Реконструкция глобального электронного содержания в ионосфере и плазмосфере Земли в 10-24 циклах солнечной активности.

Т.Л.Гуляева1 и И.С. Веселовский2,3

1ИЗМИРАН,142190 Москва, Троицк 2НИИЯФ МГУ, 119992 Москва

3 ИКИ, 117997 Москва

Физика плазмы в солнечной системе10-14 февраля, 2014, ИКИ, Москва

Содержание•Введение •Продукт Глобального электронного содержания•Анализ данных и модель•Реконструкция ГЭС в прошлом и будущем•Заключение•Благодарность•Литература

Введение Расчеты Глобального электронного содержания,

ГЭС, были инициированы Афраймовичем и др. [2006; 2008]. ГЭС представляет собой полное число электронов в сферическом слое над Землей ограниченном орбитой спутников Глобальной навигационной системы GPS (20200 км).

ГЭС измеряется в единицах: 1GECU = 1032 эл. Обновленная методика расчета ГЭС [Gulyaeva and

Veselovsky, 2012, 2014] предусматривает разложение данных ТЕС в узлах глобальной карты GIM-TEC в 3х-мерные профили электронной плотности Ne(height, latitude, longitude) с помощью Международной модели ионосферы и плазмосферы, IRI-Plas.

Расчет ГЭС в сферическом сегменте

Сравнение расчета ГЭС без учета сферичности пространства (штрихи) [Афраймович и др., 2006; Afraimovich et al., 2008] с расчетом в сферическом слое (конус, сплошные линии) с учетом вклада измененяющегося с высотой Ne(h) профиля от 0 to 20200 км [Gulyaeva and Veselovsky, 2012, 20014].

Объем сферического слоя на орбите GPS в 17 раз превышает объем у Земли

Ne(h) профиль (слева) и TEC(h) профиль (справа) от 0 to 20,200 km

Соответствие результатов расчета ГЭС за каждый месяц (2009-2011 гг) по двум типам исходных карт ТЕС (JPL и UPC) и прогноз по модели IRI-Plas с вводом параметров максимума слоя F2 по картам ITU-R (CCIR)

Построение климатической модели [Gulyaeva and Veselovsky, 2014]:

(1) Модель включает зависимость ГЭС от трех основных составляющих: солнечная активность, годовые и полугодовые изменения;

(2) Синтезированный индекс солнечных пятен Rzp включает фильтр сжатия в 5 раз по результатам среднего Ri из 3х компонент, в том числе скользящее среднее за 3 дня, среднее за 7 предыдущих дней, и среднее за 81 предыдущий день [Maruyama, 2010; Лаптухов и др., 2009]:

Rzp = 1 + int[1/5(1/3(1/3p-1:p+1Ri + 1/7p-7:p-1Ri + 1/81p-81:p-1Ri ))]

(3) Ежедневные значения ГЭС в зависимости от Rzp проанализированы за период наблюдений 1999-2012 гг.

Карта сезонных изменений ГЭС в зависимости от солнечной активности с 1999 по 2012 гг.

Распределение значений синтезированного индекса солнечных пятен Rzp за каждый месяц 1999-2012 гг

Разложение ежедневных значений ГЭС за 2008 г (черная кривая) в гармонический ряд: годовая волна (1- сплошная синяя линия), полугодовая (2 - малиновая), 1/3 года (3 - зеленая), 1/4 года (4 - оранжевая) и 1/5 года (5 – голубые штрихи).

Средние за каждый месяц значения ГЭС (кружки) в функции от синтезированного солнечного индекса Rzp и построенная по ним климатическая модель ГЭС (синяя кривая)

Временной ряд модельной реконструкции ГЭС с 1850г (внизу, черная кривая) и исходные значения ГЭС за 1999-2012 гг (зеленая кривая). Средние за месяц исходные значения солнечных пятен, SSN (вверху) в 10 – 24 солнечных циклах [Gulyaeva and Veselovsky, 2013]:

Для прогноза на будущее имеем прогноз сглаженных среднемесячных значений солнечных пятен R12 (2014-2016). Корреляция 12-месячного сглаженного GEC12 с R12 по данным за 1999-2012 гг (слева)

Корреляция 12-месячного сглаженного глобального индекса IG12 (по данным foF2) с R12 (справа)

Калибровка 12-месячного сглаженного индекса GEC12c для вврда в качестве управляющего ионосферного индекса в модель IRI-Plas при использовании карт ITU-R (CCIR) параметров foF2 и hmF2.

