EQUATORIAL F-REGION IRREGULARITIES GENERATED BY THE RAYLEIGH-TAYLOR INSTABILITY MECHANISM: ROCKET OBSERVATIONS FROM BRAZIL

Abstract

ABSTRACT

Several sounding rockets carrying plasma diagnostic experiments were launched from the Brazilian rocket launching stations in Natal (5.9°S, 35.2°W Geog. Lat.) and Alcântara (2.31°S, 44.4°W Geog. Lat.). Langmuir Probes (LP) were used to measure the height profiles of electron density and electron temperature and High Frequency Capacitance (HFC) probes were used to measure electron density. The LP's were also used to measure the amplitude of electron density fluctuations. A detailed study of the characteristic features of electron density irregularities in the scale size range of less than a meter to a few kilometres, observed by rocket-borne electron density probes under different ionospheric conditions is presented here. The main objective of these studies is the identification of these irregularities from the point of view of the dynamic and electrodynamic processes responsible for their generation. The existing theories of the Rayleigh Taylor Instability (RTI) mechanism applicable for conditions of the geomagnetic equatorial ionosphere over Brazil are critically examined in the light of the observations. The observed characteristics of the irregularities during four rocket launches are compared with the theoretically expected characteristics. These results confirm the operation of a cascade process that is responsible for the generation of a wide spectrum of irregularities. The large-scale irregularities are first generated probably by the RTI mechanism that creates conditions favourable for the operation of the Cross-Field (CFI) or the Gradient Drift Instability (GDI) mechanism. From the k-spectra of irregularities it is possible to obtain the spectral index n corresponding to the height chosen. In most of the cases the estimated spectral indices agree well with those published in the literature for the cases of irregularities generated by the GDI mechanism.

Keywords :space plasma; ionosphere; F-region; Rayleigh-Taylor instability; Cross-Field instability.

RESUMO

Vários foguetes de sondagem carregando experimentos de diagnóstico de plasma foram lançados dos centros Brasileiros de lançamento de foguetes em Natal (5.9°S, 35.2°O Lat. Geog.) e Alcântara (2.31°S, 44.4°O Lat. Geog.). Sondas de Langmuir (LP) foram usadas para medir os perfis de densidade e temperatura do plasma e Sondas Capacitivas em Alta Freqüência (HFC) foram usadas para medir a densidade eletrônica. As LP's foram usadas também para medir a amplitude das flutuações de densidade eletrônica. Um estudo detalhado dos aspectos característicos das irregularidades de densidade eletrônica da escala de menos de um metro a alguns quilômetros, observadas pelas sondas de densidade eletrônica a bordo dos foguetes sob condições diferentes da ionosfera é apresentado aqui. O objetivo principal destes estudos é a identificação destas irregularidades do ponto de vista dos processos dinâmicos e eletrodinâmicos responsáveis pela geração delas. As teorias existentes do mecanismo de instabilidade de Rayleigh-Taylor aplicáveis para as condições da ionosfera equatorial geomagnética sobre Brasil, são analisadas criticamente, à luz das observações. As características observadas das irregularidades durante os quatro lançamentos de foguetes foram comparadas com as características esperadas das teorias. Estes resultados confirmam a operação do processo cascata, que é responsável pela geração de um largo espectro de irregularidades. As irregularidades de larga escala são geradas primeiras, provavelmente pelo mecanismo RTI que cria condições favoráveis pela operação do mecanismo de Instabilidade "Cross-Field" (CFI) ou "Gradient-Drift" (GDI). A partir dos espectros-k das irregularidades é possível obter o índice espectral n correspondendo a uma altura escolhida. Na maioria dos casos o índice espectral estimado está em boa concordância com os publicados na literatura para os casos de irregularidades geradas pelo mecanismo GDI.

Keywords :plasma espacial; ionosfera; região-F; instabilidade Rayleigh-Taylor; instabilidade Cross-Field.