Medindo pequeno

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 11579 (2023) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

A ionosfera, o ambiente espacial da Terra, exibe uma estruturação turbulenta generalizada, ou irregularidades de plasma, visualizadas pelas exibições aurorais vistas nas regiões polares da Terra. Tais irregularidades plasmáticas têm sido estudadas há décadas, mas a turbulência plasmática continua sendo um fenômeno indescritível. Combinamos medições dependentes da escala de um radar terrestre com observações de satélite para caracterizar irregularidades de pequena escala simultaneamente na ionosfera inferior e superior e realizar uma análise estatística em um agregado de ambos os instrumentos ao longo do tempo. Demonstramos o mapeamento claro de informações verticalmente ao longo da coluna de altitude ionosférica, para comprimentos de onda perpendiculares ao campo até 1,5 km. Nossos resultados pintam um quadro da ionosfera de alta latitude do hemisfério norte como um sistema turbulento que está em constante estado de crescimento e decadência; a energia está sendo constantemente injetada e dissipada enquanto o sistema tenta continuamente um retorno acelerado ao equilíbrio. Conectamos a dissipação generalizada de irregularidades à condutância de Pedersen na região E e discutimos as semelhanças entre as irregularidades encontradas na calota polar e na região auroral nesse contexto. Descobrimos que os efeitos de uma região E condutora em certas propriedades turbulentas (índice espectral de pequena escala) são quase onipresentes no conjunto de dados e, portanto, sugerimos que a eletrodinâmica de uma região E condutora deve ser considerada ao discutir a turbulência do plasma em altas latitudes. Esta relação íntima abre a possibilidade de que a condutividade da região E esteja associada à geração de irregularidades na região F, embora sejam necessários mais estudos para avaliar essa possibilidade.

As propriedades do plasma na ionosfera de alta latitude são determinadas em grande parte pela interação entre a magnetosfera da Terra e o vento solar1. Esta injeção final de energia do vento solar manifesta-se mais na ionosfera através da precipitação de partículas e da exibição da aurora que ela desencadeia. O impacto de partículas precipitantes produz campos elétricos e transmite correntes elétricas que são responsáveis ​​pela ação lenta da ionosfera sobre o vento solar. Localmente, fortes campos elétricos, convecção plasmática e gradientes acentuados na densidade plasmática trabalham em conjunto para criar instabilidades2,3, que podem levar a turbulência e irregularidades plasmáticas.

As irregularidades de alta latitude evoluem principalmente em direções perpendiculares às linhas quase verticais do campo magnético, devido a um transporte rápido e eficiente de plasma alinhado ao campo (vertical), a partir do qual foi demonstrado que uma estrutura de irregularidade de plasma individual deve ter um comprimento muito longo. comprimento de onda vertical4,5,6,7. Como resultado, as irregularidades do plasma ionosférico são frequentemente descritas em termos de turbulência bidimensional, com o comprimento de onda perpendicular ao campo de uma estrutura de irregularidade denotando essencialmente o tamanho da irregularidade. Em algum ponto, as informações turbulentas não são mais mapeadas entre a ionosfera do lado inferior (região E) e do lado superior (região F). Foi assumido que o tamanho da escala perpendicular de tais irregularidades não mapeadas está bem acima de 1 km8, embora um artigo recente9 tenha apresentado num apêndice cálculos resumidos que indicam que escalas bem abaixo de 1 km mapeiam facilmente entre picos Altitudes da região E e da região F superior.

Os estudos sistemáticos de toda a coluna de altitude da ionosfera têm sido poucos, devido à dificuldade de obtenção de dados com boa cobertura tanto em coordenadas geomagnéticas horizontais como em altitude. Embora as medições in situ feitas por naves espaciais, como satélites e foguetes, no passado, tenham abrangido praticamente todas as altitudes, tais medições são inerentemente locais e não há forma de sondar directamente qualquer direcção que não seja "para a frente" no quadro de referência da nave espacial. As naves espaciais fazem cortes unidimensionais através do plasma ionosférico e assumem que a informação presente nas dimensões perpendiculares é projetada numa dimensão: uma suposição útil que, no entanto, pode ser problemática10. Apesar dessas limitações, as espaçonaves provaram ser excelentes ferramentas para estudar uma ampla variedade de fenômenos físicos do plasma na ionosfera em escalas que variam de \(\sim 1\) cm até 100 km11,12,13,14,15.