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Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 11579 (2023) Citer cet article

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L'ionosphère, l'environnement spatial de la Terre, présente une structure turbulente généralisée, ou irrégularités du plasma, visualisées par les aurores observées dans les régions polaires de la Terre. De telles irrégularités du plasma sont étudiées depuis des décennies, mais la turbulence du plasma reste un phénomène insaisissable. Nous combinons des mesures dépendantes de l'échelle provenant d'un radar au sol avec des observations par satellite pour caractériser simultanément des irrégularités à petite échelle dans l'ionosphère inférieure et supérieure et effectuons une analyse statistique sur un agrégat provenant des deux instruments au fil du temps. Nous démontrons la cartographie claire des informations verticalement le long de la colonne d'altitude ionosphérique, pour des longueurs d'onde perpendiculaires au champ jusqu'à 1,5 km. Nos résultats dressent un tableau de l’ionosphère des hautes latitudes de l’hémisphère nord comme un système turbulent en état constant de croissance et de déclin ; l'énergie est constamment injectée et dissipée alors que le système tente continuellement un retour accéléré à l'équilibre. Nous connectons la dissipation généralisée des irrégularités à la conductance de Pedersen dans la région E et discutons des similitudes entre les irrégularités trouvées dans la calotte polaire et dans la région aurorale dans ce contexte. Nous constatons que les effets d'une région E conductrice sur certaines propriétés turbulentes (indice spectral à petite échelle) sont presque omniprésents dans l'ensemble de données, et nous suggérons donc que l'électrodynamique d'une région E conductrice doit être prise en compte lors de l'examen de la turbulence du plasma à hautes latitudes. Cette relation intime ouvre la possibilité que la conductivité de la région E soit associée à la génération d'irrégularités dans la région F, bien que des études supplémentaires soient nécessaires pour évaluer cette possibilité.

Les propriétés du plasma dans l'ionosphère des hautes latitudes sont déterminées dans une large mesure par l'interaction entre la magnétosphère terrestre et le vent solaire1. Cette injection ultime d’énergie du vent solaire se manifeste surtout dans l’ionosphère par la précipitation de particules et l’apparition d’aurores qu’elle déclenche. Les particules précipitantes impactantes produisent des champs électriques et transmettent des courants électriques qui expliquent le ralentissement de l'action de l'ionosphère sur le vent solaire. Localement, de forts champs électriques, la convection du plasma et de forts gradients de densité du plasma travaillent en tandem pour créer des instabilités2,3, qui peuvent conduire à des turbulences et à des irrégularités du plasma.

Les irrégularités des hautes latitudes évoluent principalement dans des directions perpendiculaires aux lignes de champ magnétique presque verticales, en raison d'un transport rapide et efficace du plasma aligné sur le champ (vertical), à partir duquel il a été démontré qu'une structure d'irrégularité de plasma individuelle devrait avoir une très longue durée de vie. longueur d'onde verticale4,5,6,7. En conséquence, les irrégularités du plasma ionosphérique sont souvent décrites en termes de turbulence bidimensionnelle, la longueur d'onde perpendiculaire au champ d'une structure d'irrégularité indiquant essentiellement la taille de l'irrégularité. À un moment donné, les informations turbulentes ne sont plus cartographiées entre l’ionosphère inférieure (région E) et supérieure (région F). Il a été supposé que la taille de l'échelle perpendiculaire de ces irrégularités non cartographiées est bien supérieure à 1 km8, bien qu'un article récent9 présenté en annexe calcule au dos de l'enveloppe qui indique que les échelles bien inférieures à 1 km cartographient facilement entre les pics Altitudes de la région E et de la région F supérieure.

Les études systématiques de l'ensemble de la colonne d'altitude de l'ionosphère ont été peu nombreuses, en raison de la difficulté d'obtenir des données avec une bonne couverture en coordonnées géomagnétiques horizontales et en altitude. Alors que les mesures in situ effectuées par des engins spatiaux tels que des satellites et des fusées dans le passé ont couvert pratiquement toutes les altitudes, ces mesures sont intrinsèquement locales et il n'existe aucun moyen de sonder directement une direction autre que « l'avant » dans le cadre de référence de l'engin spatial. Les engins spatiaux réalisent des coupes unidimensionnelles à travers le plasma ionosphérique et supposent que les informations présentes dans les dimensions perpendiculaires sont projetées sur une seule dimension : une hypothèse utile qui peut néanmoins s'avérer problématique10. Malgré ces limitations, les engins spatiaux se sont révélés d'excellents outils pour étudier une grande variété de phénomènes physiques du plasma dans l'ionosphère à des échelles allant de \(\sim 1\) cm jusqu'à 100 km11,12,13,14,15.