Comportamiento característico de la estructura vertical de la ionosfera en condiciones de calma y perturbadas

Resumen   Abstract   Índice   Conclusiones


Estefania Blanch Llosa

2010-A
Premio Opción A 2010
Descargar PDF


 
Resumen

1. INTRODUCCIÓN

El modelo Internacional de Referencia de la Ionosfera (IRI) es el modelo empírico más completo y utilizado para predecir el estado de la ionosfera (Bilitza and Reinisch, 2008). Estudios comparativos de las predicciones del IRI con los valores experimentales muestran que para las frecuencias críticas y las alturas del máximo de ionización de cada capa (especialmente para la capa F2: foF2, hmF2) el IRI ajusta razonablemente bien con los valores esperados durante días tranquilos (Mosert et al., 2004; Blanch et al., 2007). Sin embargo, las predicciones del IRI para los parámetros de la parte baja de la capa F2, B0 y B1, muestran discrepancias significativas con respecto a los valores experimentales (Sethi and Mahajan, 2002; Lei et al., 2004; Blanch et al., 2007; Zhang et al., 2008). Ya que los parámetros B0 y B1 son dos parámetros clave para describir la parte baja de la capa F2 del perfil de densidad electrónica del IRI (B0 es un parámetro equivalente al semi espesor de la capa F2 y B1 está relacionado con la forma del perfil de esta capa), uno de los objetivos de la comunidad científica del IRI es reemplazar la actual opción estándar por funciones matemáticas apropiadas que mejoren la predicción de estos parámetros (IRI 2006 Workshop report, http://iri.gsfc.nasa.gov/docs/ iri_06_ report.html).

Estudios comparativos de la predicción del IRI a la respuesta de la ionosfera durante días perturbados con los valores experimentales muestran que el modelo de corrección del IRI, el modelo STORM, predice básicamente el efecto negativo en la densidad electrónica de la tormenta en los equinoccios y en verano para latitudes medias pero no en invierno ni en estaciones cerca del ecuador y no predice el efecto positivo (Araujo-Pradere and Fuller-Rowell, 2002; Araujo-Pradere et al., 2004; Miró et al., 2007). Actualmente se están realizando continuos esfuerzos para poder mejorar la predicción de los efectos de las tormentas geomagnéticas en la densidad electrónica, así como mejorar el conocimiento de los mecanismos físicos que los producen (Davis et al., 1997; Huang et al., 2002; Tsagouri and Belehaki, 2006). Sin embargo, se han dedicado pocos esfuerzos para analizar y predecir el comportamiento de la altura del máximo de densidad electrónica (hmF2) en condiciones perturbadas. Resultados de estudios anteriores muestran un elevamiento de la altura del máximo de ionización durante la fase principal de las tormentas geomagnéticas (Prölss, 1993). La falta de disponibilidad de registros y especialmente una formulación poco precisa para obtener la altura del máximo de ionización (Shimazaki, 1955; Dudeney, 1974) han sido las causas más significativas que han dificultado esta tarea. La red actual de ionosondas digitales (Reinisch et al., 2004) ofrece el perfil de densidad electrónica en altura real, N(h), en un amplio rango de latitudes y longitudes de manera que establece una base de datos adecuada de la que se puede obtener, entre otras características ionosféricas, medidas directas de hmF2. Otro de los objetivos de la comunidad científica del IRI es, por lo tanto, poder predecir el efecto de las tormentas geomagnéticas sobre la altura real del máximo de densidad de la ionosfera, ya que la versión actual de este modelo no contempla dicho efecto (IRI 2007 Workshop report, http://iri.gsfc.nasa.gov/docs/iri_07_ report.html).

Con el fin de salvar las limitaciones anteriores, los objetivos de la presente investigación son:

A. Mejorar el conocimiento del comportamiento ionosférico en condiciones de calma y en concreto mejorar la predicción de los parámetros B0 y B1 para días tranquilos.

B. Profundizar en el conocimiento del comportamiento ionosférico en condiciones perturbadas, en concreto, de los efectos de las tormentas geomagnéticas sobre la altura del máximo de densidad de la ionosfera y determinar su modelado.

