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