7. BIRKELAND-STRÖME, MAGNETSTRÄNGE UND

STROMFÜHRENDE DOPPELSCHICHTEN

7.1 BIRKELAND-STRÖME

Es   gibt   noch   eine   andere   Ursache   für   die   Filamentierung   von   elektrischen Strömen   in   Plasmen.   Diese   ergibt   sich   aus   dem   Fakt,   dass   eine   Anziehungskraft zwischen    zwei    parallel    laufenden    Strömen    existiert.    Jeder    Strom    erzeugt    ein magnetisches    Feld,    welches    den    ersten    Strom    umkreist    und    entsprechend    der normalen    Gesetze    des    Elektromagnetismus    den    anderen    Strom    anzieht.    Deshalb ziehen    sich    beiden    Ströme    zusammen,    wie    in    diesem    kurzen    Video     dargestellt. (Quelle: MIT physics demonstrations) Dieser   Effekt   wirkt   auf   einzelne   Elektronenströme   ebenso   wie   auf   von   Strom   durchflossene   Leiter.   Deshalb tendiert   ein   diffuser   Strom   in   einem   Plasma   dazu,   sich   in   einem   Filament   zu   konzentrieren,   wie   wir   gesehen   haben. Ähnlich   wird   eine   Stromschicht   auch   dazu   tendieren   zu   einzelnen   Filamenten   zusammenzufließen,   ähnlich   wie   ein Schwall fallenden Wassers in einzelne Ströme aufbricht.

Wenn   zwei   parallele   Filamente   in   derselben   Gegend   vorkommen   oder   sich   aus   einer   Stromschicht   wegen   des Filamentierungsprozesses   formen,   dann   werden   sie   sich   gegenseitig   anziehen   und   sich   zunächst   aufeinander   zu bewegen,   aufgrund   der   magnetischen   Anziehung,   die   durch   das   Biot-Savart-Gesetz   beschrieben   wird.   Deshalb   gibt es eine Tendenz der Stromzylinder in Paaren aufzutreten. Ein    Gleichgewicht    wird    erreicht,    wenn    die   Anziehungskraft großer     Reichweite     sich     mit     der     Abstoßungskraft     kürzerer Reichweite     zwischen     zwei     gegeneinander     spiralförmig     sich bewegenden     azimutalen     Stromkomponenten     ausgleicht.     Die Analyse   zeigt,   dass   es   dort   einen   Ausgleich   in   den   Zentren   der anziehenden    Kräfte    gibt,    der    als    Ergebnis    ein    Paar    oder    eine Rotationskraft      hat,      die      auf      jeden      Strom      einwirkt.      Die Geschwisterströme   tendieren   daher   dazu,   sich   spiralförmig   um eine   gemeinsame   Achse   zu   bewegen.   Wie   zuvor   wird   die   Achse der Spirale dazu neigen, sich am magnetischen Feld auszurichten. Diese   Anordnung    von    Strompaaren    ist    als    Birkeland-Strom bekannt,    benannt    nach    dem    norwegischen    Physiker    Kristian Birkeland, der sie im frühen 20. Jahrhundert als erster erforschte.

7.2 MAGNETSTRÄNGE

Der     Spiraleffekt     der     Ströme     um     einander     erscheint     wie miteinander      verdrehte      Seilstränge.      Weil      die      Ströme      am magnetischen   Feld   ausgerichtet   sind,   werden   Birkeland-Ströme oft    als    “magnetische    Stränge”    oder    “Fluss-Seile”    bezeichnet. Obwohl   dies   nicht   falsch   ist,   tendiert   diese   Bezeichnung   dazu,   die den    Strom    leitende    Natur    der    Filamente    zu    verbergen    und impliziert,   dass   sich   der   Effekt   allein   wegen   der   magnetischen Kräfte   ergibt.   Wie   wir   gesehen   haben   ist   das   nicht   korrekt,   da Magnetfelder mit elektrischen Strömen koexistieren. Birkeland-Ströme   können   auch   Materie   aus   der   umliegenden Region   anziehen.   Das   ist   so,   weil   die   durch   jeden   axialen   Strom geschaffenen    azimutalen    Magnetfelder    ein    Druckgefälle    radial einwärts    mit    einem    Minimum    zwischen    den    beiden    Strömen formen,     während     die     Magnetfelder     sich     bis     jenseits     des Stromstranges    selbst    ausdehnen.    Das    bewirkt,    dass    geladene Materie     und     ionisierte     Spezies     außerhalb     des     elektrischen Stranges    in    Richtung    des    Zentrums    des    elektrischen    Stranges angezogen    werden,    ein    Prozess,    der    als    Marklund-Konvektion bekannt ist (siehe 6.12). Obwohl   die   Wirkung   ähnlich   der   Kraft   I   x   B    für   einen   einzelnen Ladungszylinder     ist,     kann     das     magnetische     Druckminimum zwischen   den   Stromzwillingen   ein   weit   wirksamerer   Mechanismus für die Konzentration von Materie sein. Die   Plasmadichte   außerhalb   des   Birkeland-Stroms   wird   verringert,   während   die   Dichte   innerhalb   des   Stranges sich vergrößert. Birkeland-Ströme werden deshalb oft mit Dichteveränderungen in Plasmen in Verbindung gebracht.

