Misurare piccolo

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 11579 (2023) Citare questo articolo

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La ionosfera, l'ambiente spaziale della Terra, mostra una diffusa strutturazione turbolenta, o irregolarità del plasma, visualizzate dalle manifestazioni aurorali osservate nelle regioni polari della Terra. Tali irregolarità del plasma sono state studiate per decenni, ma la turbolenza del plasma rimane un fenomeno sfuggente. Combiniamo misurazioni dipendenti dalla scala da un radar terrestre con osservazioni satellitari per caratterizzare simultaneamente irregolarità su piccola scala nella ionosfera inferiore e superiore ed eseguire un'analisi statistica su un aggregato da entrambi gli strumenti nel tempo. Dimostriamo la chiara mappatura delle informazioni verticalmente lungo la colonna dell'altitudine ionosferica, per lunghezze d'onda perpendicolari al campo fino a 1,5 km. I nostri risultati dipingono un quadro della ionosfera alle alte latitudini dell’emisfero settentrionale come un sistema turbolento in costante stato di crescita e decadimento; l'energia viene costantemente iniettata e dissipata mentre il sistema tenta continuamente un ritorno accelerato all'equilibrio. Colleghiamo la diffusa dissipazione delle irregolarità alla conduttanza Pedersen nella regione E e discutiamo le somiglianze tra le irregolarità trovate nella calotta polare e nella regione aurorale in quel contesto. Troviamo che gli effetti di una regione E conduttrice su alcune proprietà turbolente (indice spettrale su piccola scala) sono quasi onnipresenti nel set di dati, e quindi suggeriamo che l'elettrodinamica di una regione E conduttrice debba essere considerata quando si discute della turbolenza del plasma a alte latitudini. Questa intima relazione apre la possibilità che la conduttività della regione E sia associata alla generazione di irregolarità nella regione F, sebbene siano necessari ulteriori studi per valutare tale possibilità.

Le proprietà del plasma nella ionosfera alle alte latitudini sono determinate in larga misura dall'interazione tra la magnetosfera terrestre e il vento solare1. Questa ultima iniezione di energia proveniente dal vento solare è resa più evidente nella ionosfera attraverso la precipitazione delle particelle e lo spettacolo dell’aurora che essa innesca. L’impatto delle particelle precipitanti produce campi elettrici e fa passare correnti elettriche che spiegano l’azione rallentante della ionosfera sul vento solare. A livello locale, forti campi elettrici, convezione del plasma e forti gradienti nella densità del plasma lavorano in tandem per creare instabilità2,3, che possono portare a turbolenze e irregolarità del plasma.

Le irregolarità alle alte latitudini si evolvono per lo più in direzioni perpendicolari alle linee quasi verticali del campo magnetico, a causa di un trasporto del plasma (verticale) veloce ed efficiente allineato al campo, da cui è stato dimostrato che una struttura di irregolarità del plasma individuale dovrebbe avere un periodo molto lungo lunghezza d'onda verticale4,5,6,7. Di conseguenza, le irregolarità del plasma ionosferico sono spesso descritte in termini di turbolenza bidimensionale, con la lunghezza d'onda perpendicolare al campo di una struttura di irregolarità che denota essenzialmente la dimensione dell'irregolarità. Ad un certo punto le informazioni turbolente non sono più mappate tra la ionosfera inferiore (regione E) e quella superiore (regione F). Si è ipotizzato che la scala perpendicolare di tali irregolarità non mappate sia ben superiore a 1 km8, sebbene un recente articolo9 abbia presentato in appendice calcoli retrotesi che indicano che scale ben al di sotto di 1 km facilmente mappano tra i picchi Altitudine della regione E e della parte superiore della regione F.

Gli studi sistematici dell'intera colonna altimetrica della ionosfera sono stati pochi, a causa della difficoltà di ottenere dati con una buona copertura sia in coordinate geomagnetiche orizzontali che in altitudine. Sebbene in passato le misurazioni in situ effettuate da veicoli spaziali come satelliti e razzi abbiano coperto praticamente tutte le altitudini, tali misurazioni sono intrinsecamente locali e non esiste modo di sondare direttamente alcuna direzione diversa da quella "in avanti" nel quadro di riferimento del veicolo spaziale. I veicoli spaziali realizzano fette unidimensionali attraverso il plasma ionosferico e presuppongono che l'informazione presente nelle dimensioni perpendicolari sia proiettata su una dimensione: un presupposto utile che tuttavia può essere problematico10. Nonostante queste limitazioni, i veicoli spaziali si sono rivelati strumenti eccellenti per studiare un'ampia varietà di fenomeni fisici del plasma nella ionosfera su scale che vanno da \(\sim 1\) cm fino a 100 km11,12,13,14,15.