[論文レビュー] Impact of Solar Activity on the Ionosphere/Thermosphere during Geomagnetic Quiet Time for CTIPe and TIE-GCM

A. Fitzmaurice, M. M. Kuznetsova+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 23, 2017

Ionosphere and magnetosphere dynamics参考文献 2被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、F10.7フラックスを用いて測定された異なる太陽活動レベルが、CTIPeおよびTIE-GCMを用いた磁気安静状態下における電離圏・熱圏モデルに与える影響を評価した。結果として、太陽活動がTEC出力に最も強く影響することが示された。TIE-GCMはCTIPeよりも一般的に高い値を出力したが、全体的なTECの過大評価にもかかわらず、CTIPe v3.2が観測値と最も良好な一致を示した。

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.

研究の動機と目的

• 磁気安静時における太陽活動が電離圏／熱圏モデル出力に与える影響を評価すること。
• 一貫した安静状態下でCTIPeとTIE-GCMのモデル性能を比較すること。
• 特にTEC、hmF2、O/N2に関して、観測データとの整合性を評価し、モデルの正確性を検証すること。
• 暴風時のデータとの比較を可能にするために、安静時挙動のベースラインを確立すること。
• 正確な安静時シミュレーションを実現するための最適なモデル設定および太陽駆動入力の特定

提案手法

• Kp=2、n=3 cm³、v=400 km/sを固定し、CTIPeおよびTIE-GCMを用いて2日間のシミュレーションを実施し、太陽活動の影響を分離した。
• F10.7フラックスを70、110、150、190 sfuに変化させ、磁気安静状態下での異なる太陽活動レベルを表現した。
• TIE-GCMにおける高緯度電気的ポテンシャルの表現を改善するため、Weimerモデルを用いた。
• 両モデルおよびF10.7レベルごとのTEC、hmF2、O/N2の出力を比較し、感度を評価した。
• 3月17日、2013年の磁気暴風時におけるミルストーン観測所の観測データを用いて、結果の妥当性を検証した。
• モデル出力と観測値の間で視覚的および定量的比較を実施し、正確性およびモデルの一貫性を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 F10.7フラックスで測定される太陽活動が、磁気安静時におけるCTIPeおよびTIE-GCMのTEC、hmF2、O/N2にどのように影響を与えるか？
• RQ2 磁気安静時条件下で、CTIPeとTIE-GCMのどちらのモデルがより正確な電離圏／熱圏出力を得られるか？
• RQ3 モデルの初期化およびウォームアップ期間が、CTIPe出力の一貫性および信頼性に与える影響は何か？
• RQ4 モデルの結果は、磁気暴風時におけるミルストーン観測所からの実際の観測とどのように一致するか？
• RQ5 例えばWeimer電気的ポテンシャルモデルのようなモデル設定は、暴風時における観測TECとの一致をどのように向上させるか？

主な発見

• 太陽活動がTEC出力に最も強い影響を及ぼし、F10.7値が高くなるほど両モデルともTECが増加した。
• hmF2およびO/N2出力が最も感受性が低く、安静時におけるこれらのパラメータは太陽駆動に対してあまり反応しなかった。
• TIE-GCMは全F10.7レベルでCTIPeよりも高い値を一貫して出力しており、モデル構築またはパrameterizationに系統的なバイアスが存在する可能性を示唆した。
• CTIPe v3.2は、全体的なTEC過大評価にもかかわらず、特にTECの再現において観測値と最も良好な一致を示した。
• CTIPe v3.1では2日間のシミュレーション中に一貫性のない出力値が観測されたため、安定した結果を得るにはより長いウォームアップ期間が必要であると示唆された。
• 高緯度電気的ポテンシャルにWeimerモデルを適用したTIE-GCMは、ミルストーン観測所データとの検証を通じて、暴風時シミュレーションにおいてより正確な結果を示した。