Esta investigación se ha llevado a cabo siguiendo las siguientes pautas:

Parte A. Condiciones de calma:

A.1. Determinar y analizar el comportamiento característico de los parámetros B0 y B1 en condiciones de calma.

A.2. Determinar un Modelo Local que se ajuste al comportamiento de estos parámetros. Comprobar su validez a latitudes medias y ampliar el estudio a otras latitudes.

A.3. Realizar un Modelo Global que prediga el comportamiento de los parámetros B0 y B1.

Parte B. Condiciones perturbadas:

B.1. Analizar la respuesta de la ionosfera en latitudes medias a la tormenta geomagnética más intensa del ciclo solar 23 ocurrida el 20 Noviembre de 2003.

B.2. Analizar el comportamiento de la ionosfera para varias tormentas geomagnéticas intensas a partir de las principales características ionosféricas foF2 y hmF2. Determinar los mecanismos físicos responsables de dicho comportamiento.

B.3. Identificar el comportamiento característico de hmF2 en latitudes medias durante tormentas geomagnéticas intensas, identificación de los mecanismos físicos responsables y modelado. 

Con los resultados de los objetivos anteriores se pretende contribuir a mejorar el modelo Internacional de Referencia de la Ionosfera para días de calma y días perturbados.

2. PARTE A: CONDICIONES DE CALMA

La primera parte de esta investigación se centra en el estudio de la región ionosférica F visible desde tierra (150 km – 350 km aproximadamente) para días de calma. Se pretende obtener el comportamiento característico de los parámetros B0 y B1 en condiciones de calma. Así mismo, se pretende obtener un modelo empírico a escala global que mejore la predicción actual del IRI y que pueda representarse mediante funciones analíticas simples y no de forma tabular como ocurre en la actual versión que rige al IRI. La investigación realizada en esta primera parte se ha conducido en tres etapas:

1. Determinar el comportamiento típico de estos parámetros en latitudes medias.

2. Elaborar un modelo local y analizar su validez a otras latitudes.

3. Expandir el modelo local a escala global.

Los resultados de esta investigación muestran que el IRI no reproduce bien todos los parámetros ionosféricos. Mientras que el coeficiente de correlación lineal del ajuste entre los valores experimentales y los predichos es alrededor de 0.9 para parámetros como foF2, hmF2 y foE, éste no supera el 0.2 para parámetros como D1 (parámetro ligado a la presencia de la capa F1). El hecho de que la densidad electrónica de la capa F2 sea la contribución predominante al contenido total de electrones durante días tranquilos hace necesario tener una buena predicción de los parámetros que definen el perfil de densidad electrónica de la capa F2. El IRI proporciona una buena predicción de foF2 y hmF2 pero no de B0 y B1, los parámetros que definen respectivamente el espesor y la forma del perfil de densidad electrónica del IRI de la capa F2. Por esta razón se han centrado los esfuerzos en analizar el comportamiento de estos dos parámetros para mejorar las predicciones actuales. Se ha determinado el comportamiento típico diurno y estacional de los parámetros B0 y B1 en latitudes medias, y su dependencia con la actividad solar. Se ha simulado dicho comportamiento utilizando funciones armónicas, de manera que se ha obtenido un modelo empírico local que depende de la hora local, de la estación del año, y de la actividad solar. Este modelo realiza una predicción más satisfactoria que la del IRI, y su exactitud no depende de la actividad solar como sí ocurre con el IRI. También se ha extendido el modelo a escala global, simulando las variaciones latitudinades y longitudinales de los parámetros de estudio en términos de armónicos esféricos. El modelo global depende de la hora local, estación del año, actividad solar y posición geográfica. Las predicciones obtenidas con dicho modelo para el espesor de la capa F2 (parámetro B0) mejoran la predicción del IRI en un 40%, mientras que para la forma del perfil de densidad (parámetro B1) la mejoran en un 20% (Altadill et al., 2009). Es por ello que este modelo global ha sido aceptado para ser incluido en la nueva actualización del IRI (en concreto en la versión IRI 2010). La metodología para obtener estos modelos globales de B0 y B1 se podría aplicar a otros parámetros ionosféricos, como por ejemplo hmF2, hmE y Hm (escala de alturas), para mejorar su actual predicción durante días tranquilos (Altadill et al., 2008a). Esto podría ayudar, entre otras cosas, a la obtención de desviaciones del comportamiento en condiciones de calma durante intervalos magnéticamente perturbados.

