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Modelado de canales de plasma

Modelado de canales de plasma

Foto: © Reine Ungert | iStock

JD Hoba de Syntek Technologies explica cómo modelar canales de plasmasfera como parte de este enfoque en la plasmasfera, una extensión de la ionosfera de la Tierra.

La plasmasfera es la extensión de la ionosfera de la Tierra hacia la magnetosfera interior a lo largo de líneas cerradas del campo magnético. Es un plasma relativamente denso y frío (norteh > 102 veneno-3 y T≲4×104 k) [Lemaire et al., 1998]. La concepción convencional de la envoltura del plasma es que la densidad de electrones disminuye monótonamente con la altura y es relativamente uniforme, es decir, desorganizada.

Sin embargo, varios estudios sobre la propagación de ondas silbantes en el sistema ionosfera/plasma en latitudes bajas y medias contrastan la propagación de ondas «guiadas» versus la propagación de ondas «sin canales», donde los canales tienen nominalmente entre un 10% y un 20% más o menos de densidad electrónica a lo largo de la superficie geomagnética. campo en escalas de longitud relativamente pequeñas (10 a 100 km) [Helliwell, 1965; Singh et al., 1998; Clilverd et al., 2008].

Figura 1: Gráficos de contorno del contenido diferencial total de electrones a lo largo del campo geomagnético para (a) MSIS/HWM y (b) WACCM-X a 288◦ de longitud y 08:14 UTC (correspondiente a las 03:26 hora local)
Figura 1: Gráficos de contorno del contenido diferencial total de electrones a lo largo del campo geomagnético para (a) MSIS/HWM y (b) WACCM-X a 288◦ de longitud y 08:14 UTC (correspondiente a las 03:26 hora local)

canales plasmáticos

Además, se han observado canales de plasmasfera mediante radiointerferometría. [Jacobson et al., 1996; Loi et al., 2015; Helmboldt et al., 2020a, b] y estructuras de densidad a partir de observaciones satelitales [Darrouzet et al., 2009] Lo que indica que la envoltura interna del plasma no es espacialmente suave como suele ser el caso.

Los canales de la plasmasfera y la propagación de las ondas de silbato son importantes porque las ondas de silbato interactúan con los electrones del cinturón de radiación y dispersan electrones de alta energía hacia la atmósfera inferior, donde son absorbidos. Esto afecta a los cinturones de radiación naturales de Van Allen y a los cinturones de radiación artificiales. [Gombosi et al., 2017].

Se han propuesto varias teorías sobre la causa de los canales plasmasféricos que dependen de la inestabilidad del plasma que ocurre en la ionosfera de la región E. [Cole, 1971; Perkins, 1973; Cosgrove and Tsunoda, 2002]. Sin embargo, estas inestabilidades sólo ocurren durante la noche y no pueden explicar la formación del canal durante el día.

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Recientemente hemos demostrado que las ondas de gravedad atmosféricas pueden generar canales de plasma en la envoltura de plasma utilizando el modelo acoplado SAMI3/WACCM-X. [Huba and Liu, 2020]. Desde un punto de vista físico, las ondas gravitacionales perturban los vientos meridionales y espacialmente neutros, afectando el movimiento del plasma y el campo eléctrico. Debido a que las líneas del campo magnético son equipotenciales, el campo eléctrico turbulento mapea la envoltura del plasma y puede generar canales.

En la Fig. 1 se muestra un ejemplo de formación de canales, que es un gráfico de contorno del contenido diferencial total de electrones a lo largo del campo geomagnético (dTEC).canal) a 288° de longitud a las 08:14 UTC (03:26 hora local). El panel superior utiliza modelos experimentales de termosfera NRLMSISE0. [Picone et al., 2002] y HWM14 [Drob et al., 2015] como entrada para SAMI3. El panel inferior utiliza el modelo basado en física WACCM-X como entrada para SAMI3. La diferencia entre estos dos modelos es que WACCM-X incluye ondas de gravedad atmosféricas, mientras que los modelos experimentales no. En ambos casos, los canales se encuentran en latitudes altas (por ejemplo, por encima de los 50° de latitud y por debajo de los 75° de latitud), lo que se asocia con un potencial convectivo en latitudes más altas.

Sin embargo, y lo que es más importante, existe una clara formación de canales en latitudes medias en el caso de WACCM-X que no se forma en el caso de MSIS/HWM. En este caso, los canales están en el rango de altura de ~4 − 18 x 103 km (corresponde a L~1,6-3,5) y puede durar entre 0,5 y 2,0 horas en una latitud determinada. Estos resultados son consistentes con las observaciones de la propagación de la onda del tubo VLF en este rango de carcasa L y la vida útil de la onda del tubo. [Singh et al., 1997; Clilverd et al., 2008].