Filamentäre    Strukturen    des    gerade    beschriebenen    Typs sind    im    Weltraum    weit    verbreitet:    Beispiele    schließen   Aurora- Filamente,    Flussstränge    der    Venus,    Sonnenprotuberanzen    und koronale   Ströme,   Kometenschweife   und   interstellare   Nebel   ein, wo    Gespinste    von    Filamenten    oft    zu    sehen    sind.    Filamentäre neutrale    Wasserstoffstrukturen    wurden    bereits    erwähnt    (siehe Marklund-Konvektion     in     6.12     oben).     Filamentäre     Strukturen wurden auch in der Anordnung von Galaxienhaufen beobachtet.

7.4 STROMFÜHRENDE DOPPELSCHICHTEN

Wir   haben   bereits   gesehen,   dass   Doppelschichten   sich   in Glimmentladungsröhren     in     Labors     formen     können.     Offenbar gestatten   diese   DLs   die   Übertragung   von   Strom,   ebenso   wie   sie die     Eigenschaft     haben,     Ionen     und     Elektronen     in     starken elektrischen   Feldern   innerhalb   der   DL   zu   beschleunigen.   Um   sie von   CFDLs   zu   unterscheiden   werden   sie   Current-carrying   Double Layers (CCDL) [d.h. stromführende Doppelschichten] genannt. Ein   CCDL   formt   sich   auf   einem   anderen   Weg   als   ein   CFDL. Sie    wird    gewöhnlich    durch    eine    Form    von    Instabilität    oder Veränderung im Stromfluss ausgelöst.

Als   ein   Beispiel   für   eine   Veränderung,   welche   zur   Entstehung   einer   CCDL   führt,   stelle   man   sich   vor,   was passiert,   wenn   ein   Strom   in   eine   Region   fließt,   wo   die   Plasmadichte   niedriger   ist.   Da   der   Strom   hauptsächlich   von den leichteren Elektronen getragen wird, können wir die Situation bezüglich der Ionen zuerst betrachten. Wenn   sich   der   Elektronenstrom   nicht   ändert,   dann   wird   die   weniger   dichte   Region   schnell   einen   Überschuss an    Elektronen    bekommen,    wegen    des    “Stroms”    ankommender    (Elektronen)    Ladungen.    Daraus    würde    ein Potentialgefälle   in   der   weniger   dichten   Region   resultieren,   welches   weitere   Elektronen   abstoßen   und   den   Stromfluss unterbrechen würde. Wenn    man    sich    daran    erinnert,    dass    Strom    proportional    zu    dem    Produkt    aus    Elektronendichte    und Geschwindigkeit   ist,   dann   ist   der   einzige   Weg,   die   Elektronendichte   auf   das   angemessene   Level   zu   reduzieren, während der Gesamtstrom aufrecht erhalten wird, die Elektronengeschwindigkeit zu steigern. Der   Weg   auf   dem   das   erreicht   wird,   ist   der,   eine   CCDL   an   den   Grenzen   der   weniger   dichten   Region   zu erzeugen,   welche   die   Elektronen   in   diese   Region   beschleunigt.   Die   Stärke   der   DL   wird   zunehmen   bis   sie   gerade ausreichend   ist,   um   den   Elektronen   die   Geschwindigkeit   zu   verleihen,   die   notwendig   ist   um   ihre   Dichte   entsprechend der geringeren Ionendichte zu verringern und die Ladung neutral zu halten. Natürlich    werden    die    Ionen    durch    die    DL    auch    beeinflusst,    doch    der    Gesamteffekt    ähnelt    dem    gerade beschriebenen.   Außerdem   können   die   schnelleren   Elektronen   eine   zusätzliche   Ionisation   verursachen,   welche   die Erfordernisse   für   zusätzliche   Geschwindigkeit   modifizieren,   doch   eine   DL   wird   immer   noch   nötig   sein,   um   die notwendige Beschleunigung zu ermöglichen.