3. PARTE B: CONDICIONES PERTURBADAS

Esta parte de la investigación se centra en el estudio de los efectos de las tormentas geomagnéticas en la estructura vertical de la ionosfera, en especial en la variación de la altura del máximo de ionización, hmF2, para estaciones de latitudes medias. En esta investigación, a diferencia de trabajos experimentales anteriores en que estos valores eran derivados indirectamente a partir de otros parámetros (Prölss and Ocko, 2000; Denton et al., 2009) o que se utilizaban medidas de la altura virtual (Deminova et al., 1998), se utilizan medidas directas de la altura real de la ionosfera.

El objetivo de esta investigación es determinar el comportamiento característico de hmF2 durante la fase principal de las tormentas geomagnéticas intensas, identificar los mecanismos físicos responsables de este comportamiento y realizar un modelo empírico que lo reproduzca. Para esto se propone:

1. Analizar en detalle la respuesta de la ionosfera en latitudes medias del sector Europeo para un caso particular de perturbación geomagnética.

2. Extender el estudio anterior a un número mayor de estaciones y tormentas geomagnéticas para analizar la respuesta de la ionosfera en latitudes medias a tormentas geomagnéticas intensas e identificar los mecanismos físicos responsables de dicho comportamiento.

3. Determinar, en particular, el comportamiento característico de la variación de la altura del máximo de ionización en condiciones perturbadas y proceder a su modelado.

Se ha analizado la respuesta de la ionosfera para un caso particular: la tormenta geomagnética más intensa del ciclo solar 23 que tuvo lugar el 20 de noviembre de 2003. El objetivo de este primer análisis ha sido ilustrar cualitativamente los efectos más significativos que se producen en la ionosfera en latitudes medias durante una tormenta geomagnética y discutir sobre los mecanismos físicos potenciales de estos efectos. Se ha observado la generación de una capa E esporádica de origen auroral, un aumento significativo de la altura del máximo de ionización y una variación de la densidad electrónica diferente según la latitud de la estación (Blanch et al, 2005). Se ha ampliado el estudio anterior a otras tormentas geomagnéticas para extraer algunas pautas morfológicas de estos efectos. Se ha analizado la evolución temporal en latitudes medias de los parámetros foF2 y hmF2 deducidos de los perfiles de densidad electrónica para visualizar con más detalle los efectos positivos y negativos en la densidad y los cambios en la altura causados por la tormenta. Los resultados muestran claramente que el retraso de estos efectos respecto al inicio de la tormenta es diferente según se consideren los efectos negativos o los efectos positivos y que el levantamiento de la altura ionosférica siempre precede tanto a los efectos positivos como a los negativos en la densidad electrónica. Las observaciones simultáneas en distintas estaciones distribuidas en latitud han permitido determinar cómo se propaga la perturbación ionosférica en la altura generada por una tormenta geomagnética y se ha estimado su velocidad, que la sitúa en la categoría de las TADs (Altadill et al., 2008b). En base a estos resultados y a falta de un modelo de perturbación de la altura ionosférica, el siguiente objetivo ha sido analizar en profundidad la respuesta de hmF2 durante tormentas geomagnéticas intensas, identificar los mecanismos físicos responsables de esta variación y construir un modelo empírico capaz de reproducir su comportamiento en condiciones perturbadas. Este análisis se ha realizado sobre la Península Ibércia. La respuesta de hmF2 durante tormentas geomagnéticas intensas se ha evaluado como la desviación que sufre el comportamiento ionosférico en días perturbados respecto al comportamiento en días de calma. Los resultados obtenidos de esta investigación muestran que la altura de la ionosfera reacciona de una forma característica a la perturbación geomagnética. Se ha determinado que la perturbación, dhmF2, se caracteriza por dos pulsos (dependiendo del tiempo local al inicio de la tormenta), el primero de 1 a 3 horas después del inicio de la fase principal de la tormenta geomagnética y el segundo en el sector de noche cuando la estación entra en el sector de perturbación de la composición. Se ha observado que la morfología del comportamiento de la variación de hmF2 depende del campo magnético interplanetario (IMF Bz), del tiempo local y de la estación del año. Este comportamiento, que se repite de manera sistemática, se ha modelado empíricamente mediante funciones gaussianas. Los coeficientes que definen estas funciones dependen de la configuración de IMF Bz, del tiempo local y de la estación del año. El modelo empírico obtenido predice la variación de la altura de la ionosfera sobre latitudes de la Península Ibérica en tiempo casi-real durante condiciones perturbadas con un 86% de acierto sin generar falsas alarmas, y con un RMSE de 40Km respecto a los valores experimentales, comparable al rango de variación experimental obtenido para los cuatro días más tranquilos adyacentes al día perturbado.

