Corriente de Birkeland

Una corriente de Birkeland es una corriente eléctrica en un espacio de plasma, más específicamente a partículas cargadas que se desplazan a lo largo de las líneas de campo magnético (por ello, las corrientes de Birkeland también son llamadas corrientes alineadas con el campo). Las mismas son causadas por el movimiento de plasma en forma perpendicular a un campo magnético. A menudo las corrientes de Birkeland poseen una estructura magnética en filamentos o similar a una "soga retorcida".

La aurora de Júpiter, alimentada por corrientes jovianas de Birkeland.^[1]​

Corrientes de Birkeland generada por científicos en un laboratorio.

Originalmente las corrientes de Birkeland se referían a corrientes eléctricas que contribuyen a formar la aurora, causadas por la interacción del plasma en el viento solar con la magnetosfera de la Tierra. La corriente circula en dirección Este por el lado naciente de la ionosfera terrestre, alrededor de las regiones polares, y hacia el espacio por el lado poniente de la ionosfera. Estas corrientes de Birkeland en épocas modernas son llamadas electrojets de la aurora. Las corrientes fueron predichas en 1903 por el explorador y físico noruego Kristian Birkeland, quien realizó expediciones al círculo ártico para estudiar la aurora.

Carl-Gunne Fälthammar profesor emérito del Laboratorio Alfvén en Suecia, escribió en (1986): «Una razón por la cual las corrientes de Birkeland son especialmente interesantes es que, en el plasma que las transporta, ellas producen varios procesos físicos como ondas, inestabilidades y formación de estructura fina. Estos a su vez producen la aceleración de partículas cargadas, tanto positivas como negativas, y la separación de elementos (tal como la eyección preferencial de iones de oxígeno). Ambas clases de fenómenos poseen una importancia astrofísica que va más allá de la comprensión del espacio inmediato que rodea al planeta Tierra».

Características

 

Complejas líneas de campo magnético entrelazadas y corrientes eléctricas de una corriente de Birkeland que se desarrolla en un plasma.

Las corrientes de Birkeland de una aurora pueden alcanzar valores de 1 millón de Amperes.^[2]​ Pueden calentar la alta atmósfera lo que produce un incremento en la fuerza de rozamiento que actúa sobre los satélites artificiales ubicados en órbitas de baja altitud.

También es posible generar corrientes de Birkeland en el laboratorio mediante generadores de potencia pulsante de muchos teravatios. La sección transversal del patrón así obtenido muestra un haz hueco de electrones, tipo un círculo con vórtices, lo que se denomina la inestabilidad diocotrón^[3]​ (que posee algunas similitudes con la inestabilidad de Kelvin-Helmholtz), y que puede degenerar en un patrón de tipo filamentos. Esto puede ser observado en la aurora y se los llama "bucles de aurora".^[4]​

Las corrientes de Birkeland son también uno de los tipos de fenómenos de plasma llamados z-pinch, porque los campos magnéticos azimutales producidos por la corriente comprimen la corriente en una estructura tipo un filamento. Esta también se puede retorcer, produciendo un pinch helicoidal en espirales similares a una soga retorcida, lo que por lo general se identifica como una típica corriente de Birkeland. Pares de corrientes de Birkeland paralelas pueden interactuar; corrientes de Birkeland paralelas que se mueven en la misma dirección se atraen con una fuerza electromagnética inversamente proporcional a la distancia que las separa (Notar que en forma similar a la fuerza de gravedad); la fuerza electromagnética entre partículas individuales es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa; corrientes de Birkeland paralelas pero que se mueven en direcciones opuestas se repelen con una fuerza inversamente proporcional a la distancia que las separa. Existe también una componente circular de corto alcance de la fuerza entre dos corrientes de Birkeland que es opuesta a las fuerzas paralelas de mayor alcance.^[5]​

Los electrones que se desplazan por una corriente de Birkeland pueden ser acelerados mediante un plasma de doble capa. Si los electrones alcanzan velocidades relativistas (próximas a la velocidad de la luz) pueden entonces producir un Bennett pinch, que es un campo magnético en espiral que emite radiación de sincrotrón que incluye radio, ópticas (es decir luz), rayos x, y rayos gamma.

Corrientes de Birkeland cósmicas

Los físicos especializados en plasma creen que muchas de las estructuras que en el universo presentan filamentos deben su origen a corrientes de Birkeland. Peratt (1992) destaca que «sin importar la escala, el movimiento de partículas cargadas producen campo magnéticos propios que pueden actuar sobre otras aglomeraciones de partículas cargadas. Plasma en movimientos relativos se acoplan mediante corrientes que interaccionan entre sí». (See Plasma scaling). Algunos ejemplos son:

Dimensión	Corriente	Descripción
20 × 10³ m		Venus Flux ropes
		Colas de cometas
10²–10^5 m	10^6 A	Aurora terrestre
10^8 m	10^5–10^6 A	Eventos de la magnetosfer tipo V invertida
10^7–10^8 m	10^11 A	Prominencias solares (spicules, coronal streamers)
		Estructuras interestelares: nebulosas varias
10^18 m		Centro galáctico
6 × 10^20 m		Galaxias de doble radio: lóbulos brillantes

Fuente: Peratt (1992).