7.5 FLUSSINSTABILITÄTEN UND CCDLS

CCDLs   können   sich   als   Ergebnis   von   Flussinstabilitäten   in   den   entgegengesetzt   strömenden   Elektronen   und Ionen ausbilden, die der Strom umfasst. Es    können    verschiedene    Typen    von    Instabilitäten    vorkommen.    Ein    Beispiel    ist    die    Buneman-    oder Zweistrominstabilität,    welche    vorkommt,    wenn    die    Strömungsgeschwindigkeit    der    Elektronen    (prinzipiell    die Stromdichte    geteilt    durch    die    Elektronendichte)    die    thermische    Geschwindigkeit    der    Elektronen    des    Plasmas überschreitet.   Mit   anderen   Worten,   die   Driftgeschwindigkeit   wegen   des   Stroms   ist   höher   als   die   zufällige   thermale Geschwindigkeit. Der   tatsächliche   Mechanismus   der   Buneman-Instabilität   ist   kompliziert.   Im   Kern   jedoch   wird   die   Dichte   von Elektronen   und   Ionen   im   Plasma   lokal   immer   von   der   absoluten   Neutralität   abweichen.   Das   Plasma   reguliert   sich dann    selbst    ein,    um    jedes    Ungleichgewicht    auszubalancieren.    Diese    Dichtevariationen    geschehen    mit    einer Häufigkeit,   die   von   der   Temperatur   des   Plasmas   und   dem   es   durchfließenden   Strom   abhängt.   Wenn   die   Stromdichte hoch   genug   ist,   dann   wird   die   Frequenz   der   Dichteveränderungen   zu   hoch,   als   dass   sich   das   Plasma   noch   anpassen könnte. Die Situation wird instabil. Es   wurde   festgestellt,   dass   dieser   Typ   der   Instabilität   zur   Entstehung   von   CCDL   führt.   Die   Variationen   in   der Ionen-   und   Elektronendichte   führen   zur   Entwicklung   lokaler   elektrischer   Felder.   Diese   Felder   tauschen   Energie   mit den    Ionen    aus,    welche    mit    großer   Amplitude    zu    oszillieren    beginnen    und    so    die    Dichtevariationen    verstärken. Zwischen Gebieten unterschiedlicher Stromdichte entstehen elektrische Felder. Wenn   das   elektrische   Feld   sich   wegen   dieser   Dichtevariationen   vergrößert,   dann   wird   der   Elektronenfluss   im Strom   unterbrochen   und   einige   Elektronen   werden   “eingefangen”   oder   beginnen   nach   außen   in   lokale   Wirbel   zu fließen.   Das   Ergebnis   ist   die   Entstehung   einer   CCDL   mit   Populationen   beschleunigter   Elektronen   und   Ionen   und eingefangenen Elektronen und Ionen stromabwärts von der DL. Dieser   Prozess   ähnelt   in   einigen   Aspekten   den   Instabilitäten   in   Flüssigkeitsströmungen.   Die   CCDL   ähnelt   in einigen     Merkmalen     einer     Hydraulikpumpe,     wo     die     Fließgeschwindigkeiten     auf     beiden     Seiten     der     Pumpe unterschiedlich   sind;   die   Pumpe   enthält   Wirbel   gefangener   Flüssigkeit   und   die   Pumpe   selber   ist   in   ihrer   Position “fixiert”. Das    heißt    jedoch    nicht,    dass    Flussanalysen    komplex    genug    sind,    um    elektro-dynamische    Bewegungen geladener   Teilchen   in   Feldern,   die   sie   selber   schaffen,   zu   modellieren.   Ein   prinzipieller   Unterschied   besteht   darin, dass    DL    Teilchen    in    entgegengesetzte    Richtungen    entsprechend    ihrer    Ladung    beschleunigt    werden,    während hydraulische Pumpen die Fließgeschwindigkeit durch Einführung einer Turbulenz reduzieren. Eine    CCDL    wird    sich    immer    auf    den    Teil    des    Strom    produzierenden    Potentialgefälles    in    der    DL-Region konzentrieren und so das Potentialgefälle im restlichen Fliessgebiet reduzieren. Da   CCDLs   auftreten,   wenn   Änderungen   in   den   Strömungseigenschaften   auftreten,   wobei   die   Fläche   des Durchflusses   verengt   wird,   was   auch   bewirken   kann,   dass   DLs   sich   an   dem   Punkt   bilden,   wo   der   Strömungsbereich sich ändert.