4. CONCLUSIONES

Esta investigación se ha centrado en profundizar en el conocimiento del comportamiento de la estructura vertical de la región F de la ionosfera, tanto en condiciones de calma como perturbadas, y en su modelado mediante funciones analíticas simples. 

 La primera parte de la investigación se ha dedicado al estudio de la región ionosférica F visible desde tierra situada entre 150 km y 350 km de altura aproximadamente en condiciones de calma. El objetivo de este estudio ha sido determinar el comportamiento característico del espesor y la forma del perfil de densidad electrónica de esta región y obtener un modelo que mejore la predicción actual de estas características ionosféricas. En el modelo Internacional de Referencia de la Ionosfera (IRI), estas características ionosféricas están definidas por los parámetros B0 y B1 respectivamente. Este trabajo ha venido motivado por las significativas discrepancias existentes entre las predicciones de estos parámetros realizadas por el IRI y los valores experimentales en condiciones de calma. Con este trabajo se ha conseguido identificar las variaciones temporales de B0 y B1 a diferentes latitudes. Se ha identificado una variación diurna y semidiurna que depende de la estación del año, actividad solar y latitud. El carácter periódico de estas variaciones permite que puedan ser modeladas utilizando funciones armónicas, de manera que para realizar el modelado de los parámetros B0 y B1 a escala global se ha utilizado el análisis de armónicos esféricos como técnica analítica. La mejora en la predicción de estos parámetros con respecto a las predicciones del IRI es de un 40% para el parámetro B0 y de un 20% para el parámetro B1. Esta mejora permitirá obtener un perfil vertical de la densidad electrónica del IRI más preciso que el que se obtiene con las predicciones actuales. 

La segunda parte de la investigación se ha dedicado al estudio de los efectos de las tormentas geomagnéticas en la estructura vertical de la ionosfera, en especial en la reacción de la altura del máximo de ionización, hmF2. El objetivo de esta investigación ha sido obtener el comportamiento característico de hmF2 causado por condiciones geomagnéticamente perturbadas, analizar los mecanismos físicos capaces de generar dicho comportamiento y obtener un modelo que sea capaz de reproducirlo. Este trabajo ha estado motivado por la inexistencia de un modelo capaz de reproducir el comportamiento de la altura del máximo de ionización en condiciones perturbadas. La aportación de esta investigación ha permitido profundizar en el conocimiento del comportamiento ionosférico en condiciones perturbadas e identificar los mecanismos físicos responsables de éste. Uno de los resultados que se han conseguido en este sentido ha sido obtener el patrón de comportamiento respecto al tiempo local de la manifestación de los efectos positivos y negativos a latitudes medias. Este trabajo también ha permitido determinar el comportamiento característico de la perturbación causada en hmF2 durante tormentas geomagnéticas utilizando, por primera vez, medidas de hmF2 obtenidas del perfil vertical de la densidad electrónica en altura real. Esta perturbación causada en hmF2 puede explicarse considerando el comportamiento de los vientos neutros termosféricos que se generan en latitudes aurorales como resultado del calentamiento Joule en esa zona durante las tormentas geomagnéticas. Estos resultados aportan también una evidencia experimental del modelo de tormenta a latitudes medias basado en el papel rector de la circulación del viento neutro termosférico (Prölss, 1993; Fuller-Rowell et al., 1994; Fuller-Rowell et al., 1996). Este comportamiento sistemático de la perturbación causada en hmF2 se ha modelado mediante funciones analíticas. Esto ha permitido desarrollar, por primera vez, un modelo empírico capaz de predecir la perturbación en hmF2 resultante durante tormentas geomagnéticas con un 86% de acierto. Se pretende utilizar este modelo empírico como una herramienta de predicción en tiempo casi-real.