Historia

La historia de las corrientes de Birekland parecería estar entremezclada con la política.^[6]​

Luego que Kristian Birkeland sugirió la existencia de «corrientes que deben su existencia principalmente a un efecto secundario de los corpúsculos eléctricos del Sol emitidos al espacio», (1908), pero sus ideas fueron ignoradas en favor de una teoría alternativa del matemático británico Sydney Chapman.

En 1939, el ingeniero y físico del plasma sueco Hannes Alfvén promovió las ideas de Birkeland en un trabajo publicado sobre la generación de corriente a partir del viento solar. Uno de los colegas de Alfvén, Rolf Boström, también utilizó las corrientes alineadas con el campo en un nuevo modelo de electrojets de aurora (1964).

En 1966, utilizando un magnetómetro satelital, Alfred Zmuda, J.H. Martin, y F. T. Heuring informan sus avances sobre la perturbación magnética en la aurora, aunque omiten mencionar a Alfvén, Birkeland, o las corrientes alineadas con el campo, aún después de haberles sido mencionado por el editor de la sección de física del espacio de la revista, Alex Dressler.

Notas

^[7]​

1. APOD: 2000 December 19 - A Close Up of Aurora on Jupiter
3. Plasma: Plasma phenomena el 28 de mayo de 2014 en Wayback Machine.
6. Brush, Stephen G. (Dec de 1992). «Alfvén's Programme in Solar System Physics». IEEE Trans. Plasma Science 20 (6). 
7. chapter 15

Referencias

• Alfvén, Hannes (1939), Theory of Magnetic Storms and of the Aurorae, K. Sven. Vetenskapsakad. Handl., ser. 3, vol. 18, no. 3, p. 1, 1939. Reprinted in part, with comments by A. J. Dessler and J. Wilcox, in Eos, Trans. Am. Geophys. Un., vol. 51, p. 180, 1970.
• Alfvén, Hannes, "Double layers and circuits in astrophysics," IEEE Trans. Plasma Sci., vol. 14, p. 779, 1986 (on p. 787).
• Armstrong J. C.; Zmuda, A. J.; "Field-aligned current at 1100km in the auroral region measured by satellite," J. Geophys. Res., vol. 75, p. 7122, 1970.
• Armstrong J. C.; Zmuda, A. J.; "Triaxial magnetic measurements of field-aligned currents at 800 kilometers in the auroral region: Initial results," J. Geophys. Res., vol. 78, p. 6802, 1973; Zmuda A. J.; Armstrong J. C.; "The diurnal flow pattern of field-aligned currents," J. Geophys. Res., vol. 79, p. 4611, 1974.
• Birkeland, Kristian (1908), The Norwegian Aurora Polaris Expedition 1902-1903
• Bostrom, R., "A model of the auroral electrojets," J. Geophys. Res., vol. 69, p. 4983, 1964.
• Cummings, W. D.; Dessler, A. J.; "Field-aligned currents in the magnetosphere," J. Geophys. Res., vol. 72, p. 1007, 1967.
• Peratt, Anthony (1992), Physics of the Plasma Universe, "Birkeland Currents in Cosmic Plasma" (p.43-92)
• Rostoker, G.; Armstrong, J. C.; Zmuda, A. J. (1975), "Field-aligned current flow associated with intrusion of the substorm-intensified westward electrojet into the evening sector", Journal of Geophysical Research, vol. 80, Sept. 1, 1975, p. 3571-3579
• Schield, M. A.; Freeman, J. W.; Dessler, A. J., (1969) "A Source for Field-Aligned Currents at Auroral Latitudes", Journal of Geophysical Research, Vol. 74, p.247
• Zmuda, A. J.; Martin, J. H.; Heuring, F. T. "Transverse magnetic disturbances at 1100 kilometers in the auroral region," J. Geophys. Res., vol. 71, p. 5033, 1966.
• Zmuda, A. J.; Armstrong, J. C.; Heuring, F. T. "Characteristics of transverse magnetic disturbances observed at 1100 km in the auroral oval", J. Geophys. Res., vol. 75, p. 4757, 1970.

Bibliografía

• Potemra, T. A. "Birkeland currents in the earth's magnetosphere", from a Special Issue of Astrophysics and Space Science" Dedicated to Hannes Alfvén on 80th Birthday
• Alfvén, Hannes, On the Filamentary Structure of the Solar Corona (1963)
• Alfvén, Hannes, Currents in the Solar Atmosphere and a Theory of Solar Flares (1967)
• Alfvén, Hannes, On the Importance of Electric Fields in the Magnetosphere and Interplanetary Space (1967)
• Carlqvist, P., Cosmic electric currents and the generalized Bennett relation, Astrophysics and Space Science (ISSN 0004-640X), vol. 144, no. 1-2, May 1988, p. 73-84. (1988)
• Cloutier, P. A.; Anderson, H. R. Observations of Birkeland currents (1975)
• Potemra, T. A. Observation of Birkeland currents with the TRIAD satellite (1978)

Enlaces externos

•   Datos: Q803957