7.6 ENERGIEABSTRAHLUNG IN DLS

Elektronen,   die   quer   zum   Potentialgefälle   einer   CCDL   beschleunigt   werden,   tendieren   dazu   ihre   Energie   in Kollisionen   mit   neutralen   Atomen   jenseits   der   DL   zu   verlieren.   Diese   angeregten   Atome   wiederum   werden   Energie durch   Strahlung   verlieren,   wenn   sie   in   den   Ausgangszustand   zurückkehren.   Die   Bildung   einer   DL   wirkt   deshalb   als ein   Mittel,   wodurch   das   Plasma   überschüssige   Energie   in   einer   Weise   abstrahlen   kann,   die   einem   Widerstand   in einem Stromkreis ähnelt. Dieser   Mechanismus   trägt   durch   die   “sichere”   Ableitung   der   Energie   zur   Stabilität   von   Plasmaströmen   bei, welche sonst zur Entwicklung turbulenterer Instabilitäten führen könnte.

7.7 KLASSIFIZIERUNG VON DLS

Wie    bereits    diskutiert    gibt    es    einen    prinzipiellen    Unterschied    zwischen    stromführenden    Doppelschichten (CCDL)   und   stromlosen   Doppelschichten   (CFDL),   welche   durch   unterschiedliche   Mechanismen   geformt   werden   und dadurch bestimmt werden, ob die DL die Passage einer bedeutenden elektrischen Ladung erlaubt oder nicht. Eine   andere   Klassifizierung   basiert   auf   der   Stärke   der   DL:   In Abhängigkeit   von   dem   Potentialgefälle   quer   zu   ihr kann   eine   DL   als   schwach,   stark   oder   relativistisch   bezeichnet   werden.   Jede   Klasse   hat   verschiedene Auswirkungen auf geladene Teilchen im Plasma der Umgebung. Wenn   das   Potenzialgefälle   quer   zur   DL   größer   ist   als   das   Plasmapotential,   dann   wird   die   DL   als   starke   DL klassifiziert.   Eine   starke   DL   wird   Teilchen   reflektieren,   die   sich   der   DL   mit   weniger      Energie   als   im   Plasmapotential nähern.    Nur    solche    Teilchen    mit    größerer    Energie    als    im    Plasmapotential    werden    die    DL    betreten    und    dann beschleunigt. Eine    schwache    DL    wird    Teilchen    mit    einem    Plasmapotential,    die    sich    von    der    “falschen”    Seite    nähern, abbremsen, aber wieder beschleunigen, nachdem sie die DL passiert haben. Wenn    das    Potentialgefälle    quer    zur    DL    ausreichend    ist,    um    Teilchen    zu    veranlassen    mehr    Energie aufzunehmen   als   die   Restmassen-Energie   des   Elektrons   beträgt,   dann   ist   das   als   relativistische   DL   bekannt.   Eine relativistische     DL     wird     deshalb     Elektronen     fast     auf     Lichtgeschwindigkeit     beschleunigen,     wenn     sie     das Potentialgefälle   passieren.   Das   kann   in   den   kraftvollen,   Strom   durchflossenen,   gebündelten   Plasmajets    vorkommen, die entlang einer oder beider Achsen von aktiven Radiogalaxien gefunden wurden.

Verflochtene Stromschichten glimmen sanft im sichtbaren und infraroten Licht entlang der

Cygnus-Schleife des Schleiernebels.

Bildquelle. W. P. Blair, R. Sankrit (Johns Hopkins University/NASA)

Entwicklung einer Röntgen-

strahlen aussendenden

Sonneneruption. Ganz oben:

Simulierte magnetische

Feldlinien (farbig) mit

Polaritäten dargestellt in

Grautönen (dunkel = negative;

hell = positive). Mitte:

simulierte Stromentwicklung

gleichzeitig mit Veränderungen

des Magnetfeldes darüber,

(dunkel = intensiver). Unten:

Beobachtungssequenz des

Hinode X-ray telescope einer

eruptiven Schleife wie das

Merkmal (ELLLF) verbunden mit

einem elektrischen Doppel-J

(Sigmoid) Muster.

Bildquelle: Fig. 6 aus

“Formation of a torus-unstable

flux rope and eletric currents in

erupting sigmoids”; Aulanier,

Török, Démoulin & DeLuca, The

Astrophysical Journal 708:313-

333, 2010 Jan 1.