[論文レビュー] Numerical modelling of VLF radio wave propagation through earth-ionosphere waveguide and its application to sudden ionospheric disturbances

Sujay Pal|arXiv (Cornell University)|Mar 19, 2015

Ionosphere and magnetosphere dynamics参考文献 54被引用数 8

ひとこと要約

本研究は、インド宇宙物理学センター（ICSP）のデータを用いて検証した、VLF電波の地球・電離圏波ガイド内を通過する伝搬をレイトレーシング法に基づく数値モデルでシミュレートするものである。このモデルは、日周変動のVLF信号変化を正常に再現し、2009年の日食および2010年の月食を伴う日食の際の電離圏の不規則な状態をモデル化し、観測された信号の異常からD層電子密度の変化を推定可能である。

ABSTRACT

In this thesis, we theoretically predict the normal characteristics of Very Low Frequency (3~30 kHz) radio wave propagation through Earth-ionosphere waveguide corresponding to normal behavior of the D-region ionosphere. We took the VLF narrow band data from the receivers of Indian Centre for Space Physics (ICSP) to validate our models. Detection of sudden ionospheric disturbances (SIDs) are common to all the measurements. We apply our theoretical models to infer the D-region characteristics and to reproduce the observed VLF signal behavior corresponding to such SIDs. We develop a code based on ray theory to simulate the diurnal behavior of VLF signals over short propagation paths (2000~3000 km). The diurnal variation from this code are comparable to the variation obtained from a more general Long Wave Propagation Capability (LWPC) code which is based on mode theory approach. We simulate the observational results obtained during the Total Solar Eclipse of July 22, 2009 in India. We also report and simulate a historic event, namely, the lunar occultation of a solar flare during the annular solar eclipse of 15th January, 2010 and find the effects on the D-region electron density profiles.

研究の動機と目的

• 通常のD層電離圏条件下における、地球・電離圏波ガイド内を通過するVLF波の伝搬をモデル化すること。
• インド宇宙物理学センター（ICSP）が収集した帯域制限VLFデータを用いて、理論的モデルを検証すること。
• 観測されたVLF信号における急激な電離圏不規則状態（SIDs）を検出・分析し、それに伴うD層電離圏の変化を推定すること。
• 特に2009年の皆既日食および2010年の金環日食に伴う月による太陽フレアの食の際のVLF信号挙動をシミュレート・解釈すること。
• レイトレーシング法に基づくモデルの結果を、モード理論に基づく既存のLong Wave Propagation Capability（LWPC）コードの結果と比較すること。

提案手法

• 地球・電離圏波ガイド内を2000–3000 kmの短距離で伝搬するVLF波をシミュレートするためのレイトレーシングアルゴリズムを開発する。
• 伝搬境界を定義するために、通常のD層条件を反映した電子密度プロファイルを用いる。
• モデルの日周変動予測の妥当性を検証するため、ICSP受信機が収集した観測VLF信号データを入力として用いる。
• 特に日食の際の電離圏状態の変化に伴う信号の振幅および位相変化を、さまざまな電離圏条件下でシミュレートする。
• モード理論に基づくLWPCコードの結果と比較することで、モデルの整合性および正確性を評価する。
• 太陽フレアや日食に起因する電離化変化に基づき、電子密度プロファイルを変更することで、急激な電離圏不規則状態の影響をモデル化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 レイトレーシングモデルは、2000–3000 kmの地球・電離圏波ガイド路線におけるVLF信号の日周変動をどの程度正確に再現できるか？
• RQ2 日食中の観測されたVLF信号の異常は、D層における予測された電離圏不規則状態とどの程度相関しているか？
• RQ3 月食を伴う金環日食の際、月に隠された太陽フレアがVLF伝搬に与える影響をモデルが検出・シミュレートできるか？
• RQ4 レイトレーシングモデルの結果は、既存のLWPCモード理論コードの結果と定量的にどの程度一致するか？
• RQ5 急激な電離圏不規則状態の際の観測されたVLF信号挙動から、D層電子密度プロファイルに関するどのような知見が得られるか？

主な発見

• レイトレーシングモデルは、2000–3000 kmの伝搬路においてVLF信号の日周変動を正常に再現し、モード理論に基づくLWPCコードの結果と良好に一致した。
• モデルは2009年の皆既日食中のVLF信号挙動を正確にシミュレートし、D層電離圏の低下に起因する信号振幅の減少を捉えた。
• 2010年の金環日食に伴う太陽フレアの月食に起因する一時的なVLF信号の摂動を、モデルは再現した。これは、電離圏に測定可能な反応が生じたことを示している。
• 観測されたSIDsは、D層電子密度の変化と一貫して関連しており、モデルは電離圏プロファイルを調整することでその変化を再現可能である。
• 本研究は、地球・電離圏波ガイド内におけるVLF伝搬のモデリングにおいて、モード理論の代替手段としてレイトレーシング法が実用的かつ計算的に効率的であることを確認した。
• モデルは、一時的な太陽イベントに伴うVLF信号測定値からD層電子密度の変化を定量的に推定するフレームワークを提供する。