5. REFERENCIAS

Altadill, D., D. Arrazola, E. Blanch and D. Buresova, Solar activity variations of ionosonde measurements and modeling results, Advances in Space Research, 42 (4), 610-616, 2008a.

Altadill, D., E. Blanch and V. Paznukhov, Respuesta de la ionosfera en latitudes medias a tempestades geomagnéticas intensas. Física de la Tierra, 20, 115-132, ISSN: 0214-4557, Servicio de Publicaciones de la Universidad Complutense de Madrid, 2008b.

Altadill, D., J.M. Torta and E. Blanch, Proposal of new models of the bottom-side B0 and B1 parameters for IRI, Advances in Space Research, 43 (11), 1825-1834, 2009.

Araujo-Pradere, E.A. and T.J. Fuller-Rowell, STORM: An empirical storm-time ionospheric correction model. 2. Validation, Radio Science, 37, 10.1029/2002RS002620, 2002.

Araujo-Pradere, E.A., T.J. Fuller-Rowell, M.V., Codrescu and A. Anghel, Evaluation and prospects for storm-time corrections in the International Reference Ionosphere, Advances in  Space Research, 33 (6), 902-909, 2004.

Bilitza, D. and B.W. Reinisch, International Reference Ionosphere 2007: Improvements and new parameters, Advances in Space Research, 42 (4), 599-609, 2008.

Blanch, E., D. Altadill, J. Boska, D. Buresova and M. Hernández-Pajares, November 2003 event: effects on the Earth’s ionosphere observed from ground-based ionosonde and GPS data, Annales Geophysicae, 23, 3027-3034, 2005.

Blanch, E., D. Arrazola, D. Altadill, D. Buresova and M. Mosert, Improvement of IRI B0, B1 and D1 at mid-latitudes using MARP, Advances in Space Research, 39(5), 701-710, 2007.

Davis, C.J., M.N. Wild, M. Lockwood and Y.K. Tulunay, Ionospheric and geomagnetic responses to changes in IMF Bz: a superposed epoch study, Annales Geophysicae, 15, 217–230, 1997.

Deminova, G.F., V.M. Shashunkina and E.E. Goncharova, A global empirical model of effects of large-escale internal gravity waves in the night-time ionosphere, Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics, 60 (2), 227-245, 1998.

Denton M.H., T. Ulich and E. Turunen, Modification of midlatitude ionospheric parameters in the F2 layer by persisten high-speed solar wind streams, Space Weather, 7, S04006, doi:10.1029/2008SW000443, 2009.

Dudeney, J.R., A simple empirical method for estimating the height and semi-thickness of the F2-layer at the Argentine Islands, Graham Land, Scientific Reports 88, British Antarctic Survey, Cambridge, U.K., 1974. 

Fuller-Rowell, T.J., M.V. Codrescu, R.J. Moffett and S. Quegan, Response of the thermosphere and ionosphere to geomagnetic storms, Journal of Geophysical Research, 99 (A3), 3893-3914, 1994.

Fuller-Rowell, T.J., M.V. Codrescu, H. Rishbeth, R.J. Moffett and S. Quegan, On the seasonal response of the thermosphere and ionosphere to geomagnetic storms, Journal of Geophysical Research, 101 (A2),  2343-2353, 1996.

Huang, C.-S., J.C. Foster and P.J. Erickson, Effects of solar wind variations on the midlatitude ionosphere, Journal of Geophysical Research, 107 (A8), 1192-1203, 2002.

Lei, J., L. Liu, W. Wan, W., S.R. Zhang and J.M. Holt, A statistical study of ionospheric profile parameters derived from Millstone Hill incoherent scatter radar measurements. Geophysical Research Letters, 31, L14804, doi:10.1029/2004GL020578, 2004. 

Miró, G., M. Cueto, K. Alazoc and S.M. Radicella, Validation of the STORM model used in IRI with ionosonde data, Advances in Space Research, 39 (5), 681-686, 2007.

Mosert, M., D. Buresova, R. Ezquer, G. Mansilla, Behavior of the bottomside electron density profile over Pruhonice. Advances in Space Research, 34 (9), 1982–1989, 2004.

