. Na čem se pracuje v Ondřejově (2): Meteority Příbram a Neuschwanstein nedoprovázejí malá tělesa
  3. Na čem se pracuje v Ondřejově (3): Cesta k seismologii slunečních protuberancí
  4. Na čem se pracuje v Ondřejově (4): Předpověď slupky v galaxii NGC3923: cesta k ověření alternativní teorie gravitace?
  5. Na čem se pracuje v Ondřejově (5): Zašpinění bílí trpaslíci s magnetickým polem
  6. Na čem se pracuje v Ondřejově (6): Proudění plazmatu kolem slunečních skvrn
  7. Výzkumy na AsÚ AV ČR (7): SPLAT - mocný nástroj pro zobrazení a jednoduchou analýzu spekter
  8. Výzkumy na AsÚ AV ČR (8): Druhotná tvorba hvězd ve vznikajících galaxiích a hmotných hvězdokupách
  9. Výzkumy na AsÚ AV ČR (9): Hvězda v prachové obálce v okolí černé veledíry
  10. Výzkumy na AsÚ AV ČR (10): Střižné proudění ve sluneční atmosféře jako generátor elektrického pole
  11. Výzkumy na AsÚ AV ČR (11): Komplikovaná rotace planetky Apophis ovlivňuje její let Sluneční soustavou
  12. Výzkumy na AsÚ AV ČR (12): Protony slunečního větru ve vzdálenosti jedné astronomické jednotky od Slunce
  13. Výzkumy na AsÚ AV ČR (13): Chladný plyn v mezigalaktickém prostoru vytržen z galaxie ESO 137-001
  14. Výzkumy v AsÚ AV ČR (14): Bílá erupce pozorovaná spektrografem IRIS
  15. Výzkumy v AsÚ AV ČR (15): Be hvězda v těsné dvojhvězdě s horkým podtrpaslíkem
  16. Výzkumy v AsÚ AV ČR (16): Vliv rotačního směšování a metalicity na ztrátu hmoty hvězdným větrem
  17. Výzkumy v AsÚ AV ČR (17): Osiřelé penumbry jako testovací materiál pro teorii slunečních skvrn
  18. Výzkumy v AsÚ AV ČR (18): Detailní modely gravitačního pole Země
  19. Výzkumy v AsÚ AV ČR (19): Nejpřesněji určené parametry binární planetky
  20. Výzkumy v AsÚ AV ČR (20): Jasná Perseida s neobvykle vysokou počáteční výškou
  21. Výzkumy v AsÚ AV ČR (21): Prostorové mapování galaktického centra pomocí rentgenové polarimetrie
  22. Výzkumy v AsÚ AV ČR (22): Vliv atmosféry a oceánů na polohu rotační osy Země
  23. Výzkumy v AsÚ AV ČR (23): Analytický model Birkelandových proudů
  24. Výzkumy v AsÚ AV ČR (24): Ověřování zákrytového modelu proměnných aktivních galaktických jader
  25. Výzkumy v AsÚ AV ČR (25): Urychlování elektronových svazků ve slunečních erupcích
  26. Výzkumy v AsÚ AV ČR (26): Jak rotují kometární meteoroidy?
  27. Výzkumy v AsÚ AV ČR (27): Odhalovaná tajemství hvězdy se závojem
  28. Výzkumy v AsÚ AV ČR (28): Hvězdný vítr v dvojhvězdě s kompaktní složkou
  29. Výzkumy v AsÚ AV ČR (29): Rozšiřování magnetických trubic nad slunečními aktivními oblastmi
  30. Výzkumy v AsÚ AV ČR (30): Jak souvisejí astrosféry a astroohony s urychlováním částic kosmického záření?
  31. Výzkumy v AsÚ AV ČR (31): Dlouhodobé změny aktivity kataklyzmické proměnné V1223 Sgr
  32. Výzkumy v AsÚ AV ČR (32): Upřesnění základních parametrů planetky Apophis
  33. Výzkumy v AsÚ AV ČR (33): Možnosti měření magnetických polí ve sluneční chromosféře, přechodové oblasti a koróně
  34. Výzkumy v AsÚ AV ČR (34): Oblak G2 přežil průlet kolem centra Galaxie a je zřejmě mladou hvězdou
  35. Výzkumy v AsÚ AV ČR (35): Mateřské těleso meteoritu Čeljabinsk opět neznámé
  36. Výzkumy v AsÚ AV ČR (36): Nové dvojhvězdy s horkou podtrpasličí hvězdou a vlastnosti této populace hvězd
  37. Výzkumy v AsÚ AV ČR (37): Rekonstrukce vzhledu aktivního galaktického jádra
  38. Výzkumy v AsÚ AV ČR (38): Simulace chování astrofyzikálního plazmatu v extrémních podmínkách
