[논문 리뷰] Impact of Solar Activity on the Ionosphere/Thermosphere during Geomagnetic Quiet Time for CTIPe and TIE-GCM

A. Fitzmaurice, M. M. Kuznetsova외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 01. 23.

Ionosphere and magnetosphere dynamics참고 문헌 2인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 CTIPe와 TIE-GCM를 사용하여 지구 자기활동이 조용한 상태일 때 태양 활동 수준(측정된 F10.7 복사율을 통해) 이온층/온층 모델에 미치는 영향을 평가한다. 결과적으로 태양 활동이 TEC 출력에 가장 강한 영향을 미치며, TIE-GCM는 일반적으로 CTIPe보다 높은 값을 생성하지만, 전체적으로 TEC를 과대평가하는 바에 비해 CTIPe v3.2는 관측치와 가장 잘 일치함을 보였다.

ABSTRACT

This study examines the impact that solar activity has on model results during geomagnetic quiet time for the ionosphere/thermosphere models: the Coupled Thermosphere Ionosphere Plasmasphere Electrodynamics Model (CTIPe) and the Thermosphere-Ionosphere-Electrodynamics General Circulation Model (TIE-GCM). Using varying F10.7 flux values as a measurement of solar activity, the models were run over a two-day period with the constant parameters Kp= 2, n= 3 cm^3, and v= 400 km/s. Four F10.7 values (70, 110, 150, and 190) were selected based off of the average F10.7 values for geomagnetic quiet days across the current solar cycle. Our analysis of the model results showed that solar activity has the greatest effect on TEC output and the least effect on hmF2 and O/N2 output. Overall, TIE-GCM output tends to be higher than CTIPe, however, inconsistent values across the two-day CTIPe v3.1 output suggests that this model needs a longer warm-up period. When visually compared against observed data, CTIPe v3.2 performs the best, although all models greatly overestimated values for TEC. Analyses of models during geomagnetic quiet time are important in establishing a baseline which can be compared against storm data. An example of this was completed at the end of the study, using storm data obtained from Millstone Observatory on March 17, 2013. In this analysis, we found that TIE-GCM using the Weimer model to calculate the high-latitude electric potential provided more accurate results. Continued research in this area will be useful for understanding the impact of geomagnetic storms on the thermosphere/ionosphere.

연구 동기 및 목표

• 지구 자기활동이 조용한 상태일 때 태양 활동이 이온층/온층 모델 출력에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 일관된 조용한 상태 조건에서 CTIPe와 TIE-GCM 간의 모델 성능을 비교하기 위해.
• 특히 TEC, hmF2, O/N2에 대해 관측 데이터와의 정확도를 평가하기 위해.
• 태풍 발생 시 데이터와의 비교를 가능하게 하기 위해 조용한 상태에서의 행동을 기준으로 설정하기 위해.
• 정확한 조용한 상태 시뮬레이션을 위한 최적의 모델 구성과 태양 강력 입력을 규명하기 위해.

제안 방법

• 고정된 Kp=2, n=3 cm³, v=400 km/s 조건으로 CTIPe와 TIE-GCM를 사용하여 2일 간의 시뮬레이션을 수행하여 태양 활동의 영향을 분리하였다.
• 조용한 자기활동 조건에서 다양한 태양 활동 수준을 반영하기 위해 F10.7 복사율을 70, 110, 150, 190 sfu로 변화시켰다.
• TIE-GCM에서 고위도 전기 포텐셜을 더 잘 표현하기 위해 Weimer 모델을 사용하였다.
• 모든 F10.7 수준에서 두 모델 간의 TEC, hmF2, O/N2 출력을 비교하여 민감도를 평가하였다.
• 2013년 3월 17일 지구 자기폭풍 기간 동안 밀스톤 관측소에서 확보한 관측 데이터와 결과를 비교하여 검증하였다.
• 모델 출력과 관측치 간의 시각적 및 정량적 비교를 통해 정확도와 모델 일관성을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 F10.7 복사율로 측정된 태양 활동이 조용한 자기활동 조건에서 CTIPe와 TIE-GCM의 TEC, hmF2, O/N2에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 조용한 상태 조건에서 CTIPe와 TIE-GCM 중 어느 모델이 더 정확한 이온층/온층 출력을 생성하는가?
• RQ3 모델 초기화 및 예열 기간의 영향이 CTIPe 출력의 일관성과 신뢰성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 모델 결과는 자기폭풍 기간 동안 밀스톤 관측소에서 확보한 실질 관측치와 어떻게 비교되는가?
• RQ5 Weimer 전기 포텐셜 모델과 같은 특정 모델 구성은 태풍 발생 시 관측된 TEC와의 일치도를 높이는가?

주요 결과

• 태양 활동은 TEC 출력에 가장 강한 영향을 미치며, 높은 F10.7 값일수록 두 모델 모두 TEC가 증가한다.
• hmF2와 O/N2 출력에서 가장 낮은 민감도가 관찰되어, 이들 매개변수는 조용한 상태에서 태양 강력에 대해 덜 반응하는 것으로 나타났다.
• TIE-GCM는 모든 F10.7 수준에서 CTIPe보다 일관되게 높은 값을 생성하여, 모델 구성 또는 파rameter화에 체계적인 편향이 있음을 시사한다.
• CTIPe v3.2는 전체적으로 TEC 과대평가가 있었음에도 불구하고 관측치와 가장 잘 일치하는 결과를 보였으며, 특히 TEC 표현에서 뛰어난 성능을 보였다.
• CTIPe v3.1에서 2일 간의 시뮬레이션 동안 일관되지 않은 출력 값이 나타나, 안정된 결과를 얻기 위해 더 긴 예열 기간이 필요함을 시사한다.
• 고위도 전기 포텐셜에 Weimer 모델을 적용한 TIE-GCM는 밀스톤 관측소 데이터와의 검증을 통해 태풍 발생 시 더 정확한 시뮬레이션을 제공하였다.