Измерение маленькое

Том 13 научных отчетов, номер статьи: 11579 (2023) Цитировать эту статью

213 Доступов

Подробности о метриках

Ионосфера, космическая среда Земли, демонстрирует широко распространенную турбулентную структуру или неоднородности плазмы, визуализируемые полярными сияниями, наблюдаемыми в полярных регионах Земли. Подобные неоднородности плазмы изучаются на протяжении десятилетий, но турбулентность плазмы остается неуловимым явлением. Мы объединяем зависящие от масштаба измерения с наземного радара со спутниковыми наблюдениями, чтобы охарактеризовать мелкомасштабные неоднородности одновременно в нижней и верхней ионосфере, а также выполнять статистический анализ совокупности данных обоих инструментов с течением времени. Мы демонстрируем четкое отображение информации по вертикали вдоль столбца высот ионосферы для длин волн, перпендикулярных полю, до 1,5 км. Наши результаты рисуют картину высокоширотной ионосферы северного полушария как турбулентной системы, находящейся в состоянии постоянного роста и распада; энергия постоянно вводится и рассеивается, поскольку система постоянно пытается ускорить возврат к равновесию. Мы связываем широко распространенное рассеяние неоднородностей с педерсеновской проводимостью в E-области и обсуждаем сходство между неоднородностями, обнаруженными в полярной шапке и в авроральной области в этом контексте. Мы обнаружили, что влияние проводящей E-области на определенные турбулентные свойства (мелкомасштабный спектральный индекс) практически повсеместно встречается в наборе данных, и поэтому мы предполагаем, что электродинамику проводящей E-области необходимо учитывать при обсуждении турбулентности плазмы при высокие широты. Эта тесная взаимосвязь открывает возможность того, что проводимость E-области связана с возникновением неоднородностей F-области, хотя для оценки этой возможности необходимы дальнейшие исследования.

Свойства плазмы в высокоширотной ионосфере во многом определяются взаимодействием магнитосферы Земли и солнечного ветра1. Эта максимальная инъекция энергии солнечного ветра наиболее проявляется в ионосфере через выпадение частиц и появление полярных сияний, которые они вызывают. Ударные высыпающиеся частицы создают электрические поля и пропускают электрические токи, которые и определяют замедляющее воздействие ионосферы на солнечный ветер. Локально сильные электрические поля, конвекция плазмы и резкие градиенты плотности плазмы работают совместно, создавая нестабильность2,3, которая может привести к турбулентности и неоднородностям плазмы.

Высокоширотные неоднородности в основном развиваются в направлениях, перпендикулярных почти вертикальным силовым линиям магнитного поля, благодаря быстрому и эффективному продольному (вертикальному) транспорту плазмы, из которого было показано, что отдельная плазменная неоднородная структура должна иметь очень длинную структуру. вертикальная длина волны4,5,6,7. В результате неоднородности ионосферной плазмы часто описываются с точки зрения двумерной турбулентности, при этом длина волны, перпендикулярной полю структуры неоднородности, по существу обозначает размер неоднородности. В какой-то момент турбулентная информация больше не отображается между нижней (E-область) и верхней (F-область) ионосферой. Предполагалось, что перпендикулярный масштаб таких неотображаемых неровностей значительно превышает 1 км8, хотя недавняя статья9, представленная в приложении, представляет собой предварительные расчеты, которые показывают, что масштабы значительно ниже 1 км легко сопоставляются между пиковыми Высоты E-области и верхней F-области.

Систематических исследований всего столба высот ионосферы было немного из-за сложности получения данных с хорошим охватом как в горизонтальных геомагнитных координатах, так и по высоте. Хотя измерения на месте, выполненные космическими аппаратами, такими как спутники и ракеты, в прошлом охватывали практически все высоты, такие измерения по своей сути являются локальными, и нет никакого способа напрямую исследовать какое-либо направление, кроме «вперед» в системе отсчета космического корабля. Космический аппарат делает одномерные срезы ионосферной плазмы и предполагает, что информация, присутствующая в перпендикулярных измерениях, проецируется на одно измерение: полезное предположение, которое, тем не менее, может быть проблематичным10. Несмотря на эти ограничения, космические аппараты оказались отличным инструментом для изучения широкого спектра плазменных физических явлений в ионосфере в масштабах от \(\sim 1\) см до 100 км11,12,13,14,15.