  39. Výzkumy v AsÚ AV ČR (39): Drakonidy 2011 z letadla
  40. Výzkumy v AsÚ AV ČR (40): Kapitoly v učebnici Asteroids IV i od pracovníků AsÚ
  41. Výzkumy v AsÚ AV ČR (41): Balíček programů pro analýzu nemaxwellovských rozdělovacích funkcí částic ve sluneční atmosféře
  42. Výzkumy v AsÚ AV ČR (42): Tajemná povaha rentgenového zdroje Her X-1
  43. Výzkumy v ASU AV ČR (43): Vznik penumbry sluneční skvrny v přímém přenosu
  44. Výzkumy v ASU AV ČR (44): Rekurentní novy v galaxii M 31
  45. Výzkumy v ASU AV ČR (45): Možná naleziště ropy v Perském zálivu z gravitačních modelů
  46. Výzkumy v ASU AV ČR (46): Mohou být hvězdné pulsace zdrojem proměnnosti hvězdného větru?
  47. Výzkumy v ASU AV ČR (47): O původu meteorického roje Kvadrantid
  48. Výzkumy v ASU AV ČR (48): ALMA bude pozorovat i Slunce
  49. Výzkumy v ASU AV ČR (49): Vliv rentgenového záření na charakter hvězdných větrů v dvojhvězdách s hmotnou komponentou
  50. Výzkumy v ASU AV ČR (50): Turbulence plazmatu a kinetické nestability v expandujícím slunečním větru
  51. Výzkumy v ASU AV ČR (51): Vzhled rázové vlny hvězdy při průletu kolem centra Galaxie
  52. Výzkumy v ASU AV ČR (52): Mění srážky tvar planetek?
  53. Výzkumy v ASU AV ČR (53): Udržely póry sluneční cyklus v době Maunderova minima?
  54. Výzkumy v ASU AV ČR (54): Supererupce na hvězdě DG CVn
  55. Výzkumy v ASU AV ČR (55): Souvislost oblaků CO s obálkami HI v Mléčné dráze
  56. Výzkumy v ASU AV ČR (56): Nárůst kontinua ve slunečních erupcích – nové možnosti jejich předpovědí?
  57. Výzkumy v ASU AV ČR (57): Katalog videí dokumentujících pád bolidu Čeljabinsk
  58. Výzkumy v ASU AV ČR (58): Tisícileté cykly střední výšky světového oceánu
  59. Výzkumy v ASU AV ČR (59): Model expanze oblaků ve slunečním větru
  60. Výzkumy v ASU AV ČR (60): Detekce dopadů zemských miniměsíců
  61. Výzkumy v ASU AV ČR (61): Lze ze spektra aktivního galaktického jádra usoudit na povahu jeho zdroje?
  62. Výzkumy v ASU AV ČR (62): Lze pozorovat ohřev koróny nanoerupcemi?
  63. Výzkumy v ASU AV ČR (63): Neobvyklá rotace trpasličí galaxie je důsledkem nedávné srážky
  64. Výzkumy v ASU AV ČR (64): Přímé pozorování klouzavé rekonexe dalekohledem GREGOR
  65. Výzkumy v ASU AV ČR (65): Složky těsné vizuální dvojhvězdy 1 Del rozlišeny spektroskopicky
  66. Výzkumy v ASU AV ČR (66): Příčky v galaxiích jako důsledek vzájemného slapového působení
  67. Výzkumy v ASU AV ČR (67): Neobvyklé chemické složení zašpiněného bílého trpaslíka
  68. Výzkumy v ASU AV ČR (68): Hustota průmětů drah umělých družic Země na zemském povrchu a přesnost parametrů gravitačního pole Země
  69. Výzkumy v ASU AV ČR (69): Vlastnosti plazmatu ve slunečních protuberancích
  70. Výzkumy v ASU AV ČR (70): Útok létajících hadů - mohou vodíkové proudy fragmentovat na izolované oblaky vodíku?
  71. Výzkumy v ASU AV ČR (71): Vlastnosti satelitů planetek
  72. Výzkumy v ASU AV ČR (72): Rentgenová aktivita polaru AM Herculis
  73. Výzkumy v ASU AV ČR (73): Analýza spektra bolidu Benešov
  74. Výzkumy v ASU AV ČR (74): Když gravitační síla soupeří s elektromagnetickou – Elektricky nabitá látka v okolí zmagnetizované černé díry
  75. Výzkumy v ASU AV ČR (75): Co nám říkají erupce A hvězd o korónách G hvězd?
  76. Výzkumy v ASU AV ČR (76): Deset let optických dosvitů gama záblesků dalekohledy BOOTES
  77. Výzkumy v ASU AV ČR (77): Zdroje záření Lyman-α: Klíč k pochopení minulosti vesmíru?