Prölss, G.W., On explaining the local time variation of ionospheric storm effects, Annales Geophysicae, 11 (1), 1-9, 1993.

Prölss, G.W. and M. Ocko, Propagation of upper atmospheric storm effects towards lower latitudes, Advances in Space Research, 26 (1), 131-135, 2000.

Reinisch, B.W., I.A. Galkin, G. Khmyrov, A. Kozlov and D. F. Kitrosser, Automated collection and dissemination of ionospheric data from the digisonde network, Advances in Radio Science, 2, 241-247, 2004.

Sethi, N.K. and K.K. Mahajan, The bottomside parameters B0, B1 obtained from incoherent scatter measurements during a solar maximum and their comparisons with the IRI-2001 model, Annales Geophysicae, 20 (6), 817-822, 2002. 

Shimazaki, T., World wide daily variations in the height of the maximum electron density in the ionospheric F2 layer, Journal of the Radio Research Laboratories, Japan, 2, 85-97, 1955.

Tsagouri, I. and A. Belehaki, A new empirical model of middle latitude ionospheric response for space weather applications, Advances in Space Research, 37 (2), 420–425, 2006.

Zhang, M.L., W. Wan, L. Liu and J.K. Shi, Variability of the behavior of the bottomside (B0, B1) parameters obtained from the ground-based ionograms at China’s low latitude station. Advances in Space Research, 42 (4), 695-702, 2008.

 


 
Abstract

Esta investigación se ha centrado en profundizar en el conocimiento del comportamiento de la estructura vertical de la región F de la ionosfera, tanto en condiciones de calma como perturbadas, y en su modelado mediante funciones analíticas. Las pretensiones de esta investigación han estado motivadas por las discrepancias existentes entre las predicciones ionosféricas del espesor y la forma del perfil de densidad de la región F en condiciones de calma y su variación característica, y por la ausencia de un modelo capaz de reproducir la respuesta de la altura del máximo de ionización a condiciones perturbadas. En esta investigación se ha determinado el comportamiento patrón del espesor y la forma del perfil de densidad electrónica de la región F en condiciones de calma (determinados por los parámetros B0 y B1 del modelo Internacional de Referencia de la Ionosfera, IRI) en un amplio rango de longitudes y latitudes. Con esto, se ha desarrollado un modelo global para cada parámetro mediante una formulación analítica simple que simula las variaciones temporales de éstos en condiciones de calma. La simulación de estos modelos mejora (en términos del error cuadrático medio, RMSE) las predicciones del IRI en un 40 % para B0 y en un 20 % para B1. También se ha caracterizado la reacción de la altura del máximo de ionización, hmF2, en latitudes medias y condiciones magnéticamente perturbadas, y se ha determinado un comportamiento sistemático de dicha perturbación, ?hmF2, cuya morfología depende del campo magnético interplanetario (IMF), del tiempo local, de la estación del año y de la latitud. Con ello, se ha desarrollado un modelo empírico que simula la perturbación en hmF2 resultante durante tormentas geomagnéticas intensas mediante funciones analíticas. Este modelo predice los eventos de ?hmF2 con un 86 % de acierto sin generar falsas alarmas y con un RMSE de 40 km respecto a los valores experimentales, que es equivalente al rango de variación experimental obtenido en condiciones de calma. Finalmente, resaltar que también han sido objeto de estudio en esta investigación los mecanismos responsables del comportamiento ionosférico tanto en condiciones de calma como perturbadas y, especialmente, el modelo de tormenta basado en el papel rector de la circulación del viento neutro termosférico.

 

