Contribution of ion temperature anisotropy and velocity shears in the direct generation of small-scale irregularities in the high-latitude F-region

Abstract

Plasma instabilities play an important role in producing small-scale irregularities in the ionosphere. In particular, current-driven electrostatic ion-acoustic (CDEIA) instabilities contribute to high-latitude F-region electrodynamics. CDEIA instabilities are affected by ion velocity shears and temperature anisotropies. Ion temperature anisotropies with perpendicular enhancements often exist in the high-latitude F-region. In addition to temperature anisotropies, ion velocity shears are observed near auroral arc edges, sometimes coexisting with thermal ion upflow processes and field-aligned currents (FAC). We investigated whether ion temperature anisotropy or shears lower the threshold conditions required for the onset of CDEIA instabilities and also, enhance the incoherent scattering from ion-acoustic waves. We generalized a dispersion relation to include ion thermal anisotropy, finite Larmor radius corrections and collisions. We derived new fluid-like analytical expressions for the threshold conditions required for instability. We studied how the instability threshold conditions vary as a function of the wave vector direction in both fluid and kinetic regimes. We found that, in some cases, ion temperature anisotropy lowers significantly the threshold drift requirements for a large range of intermediate aspect angles. In particular, realistic ion temperature anisotropies contribute to reducing the instability threshold velocity shears that are associated with small relative drift thresholds, for modes propagating almost perpendicularly to the geomagnetic field. Such instabilities could play a role in the direct generation of field-aligned irregularities in the collisional F-region that could be observed with the Super Dual Auroral Radar Network (SuperDARN) array of high-frequency radars. These modes would be very sensitive to the radar probing direction since they are restricted to very narrow angular intervals. On the other hand, our study confirmed that temperature anisotropies in magnetized plasmas are unimportant when the incoherent radar is pointing at the critical angle for which the total temperature is equal to the effective temperature. Yet, under the right conditions, “small” ion velocity shears produce significant enhancements in ISR spectra, especially for directions near perpendicular to the geomagnetic field. This could lead to overestimations of the interpreted electron to ion temperature ratio and electron density when using standard ISR fitting procedures. In closing, ion temperature anisotropies and velocity shears are important parameters that need to be considered in the studies of CDEIA waves and instabilities in the high-latitude F-region, especially for propagation directions near perpendicular to the geomagnetic field.

Les instabilités du plasma jouent un rôle important dans la production d’irrégularités à petite échelle au sein de l’ionosphère. En particulier, les instabilités électrostatiques ion-acoustiques déclenchées par courants contribuent aux processus électrodynamiques de la région F à hautes latitudes. Ces instabilités sont affectées par les cisaillements de vitesse ionique et les anisotropies de température. Les anisotropies de température avec une température perpendiculaire plus importante que parallèle se manifestent souvent au sein de la région F à hautes latitudes. En outre, des cisaillements de vitesse sont observés près des contours des arcs auroraux, parfois en présence de remontées d’ions thermiques et de courants alignés avec le champ magnétique. Nous avons examiné si les anisotropies de température ou bien les cisaillements de vitesse réduisent les conditions de seuil requises pour le déclenchement d’instabilités ion-acoustiques et aussi, si elles augmentent la diffusion incohérente à partir des ondes ion-acoustiques. Nous avons genéralisé une relation de dispersion en incluant les anisotropies thermiques, les corrections du rayon de Larmor et les collisions. Nous avons dérivé de nouvelles expressions analytiques de nature fluide pour les conditions de seuil requises pour déclencher l’instabilité. Nous avons étudié comment les conditions de seuil varient en fonction de la direction du vecteur d’onde pour les régimes fluide et cinétique. Dans certains cas, nous avons trouvé que les anisotropies de température diminuent de façon significative la dérive de seuil pour une gamme d’angles d’aspect intermédiaires. En particulier, des anisotropies de température réalistes réduisent les dérives minimales vers des plus petites valeurs seuil de cisaillement, pour les ondes se propageant vers des directions presque perpendiculaires au champ magnétique. Ces instabilités pourraient contribuer à la génération directe d’irrégularités alignées avec le champ magnétique au sein de la région F et en présence de collisions. Ces irrégularités pourraient être observées avec des radars à diffusion cohérente à haute-fréquence. La détection de ces modes serait sensible à la direction de visée du radar puisque ces derniers sont associés à de petits intervalles angulaires. D’autre part, nous avons confirmé que les anisotropies de température au sein d’un plasma magnétisé sont d’importance moindre lorsqu’un radar à diffusion incohérente pointe vers la direction correspondant à l’angle critique pour lequel la température totale est égale à la température effective. Cependant, dans les bonnes conditions, de petits cisaillements de vitesse ionique produisent des augmentations importantes de puissance associée aux spectres à diffusion incohérente, spécialement pour des directions presque perpendiculaires au champ magnétique. Ceci pourrait mener à une surestimation du rapport de température électron/ion et de la densité électronique lorsque les procédures normalisées d’ajustement aux spectres à diffusion incohérente sont utilisées. Pour conclure, les anisotropies de température et les cisaillements de vitesse sont d’importants paramètres qui doivent être considérés dans l’étude des ondes et des instabilités ion-acoustiques au sein de la région F à hautes latitudes et spécialement pour des directions presque perpendiculaires au champ géomagnétique.