小さく測定する

Scientific Reports volume 13、記事番号: 11579 (2023) この記事を引用

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地球の宇宙環境である電離層には、広範囲にわたる乱流構造、つまりプラズマの不規則性が見られ、地球の極地で見られるオーロラ表示によって視覚化されます。 このようなプラズマの不規則性は数十年にわたって研究されてきましたが、プラズマ乱流は依然としてとらえどころのない現象です。 私たちは、地上レーダーからのスケール依存の測定と衛星観測を組み合わせて、電離層の底面と上面の小規模な不規則性を同時に特徴付け、両方の機器からの集合体を経時的に統計分析します。 私たちは、1.5 km までの電界垂直波長について、電離層高度コラムに沿った垂直方向の情報の明確なマッピングを実証します。 私たちの結果は、北半球の高緯度電離層が、成長と衰退を絶え間なく繰り返す乱流システムとして描かれています。 システムが平衡状態への加速的な復帰を継続的に試みているため、エネルギーは常に注入および消散されます。 私たちは広範囲にわたる不規則性の散逸を E 領域のペダーセン コンダクタンスと結び付け、その文脈で極冠とオーロラ領域で見られる不規則性の類似性について議論します。 特定の乱流特性 (小規模スペクトル指数) に対する導電性 E 領域の影響は、データセット内でほぼ遍在していることがわかりました。そのため、プラズマ乱流について議論する際には、導電性 E 領域の電気力学を考慮する必要があることを提案します。高緯度。 この密接な関係により、E 領域の導電性が F 領域の不規則性の生成に関連している可能性が開かれますが、その可能性を評価するにはさらなる研究が必要です。

高緯度の電離層におけるプラズマの性質は、地球の磁気圏と太陽風の相互作用によって大部分が決定されます1。 太陽風からのこの究極のエネルギー注入は、粒子の降水とそれが引き起こすオーロラの表示を通じて、電離層で最も顕著になります。 沈殿粒子が衝突すると電場が発生し、太陽風に対する電離層の作用が遅くなる原因となる電流が流れます。 局所的には、強い電場、プラズマの対流、プラズマ密度の急激な勾配が連動して不安定性を生み出し 2,3、乱流やプラズマの不規則性を引き起こす可能性があります。

高緯度の不規則性は、プラズマの高速かつ効率的な磁場揃え（垂直）輸送により、ほぼ垂直な磁力線に垂直な方向にほとんど進化します。これにより、個々のプラズマの不規則性構造は非常に長い長さを持つはずであることが示されています。垂直波長4、5、6、7。 その結果、電離層プラズマの不規則性は二次元の乱流の観点から説明されることが多く、不規則性構造の電界垂直波長が本質的に不規則性のサイズを示します。 ある時点で、乱流情報は電離層の下側 (E 領域) と上側 (F 領域) の間でマッピングされなくなります。 このような非マッピングの不規則性の垂直方向のスケール サイズは 1 km8 をはるかに超えると想定されてきましたが、最近の論文 9 では付録の封筒の裏の計算で、1 km よりはるかに小さいスケールでもピーク間を容易にマッピングできることが示されています。 E 領域およびトップサイド F 領域の高度。

水平地磁気座標と高度の両方で良好な範囲のデータを取得するのが難しいため、電離層の高度列全体の系統的な研究はほとんどありません。 これまで衛星やロケットなどの宇宙船によって行われたその場測定は、事実上すべての高度に及んでいましたが、そのような測定は本質的に局所的なものであり、宇宙船の基準系で「前方」以外の方向を直接調べる方法はありません。 宇宙船は電離層プラズマを 1 次元でスライスし、垂直次元に存在する情報が 1 次元に投影されると仮定します。これは有用な仮定ですが、問題になる可能性もあります 10。 これらの制限にもかかわらず、宇宙船は電離層におけるさまざまなプラズマ物理現象を \(\sim 1\) cm から最大 100 km の範囲のスケールで研究するための優れたツールであることが証明されています 11,12,13,14,15。