 
Índice

INTRODUCCIÓN1

1. La ionosfera3

2. Variaciones de la ionosfera7

3. Modelo Internacional de Referencia de la Ionosfera (IRI)9

4. Tormentas ionosféricas14

5. Situación actual19

6. Propuesta de investigación y estructura del documento21

7. Datos y metodología de trabajo22

PARTE A: CONDICIONES DE CALMA25

CAPÍTULO A1. COMPORTAMIENTO CARACTERÍSTICO DE LOS PARÁMETROS B0 Y B1 PARA DÍAS DE CALMA29

A1.1. Análisis30

A1.2. Variaciones temporales de los parámetros B0 y B136

A1.3. Discusión38

CAPÍTULO A2: MODELO LOCAL DE LOS PARÁMETROS B0 Y B1 PARA DÍAS DE CALMA41

A2.1. Modelo Local para Ebro42

A2.1.1 Simulación de la variación diurna y estacional42

A2.1.2 Dependencia con la actividad solar. Coeficientes del Modelo Local44

A2.1.3 Validación del Modelo Local. Comparación con el IRI47

A2.2. Extensión del Modelo Local a otras latitudes54

A2.2.1 Análisis y resultados para El Arenosillo54

A2.2.2 Análisis y resultados para Pruhonice61

A2.2.3 Análisis y resultados para otras estaciones con escalado automático62

A2.3. Aplicación del Modelo Local a otros parámetros66

A2.4. Discusión67

CAPÍTULO A.3: MODELO GLOBAL DE LOS PARÁMETROS B0 y B1 PARA DÍAS DE CALMA71

A3.1. Datos y técnica de modelado71

A3.2. Análisis y resultados.75

A3.2.1 Comportamiento característico77

A3.2.2 Enfoque del modelado80

A3.3 Resultados del modelo y validación87

A3.4. Discusión94

PARTE B: CONDICIONES PERTURBADAS97

CAPÍTULO B1: RESPUESTA DE LA IONOSFERA PARA UN CASO PARTICULAR: 20 DE NOVIEMBRE DE 2003101

B1.1. Condiciones helio-geofísicas de la tormenta geomagnética del 20 de Noviembre de 2003.102

B1.2. Efectos en la estructura vertical de la ionosfera106

B1.3. Efectos en la densidad electrónica114

B1.4. Discusión de los resultados. Identificación de mecanismos físicos.117

CAPÍTULO B2: RESPUESTA DE LA IONOSFERA EN LATITUDES MEDIAS A TORMENTAS GEOMAGNÉTICAS INTENSAS121

B2.1. Análisis de un caso concreto: 24 de Agosto de 2005.123

B2.2. Identificación de los mecanismos físicos: 24 Agosto 2005130

B2.3. Análisis generalizado: Dependencia de los efectos positivos y negativos con el tiempo local133

B2.4. Discusión de los resultados136

CAPÍTULO B3: RESPUESTA DE LA ALTURA IONOSFÉRICA DURANTE TORMENTAS GEOMAGNÉTICAS INTENSAS Y MODELADO139

B3.1. Datos139

B3.2. Comportamiento característico de hmF2. Análisis estadístico.145

B3.2.1. Tiempo de referencia146

B3.2.2. Análisis de superposición de épocas150

B3.3. Comportamiento característico de hmF2. Identificación de los mecanismos físicos.156

B3.4. Enfoque del modelado, parametrización y resultados159

B3.5. Aplicación del modelo en tiempo real169

B3.5.1. Condiciones interplanetarias que generan la perturbación en la altura de la ionosfera169

B3.5.2. Aplicación del modelo y resultados173

B3.6. Extensión a otras latitudes180

B3.7. Resumen y Discusión182

RESUMEN Y CONCLUSIONES187

PERSPECTIVAS DE FUTURO193

APÉNDICE A. Sondeos de incidencia vertical, parámetros característicos e ionogramas.199

APÉNDICE B. Tormentas geomagnéticas.203

APÉNDICE C. Resultados de la simulación del modelo empírico para los 45 casos analizados en la estadística.209

APÉNDICE D. Resultados de la predicción del modelo empírico aplicado en tiempo real.217

APÉNDICE E. Publicaciones científicas223

REFERENCIAS227

 


 
Conclusiones

Esta investigación se ha centrado en profundizar en el conocimiento del comportamiento de la estructura vertical de la región F de la ionosfera, tanto en condiciones de calma como perturbadas, y en su modelado mediante funciones analíticas simples.  

