Prądy elektryczne w przestrzeni kosmicznej prowadzą pokaz (reklama książki)

Nowa książka bada nasze rozumienie prądów elektrycznych, które mają fundamentalne znaczenie dla struktury i dynamiki plazmy kosmicznej.

AutorzyL Andreas Keiling, O. Marghitu i M. Wheatland

Opublikowano: 11 kwietnia 2018

Współczesne społeczeństwo opiera się na prądach elektrycznych. Potrafimy je generować, przesyłać z jednego miejsca do drugiego (w tym do bardzo odległych miejsc) i sprawiać, że dla nas pracują. Wykorzystanie energii elektrycznej zapewniło ludzkości największy postęp technologiczny. Ale prądy elektryczne występują również w naturze i „rządzą” w przestrzeni kosmicznej. Electric Currents in Geospace and Beyond, nowa książka opublikowana właśnie przez American Geophysical Union, bada naszą najbardziej aktualną wiedzę na temat prądów elektrycznych w Układzie Słonecznym. Poniżej redaktorzy odpowiadają na kilka pytań dotyczących przeszłych i ostatnich postępów w tej dziedzinie.

Jak i kiedy odkryto prądy elektryczne w przestrzeni kosmicznej?

Już w 1779 roku amerykański naukowiec, wynalazca i polityk Benjamin Franklin mówił o „ilości elektryczności” w atmosferze powodującej zorzę polarną.

Znacznie później, w 1908 roku, norweski pionier fizyki kosmicznej, Kristian Birkeland, przedstawił pierwszą teorię prądów elektrycznych sięgających w przestrzeń kosmiczną.

Wszystko to wydarzyło się na długo przed nadejściem ery kosmicznej, kiedy to w latach 60-tych XX wieku za pomocą satelitów uzyskano pierwsze dowody in situ na istnienie prądów kosmicznych.

Obecnie wiadomo, że przestrzeń kosmiczna ma naturę elektryczną.

Jak obserwuje się i mierzy te prądy?

Ponieważ prądy elektryczne składają się z poruszających się naładowanych cząstek, takich jak jony i elektrony, najbardziej bezpośrednim sposobem pomiaru prądu jest sondowanie i liczenie poszczególnych cząstek. Wysoko dostrojone instrumenty, które latają na pokładzie satelitów, robią dokładnie to. Chociaż liczenie cząstek jest dość trudne, jak można się spodziewać, można również wykorzystać fakt, że prądy elektryczne generują wokół siebie pole magnetyczne, które z kolei można łatwiej zmierzyć za pomocą instrumentów zwanych magnetometrami. Z tych pól magnetycznych można następnie wnioskować za pomocą równań Maxwella, jakie prądy je powodują.

Faktycznie, zdalna detekcja pozwala nam wnioskować o niektórych prądach elektrycznych w przestrzeni kosmicznej z naziemnych magnetometrów. Trudność polega jednak na oddzieleniu wpływu pola w tej samej lokalizacji od kilku odległych prądów, które występują jednocześnie.

W przypadku prądów elektrycznych na Słońcu nie można bezpośrednio zmierzyć ani naładowanych cząstek, ani pola magnetycznego, dlatego stosuje się inną metodę, która opiera się na sygnaturze, jaką pole magnetyczne pozostawia na świetle słonecznym (ze względu na efekt Zeemana). Pozwala to wnioskować o polu magnetycznym, a następnie o prądzie elektrycznym.

Jakie są główne cechy prądów elektrycznych w przestrzeni okołoziemskiej?

W naszych domach i miastach prądy elektryczne są prowadzone wzdłuż cienkich przewodów, ale w przestrzeni kosmicznej jest inaczej. Prądy elektryczne rozprzestrzeniają się na przestrzeni od kilkuset metrów do dziesiątek tysięcy kilometrów, a ich zsumowane natężenia są znacznie większe niż jakiekolwiek prądy na Ziemi. Na przykład prąd pierścieniowy o sile 2-4 milionów amperów (MA) płynie w zamkniętych pętlach w równikowej warstwie prądowej na odległość 60 000 kilometrów i łączy się z prądem ogona magnetycznego po stronie nocnej poza tą odległością. Siła prądu ogonowego przekracza 10 MA i jest zamknięta na bokach warkocza magnetycznego o świcie i zmierzchu w magnetopauzie przez system prądów Chapmana-Ferraro. Prądy polowe przepływają między jonosferą a magnetosferą wzdłuż pola magnetycznego tła z intensywnością 1-3 MA.

W jaki sposób charakterystyka systemów prądu elektrycznego różni się od tych wokół innych planet i ciał heliosferycznych?