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De cara al futuro: canales de plasma en latitudes medias

Así, hemos demostrado por primera vez un acoplamiento directo entre las ondas gravitacionales atmosféricas y el desarrollo de canales de plasmasfera basados ​​en el modelo global de termosfera/ionosfera/plasma. Estos canales desempeñan un papel crucial en la propagación de las ondas de silbato que pueden afectar los cinturones de radiación de Van Allen de la Tierra. El trabajo futuro determinará en qué medida los canales de plasma de latitudes medias dependen de la longitud, la estación del año y la actividad solar, y harán comparaciones directas con las observaciones.

Referencias

    1. Cole, KD, Formación de irregularidades congruentes con el campo en la magnetosfera, c. Atmos. Tir. Física, 33, 741, 1971.
    2. Cosgrove, RB y RT Tsunoda, Inestabilidad dependiente de la dirección de capas E dispersas en la ionosfera de latitudes medias durante la noche, Geophys. Precisión. Litt, 29, 1864, https://doi.org/10.1029/2002GL0146692002.
    3. Cleverd, MA, CJ Rodger, R. Gamble, NB, Meredith, M. Parrott, J.-J. Bertheller, 64 y N R Thompson, Señales de transmisión terrestre observadas desde el espacio: ¿canal 65 o canal desconectado?, J. Geovis. Precisión, 113, A04211, https://doi.org/10.1029/2007JA0126022008.
    4. Darrouzet, F. et al., Estructuras y dinámica de la densidad del plasma: propiedades observadas por las misiones CLUSTER e IMAGE, Space Sci. Rev., 145, 55, 2009.
    5. Droop et al., Una actualización del modelo de viento horizontal (HWM): termosfera temporal silenciosa, ciencias de la Tierra y el espacio, disponible aquí. https://doi.org/10.1002/2014EA0000892015.
    6. Gambosi, TI, DN Baker, A. Balough, PJ Erickson, JD Hoba y LJ Lanzerotti, Anthropogenic Space Weather, Space Sci Rev. 212, 985, disponible aquí. https://doi.org/10.1007/s11214-017-0357-52017.
    7. Helliwell, R.A., Silbatos y fenómenos ionosféricos relacionados, Stanford: Stanford University Press, 1965.
    8. Helmboldt JF, Haiducek JD y TE Clarke, Características y orígenes de las irregularidades del plasma revelados por una nueva técnica de tomografía, J. Geophys. Investigación: Física espacial, 125, e2019JA027483. https://doi.org/10.1029/2019JA0274832020a.
    9. Helmbolt, J. F. Características y orígenes de irregularidades esféricas en la plasmasfera: Parte II | Tomografía utilizando matrices integradas de receptores GPS, J. Geophys. Investigación: Física espacial, 125, 125, e2020JA027858. https://doi.org/10.1029/2020JA0278582020b.
    10. Hoba, JD y H.-L. Liu, Modelado global de la propagación del F tropical utilizando SAMI3/WACCM-X, Geophys. Precisión. Litt, 47 años, e2020GL088258. https://doi.org/10.1029/2020GL088258 2020.
    11. Jacobson, R, J. Hoogeveen, RC Carlos, J. Wu, PJ Viger y MC Kelly, Observaciones de irregularidades del plasma interno utilizando la matriz de interferómetro de radio baliza espacial, J. Geovis. Resolución 101, 19665, 1996.
    12. Lemaire, J., Gringauz, K., Carpenter, D. y Bassolo, V., Earth’s Plasma Sphere (Cambridge Atmospheric and Space Science Series), Cambridge: Cambridge University Press, disponible aquí. https://doi.org/10.1017/CBO97805116000981998.
    13. Lowe, ST et al., Imágenes en tiempo real de canales de densidad entre la plasmasfera y la ionosfera, Geophys. Precisión. Literatura, 42, 3707, https://doi.org/10.1002/2015GL0636992015.
    14. Perkins, F., F propagación y corrientes ionosféricas,
      J. Geovies. Resolución, 78, 218, https://doi.org/10.1029/JA078i001p002181973.
    15. Picone, JM, AE Hedin, DP Drob y A.C. Aikin, NRLMSISE-00 El modelo experimental de la atmósfera: comparaciones estadísticas y cuestiones científicas, J. Geophys. resolución 107, https://doi.org/10.1029/2002JA0094302002.
    16. Singh, RP, AK Singh y DK Singh, Parámetros plasmasféricos determinados a partir de espectrógrafos de Whistler: una revisión, J. Atmos. Terraza Solar. Física, 60.495, 1998.
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El Dr. Hanley Liu fue un colaborador clave en este proyecto de investigación, proporcionando entrada de datos WACCM-X.
Esta investigación fue financiada en parte por la Fundación Nacional de Ciencias (AGS1931415) y la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea (FA9550-22-C-0001).

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