O autorovi

Michal Švanda

Michal Švanda

Doc. Mgr. Michal Švanda, Ph. D., (*1980) pochází z městečka Ždírec nad Doubravou na Českomoravské vrchovině, avšak od studií přesídlil do Prahy a jejího okolí. Vystudoval astronomii a astrofyziku na MFF UK, kde poté dokončil též doktorské studium ve stejném oboru. Zabývá se sluneční fyzikou, zejména dynamickým děním ve sluneční atmosféře, podpovrchových vrstvách a helioseismologií a aktivitou jiných hvězd. Pracuje v Astronomickém ústavu Akademie věd ČR v Ondřejově a v Astronomickém ústavu Matematicko-fyzikální fakulty Univerzity Karlovy v Praze, kde se v roce 2016 habilitoval. V letech 2009-2011 působil v Max-Planck-Institut für Sonnensystemforschung v Katlenburg-Lindau v Německu. Astronomií, zprvu pozorovatelskou, posléze spíše „barovou“, za zabývá od svých deseti let. Před začátkem pracovní kariéry působil v organizačním týmu Letní astronomické expedice na hvězdárně v Úpici, z toho dva roky na pozici hlavního vedoucího. Kromě astronomie se zajímá o letadla, zejména ta s více než jedním motorem a řadou okýnek na každé straně. Více o autorovi na jeho webových stránkách svanda.astronomie.cz.



49. vesmírný týden 2016

49. vesmírný týden 2016

Přehled událostí na obloze od 5. 12. do 11. 12. 2016. Měsíc bude v první čvrti, uvidíme Lunar X? Večer je krásně vidět Venuše na jihozápadě. Mars je výše a skoro nad jihem. Ráno je pěkně viditelný Jupiter. Slunce se po krátkém zvýšení aktivity opět uklidnilo. Poté, co došlo k selhání horního stupně rakety Sojuz, zřítila se nad Ruskem nákladní loď Progress, původně určená k zásobování ISS. Pokud se v tomto týdnu povede start japonské zásobovací lodi HTV, bude to pro osazenstvo stanice úplně v pohodě. Kromě tohoto startu se očekávají ještě další čtyři.

Další informace »

Česká astrofotografie měsíce

Planety

Hvězdy bloudivé, oběžnice, planety. Několik pojmenování téhož. Ostatně i řecké πλανήτης, neboli planétés, znamená vlastně „tulák“. Pro mnoho z nás obíhá kolem Slunce planet devět. Merkur, Venuše, Země, Mars, Jupiter, Saturn, Uran, Neptun a Pluto. Ovšem od roku 2006, od valného shromáždění

Další informace »

Poslední čtenářská fotografie

Za súmraku

Vrch Ostrá 1247mnm. Počas astronomického súmraku ešte posledné slnečné svetlo osvetľovalo horizont. Na fotke je vidieť Mesiac, Mars, Venušu a Mliečnu cestu.

Další informace »