Co ciekawe, prądy elektryczne organizują się w podobny sposób wokół planet posiadających jonosferę i magnetosferę, podczas gdy są one zderzane przez wiatr słoneczny. W porównaniu z Ziemią, prądy pierścieniowe na Saturnie i Jowiszu wynoszą odpowiednio około 10 i 90 MA, podczas gdy prądy ogonowe są odpowiednio większe niż 10 i 70 MA. Prądy wielkiej skali wyrównane z polem między jonosferą i magnetosferą mogą osiągać wielkości odpowiednio 6 i 60 MA na Saturnie i Jowiszu. Z kolei prądy elektryczne na Słońcu są o rzędy wielkości większe. Na przykład, prądy na powierzchni Słońca w pobliżu plam słonecznych mają zazwyczaj wielkość 100 000-1 000 000 MA.

Jakie są niektóre z najnowszych osiągnięć badawczych w tej dziedzinie?

Misje wielosatelitarne w przestrzeni okołoziemskiej rozpoczęte w ciągu ostatnich 20 lat (np. Cluster, THEMIS, MMS, Swarm lub eksperyment AMPERE z wykorzystaniem satelitów Iridium), wraz z rozległymi sieciami instrumentów naziemnych (np, SuperMag, SuperDARN, MIRACLE, THEMIS), umożliwiły lepsze zrozumienie systemów prądów elektrycznych w magnetosferze i jonosferze – takich jak te związane z pod-burzami i, w mniejszych skalach, z wybuchami szybkich przepływów plazmy magnetosferycznej, systemem prądów wierzchołkowych [?], wielo-skalową strukturą prądów wyrównanych z polem lub trójwymiarową konfiguracją prądów jonosferycznych.

Nowa technika energetycznych neutralnych atomów umożliwiła globalne obrazowanie prądu pierścieniowego wokół Ziemi (przez misję IMAGE), w tym rozwój burzy w czasie, i Saturna (przez misję Cassini), podczas gdy misje takie jak ARTEMIS i Rosetta zapewniły szczegółowe spojrzenie na prądy wokół Księżyca i w komach kometarnych.

W fizyce Słońca, pojawienie się w kosmosie instrumentów do wnioskowania o prądach elektrycznych na powierzchni Słońca (na satelitach Hinode i Solar Dynamics Observatory) zaowocowało pomiarami o niespotykanej dotąd jakości i rozdzielczości, prowadząc do wielu nowych wyników badań.

Jak zorganizowana jest ta książka?

Niezwykłym wynikiem badań kosmicznych jest to, że istnieje kilka wspólnych systemów prądowych (prądy pierścieniowe, arkusze prądowe, prądy wyrównane polowo, prądy jonosferyczne), które występują na kilku planetach pomimo ich dużych różnic, takich jak wymiar fizyczny, tempo rotacji planety, przewodnictwo jonosferyczne i narażenie na wiatr słoneczny. Jednak wraz z tymi systemami prądów występuje duża różnorodność różnych aspektów każdego systemu prądów. Dlatego zdecydowaliśmy się zamieścić w książce 30 rozdziałów według tych wspólnych systemów prądów (jako oddzielne sekcje), umożliwiając bezpośrednie porównania między różnymi ciałami astronomicznymi, w tym także Słońcem, księżycami i kometami. Jest to zgodne z coraz bardziej interdyscyplinarnym podejściem do fizyki kosmicznej.

Electric Currents in Geospace and Beyond, 2018, 568 pp., ISBN: 978-1-119-32449-2, list price $249.95 (hardcover), $119.99 (e-book)

—Andreas Keiling, University of California, Berkeley, USA; email: keiling@berkeley.edu; Octav Marghitu, Institute of Space Sciences, Romania; and Michael Wheatland, University of Sydney, Australia

Cytaty:

Keiling, A.,Marghitu, O., and Wheatland, M. (2018), Electric currents in outer space run the show, Eos, 99, https://doi.org/10.1029/2018EO095543. Published on 11 April 2018.

Tekst © 2018. Autorzy. CC BY-NC-ND 3.0
O ile nie zaznaczono inaczej, obrazy podlegają prawom autorskim. Jakiekolwiek ponowne wykorzystanie bez wyraźnej zgody właściciela praw autorskich jest zabronione.

Komentarze (wybrane):

• Theoldlady
  Czy więc faktycznie twierdzicie, że żyjemy w elektrycznym wszechświecie?
  • Neil Wilkes
    Oczywiście.
• Steven White
  To jest dokładnie to, w czym żyjemy, elektryczny wszechświat. Kiedy ludzie faktycznie spojrzą na dane i przestaną je ignorować w zamian za bujdy….
• IanShears2
  Nie wspomniano Don’a Scott’a?
• Dan Sanders
  Cholernie drogi podręcznik, Batmanie! Chyba pozostanę przy darmowym kanale YouTube projektu Thunderbolts!
  • Neil Wilkes
    To kupa kasy, ale wciąż mnie kusi. Za „Physics of the Plasma Universe” Peratta też zapłaciłem podobną kwotę. Problem w tym, że wolę prawdziwą książkę, wydrukowaną na papierze – pliki na HDD za 170 funtów w żadnym wypadku nie są na moim radarze, a to tylko chciwość.
    • Shifu R. Careaga
      Jest absolutnie warta swojej ceny

---

Przetłumaczono z: Electric Currents in Outer Space Run the Show (eos.org)