Birkelandstrømmer

Birkelandstrømmer er et sett av strømmer som går parallelt med de geomagnetiske feltlinjene og som kobler jordens magnetosfære på høye breddegrader til ionosfæren. Disse strømmene i jordens magnetosfære er drevet av solvinden og det interplanetariske magnetfeltet. Strømmene består av store plasmaskyer som beveger seg gjennom magnetosfæren. Bevegelsen til disse er indirekte drevet av det interplanetarisk miljøet. Styrken på birkelandstrømmer avhenger av aktivitet i magnetosfæren, for eksempel ved magnetosfæriske substormer. Små variasjoner i det oppadgående strømsjiktet (nedadgående elektroner) akselererer elektroner i magnetosfæren. Når disse elektronene treffer den øvre delen av atmosfæren oppstår Aurora Borealis (nordlys) og Australis (sørlys). På høye breddegrader vil birkelandstrømmer nærme seg regionen for elektrojet, som går vinkelrett på det lokale magnetfeltet i ionosfæren. Birkelandstrømmer oppstår i to par av sjikt som er parallelle til magnetfeltet. Ett par strekker seg fra jordklodens midt-på-dagen-sektor, gjennom kveldssektoren og til midnattssektoren. Det andre paret strekker seg fra midt-på-dagen-sektoren gjennom daggrysektoren til midnattsektoren. Strømsjiktet som dannes på den siden av nordlyssonen som er nærmest polen(e) kalles region 1, mens sjiktet på siden lengst vekk fra polen(e) er referert til som region 2.
Birkelandstrømmer ble forutsett i 1908 av den norske fysikeren Kristian Birkeland. Han dro på flere ekspedisjoner nord for polarsirkelen for å studere nordlyset og måle forstyrrelsene av jordens magnetfelt

Historie

Birkeland foreslo i 1908 at «strømmer der [i nordlyset] antas å ha oppstått i hovedsak som en sekundær effekt av såkalte elektriske korpuskler slynget ut i rommet av solen». I dag omtales korpuskler som elektroner. Birkelands ideer ble stort sett ignorert til fordel for en alternativ teori fra den britiske matematikeren Sydney Chapman.
Birkeland foretok ekspedisjoner nord for polarsirkelen for å studere nordlyset. Han gjenoppdaget at magnetfeltene endrer styrke og retning når nordlyset dukker opp. Dette ble først oppdaget av Anders Celsius og assistenten Olof Hjorter mer enn hundre år tidligere, også ved hjelp av magnetiske feltmålinger. Dette kunne bare bety at kraftige strømmer sirkulerte i atmosfæren over. Birkeland mente at solen på en eller annen måte avgir en katodestråle, slik at korpuskler fra det som i dag er kjent som en solvind, ledes inn i jordens magnetfelt. Dermed opprettes strømmer og skaper nordlys. Dette synet ble avvist av andre forskere, men i 1967 målte en satellitt som beveget seg inn i nordlysregionen sterke elektriske strømmer. Dermed ble eksistensen av strømmene Birkeland hadde forutsett første gang påvist. Disse strømmene ble oppkalt etter Birkeland for å hedre ham og det teoretiske arbeidet han utførte.
I 1939 fremmet den svenske ingeniøren og plasma-fysikeren Hannes Alfvén Birkelands ideer i en artikkel han publisert om skapelsen av strømmer fra solvinden. I 1964 lagde Rolf Boström, en av Alfvén kollegaer, en ny modell for elektrojet som også benyttet seg av strømmer parallelle med magnetfeltet.
Bevis på Birkelands teori for nordlys kom etter at en sonde ble sendt ut i verdensrommet. De avgjørende målingene kom fra U.S. Navys satellitt 1963-38C, som ble sendt opp over ionosfæren i 1963 med et magnetometer ombord. Alfred Zmuda, J. H. Martin, og F. T. Heuring analyserte målinger fra magnetometre i satellitter i 1966 og rapporterte sine funn av magnetiske forstyrrelser i nordlyset. I 1967  skrev Alex Dessler og en av hans nyutdannede studenter, David Cummings, en artikkel som hevdet at Zmuda et al. hadde oppdaget strømmer parallelt med magnetfeltet. Alfvén erkjent senere at Dessler hadde "oppdaget strømmer som Birkeland hadde forutsett eksistensen av" og at de skal kalles birkeland-Desslerstrømmer. 1967 er derfor satt som dato for da Birkelands teori endelig ble ansett for å være riktig. I 1969 brukt for første gang Milo Schield, Alex Dessler og John Freeman begrepet Birkelandstrømmer . Zmuda, Armstrong og Heuring skrev i 1970 en artikkel  der de var enige i at deres observasjoner kunne forklares av strømmer parallelt med magnetfeltet - som var foreslått av Cummings og Dessler og av Boström.
Carl-Gunne Fälthammar ved Alfvén-laboratoriet i Sverige beskriver birkelandstrømmene slik: "En grunn til at birkelandstrømmene er spesielt interessant er at i plasmaen som bære dem, kan de forårsake en rekke plasmafysiske prosesser som bølger, ustabiliteter og dannelse av finstrukturer. Disse vil i sin tur føre til konsekvenser som akselerasjon av ladede partikler, både positive og negative, og separasjon av grunnstoffer, for eksempel utstøting av oksygenioner. Begge disse fenomenene har en generell astrofysisk interesse langt utover det å forstå rom-miljøet på vår egen Jord."

Kjennetegn

Birkelandstrømmer har en styrke på rundt 100 000 ampere ved rolige forhold, og mer enn én million ampere ved sterke geomagnetiske forstyrrelser. Birkeland hadde estimert at strømmene kunne være "i en høyde av flere hundre kilometer, og ha styrke på opp til én million ampere" i 1908. De ionosfæriske strømmene som er parallelle med magnetfeltet varmer opp den øvre atmosfære på grunn av den begrensede ledningsevnen til ionosfæren. Varmen (joulevarme) blir overført fra ionosfæriske plasma til gass i den øvre atmosfæren, noe som øker motstanden satellitter i lav høyde opplever.
Birkelandstrøm kan også skapes i laboratorium med kraftige pulserende elektriske generatorer. Tverrsnittet av strømmen som oppstår er en hul stråle av elektroner i form av en sirkel i virvler. Slike virvler kan sees i nordlyset som spiralformede formasjoner.
Par av parallelle birkelandstrømmer vil også påvirke hverandre på grunn av Ampères kraftlov: Parallelle birkelandstrømmen som beveger seg i samme retning vil tiltrekke hverandre med en elektromagnetisk kraft omvendt proporsjonal med avstanden mellom dem, mens parallelle birkelandstrømmer som går i hver sin retning vil frastøte hverandre. Det er også en sirkulær komponent til kraften mellom to birkelandstrømmer. Denne har kort rekkevidde, og virker motsatt av den parallelle kraften som har større rekkevidde.
Elektroner i birkelandstrømmer kan bli akselerert av et dobbelt lag med plasma. Hvis de resulterende elektronene kommer opp i tilnærmet relativistiske hastigheter, altså at de nærmer seg lysets hastighet, kan de deretter produsere en bennettpinch, som er et magnetisk felt som fører til at elektroner beveger seg i spiraler og avgir synkrotronstråling som kan inkludere radio, synlig lys, røntgenstråler og gammastråler.