GEC12 преобразован в индекс GEC12c для масштабирования от единиц GECU к единицам RZ12 с помощью соотношения:

GEC12c = (GEC12 – 1) x 50

Синтезированный ионосферный индекс GEC12c (черный), ионосферный индекс IG12 (зеленый) и индекс солнечных пятен R12 (красный цвет)

Управляющие ионосферные и солнечные индексы в модели ИРИ и ИРИ-Плаз

Период наблюдений и прогнозиндексов R12, IG12 и GEC12с

Заключение-1 Глобальное электронное содержание, ГЭС,

рассчитывается с учетом сферичности околоземного пространства путем преобразования полного электронного содержания по картам GIM-TEC в 3хмерное распределение электронной плотности с помощью модели IRI-Plas.

Часовые, суточные, месячные, 12-месячные средние значения ГЭС произведены по картам GIM-TEC и исследованы за период 1999 – 2013 гг.

Построена климатическая аналитическая модель суточных значений ГЭС в зависимости от солнечной активности, годовых и полугодовых вариаций ГЭС. Средне-квадратичная погрешность климатической модели ГЭС находится в пределах от 8% до 13%.

Заключение-2

• Модель ГЭС построена в зависимости от синтезированного индекса солнечной активности Rzp, варьирующего от 1 до 40 единиц по предложенной формуле на основе индекса солнечных пятен Ri, включая среднее за 3 дня, среднее за 7 предыдущих дней, и среднее за 81 предыдущий день.

• По данным ежедневных значений числа солнечных пятен с 1850 г, модельные значения ГЭС реконструированы с 1850 г по настоящее время.

• Используя корреляцию 12-месячного сглаженного GEC12 с R12, составлен прогноз GEC12 на 2014-2016 гг на основе прогноза R12.

Благодарность: Карты GIM-TEC предоставлены JPL на сайте

ftp://cddis.nasa.gov/pub/gps/products/ionex/ Ионосферная модель IRI-Plas имеется в

свободном доступе на сайте ИЗМИРАН http://ftp.izmiran.ru/pub/izmiran/SPIM/

Данное исследование выполнено при поддержке гранта РФФИ 13-02-91370-CT_a и TUBITAK 112E568.

References Афраймович, Э.Л. , Е.И. Астафьева, И.В. Живетьев, Солнечная

активность и глобальное электронное содержание, Доклады Академии наук, т. 409(3), 399-402, 2006.

Afraimovich, E.L. , E.I. Astafyeva, A.V. Oinats, Yu.V. Yasukevich, I.V. Zhivetiev, Global electron content: a new conception to track solar activity, Annales Geophysicae, vol. 26(2), 335-344, 2008.

Gulyaeva, T., and I. S. Veselovsky, Two-phase storm profile of global electron content in the ionosphere and plasmasphere of the earth, J. Geophys. Res., Space Phys., 117, A09325, doi:10.1029/2012JA018017, 2012.

Лаптухов, А.И., Левитин, A.E., Лаптухов, В.A., Реконструкция информации о межпланетном и солнечном магнитном поле на основе aa индекса геомагнитной активностию Геомагнетизм и аэрономия, 49, 49-57, doi:10.1134/S001679320901006X, 2009.

Maruyama, T., Solar proxies pertaining to empirical ionospheric total electron content models, J. Geophys. Res., 115, A04306, doi:10.1029/2009JA014890, 2010.

Gulyaeva, T.L., and I.S. Veselovsky. Imaging Global Electron Content backwards in time more than 160 years ago. Adv. Space Res., 53(3), 403-411, doi:10.1016/j.asr.2013.11.036, 2014.