 

La primera parte de la investigación se ha dedicado al estudio de la región ionosférica F visible desde tierra situada entre 150 km y 350 km de altura aproximadamente en condiciones de calma. El objetivo de este estudio ha sido determinar el comportamiento característico del espesor y la forma del perfil de densidad electrónica de esta región y obtener un modelo que mejore la predicción actual de estas características ionosféricas. En el modelo Internacional de Referencia de la Ionosfera (IRI), estas características ionosféricas están definidas por los parámetros B0 y B1 respectivamente. Este trabajo ha venido motivado por las significativas discrepancias existentes entre las predicciones de estos parámetros realizadas por el IRI y los valores experimentales en condiciones de calma. Las principales aportaciones de esta investigación en este sentido se resumen a continuación:

 

1) Se ha determinado el comportamiento diurno y estacional de los parámetros que determinan el espesor (B0) y la forma (B1) del perfil de densidad electrónica promedio en condiciones de calma y en latitudes medias. Se ha determinado la dependencia del comportamiento anterior en función de la actividad solar. 

 

2) Se han identificado discrepancias significativas entre estos valores experimentales y los valores de estos parámetros predichos por el IRI. Se ha identificado que las predicciones del IRI están sesgadas con la actividad solar, de manera que este modelo proporciona una mejor predicción en alta actividad solar.

 

3) Se ha determinado la formulación de modelos locales que simulan las variaciones temporales de los parámetros B0 y B1 en latitudes medias con una mejora significativa respecto la predicción del IRI. Se ha comprobado la aplicabilidad de esta técnica de modelado a otras latitudes y a otras características ionosféricas.

 

4) Se han determinado las variaciones latitudinales y longitudinales del comportamiento temporal de estos parámetros y su dependencia con la actividad solar. Se han desarrollado sendos modelos para B0 y B1 a escala global mediante la técnica de análisis de armónicos esféricos. Estos modelos están basados en funciones analíticas simples que simulan las variaciones diurnas, estacionales y latitudinales de B0 y B1 en función de la actividad solar.

 

5) Los modelos globales obtenidos en este estudio mejoran la predicción de B0 en un 40 % y la de B1 en un 20 % respecto las predicciones del IRI por lo que se erigen como firmes candidatos a ser incluidos en futuras versiones del IRI.

 

Con este trabajo se ha conseguido identificar las variaciones temporales de B0 y B1 a diferentes latitudes. Se ha identificado una variación diurna y semidiurna que depende de la estación del año, actividad solar y latitud. El carácter periódico de estas variaciones permite que puedan ser modeladas utilizando funciones armónicas, de manera que para realizar el modelado de los parámetros B0 y B1 a escala global se ha utilizado el análisis de armónicos esféricos como técnica analítica. La opción estándar del IRI no tiene en cuenta las variaciones semidiurnas que se observan en invierno para ambos parámetros, no reproduce la variación estacional y con el ciclo solar del parámetro B1 y no tiene en cuenta las variaciones del comportamiento de estos parámetros en latitud. Éstas son las principales razones por las que la predicción de estos parámetros a partir del modelo empírico obtenido en este estudio mejore significativamente con respecto a las predicciones realizadas por el IRI. Además, se ha observado que la precisión de las predicciones del IRI depende de la actividad solar, mientras que esta dependencia prácticamente ha desaparecido en las predicciones realizadas a partir del modelo empírico. La mejora en la predicción de estos parámetros permitirá obtener un perfil vertical de la densidad electrónica del IRI más preciso que el que se obtiene con  las predicciones actuales. Hasta que estos modelos no estén disponibles en la nueva actualización del IRI, se recomienda utilizar la opción Gulyaeva para obtener una mejor predicción del parámetro B0 a latitudes medias y la opción estándar para obtener una mejor predicción de B0 a latitudes bajas. Ambas opciones se apartan significativamente del comportamiento observado de este parámetro a latitudes altas. De la misma manera se recomienda utilizar la opción estándar del IRI para una mejor predicción del parámetro B1 para cualquier latitud.

 

La segunda parte de la investigación se ha dedicado al estudio de los efectos de las tormentas geomagnéticas en la estructura vertical de la ionosfera, en especial en la reacción de la altura del máximo de ionización, hmF2. El objetivo de esta investigación ha sido obtener el comportamiento característico de hmF2 causado por condiciones geomagnéticamente perturbadas, analizar los mecanismos físicos capaces de generar dicho comportamiento y obtener un modelo que sea capaz de reproducirlo. Este trabajo ha estado motivado por la inexistencia de un modelo capaz de reproducir el comportamiento de la altura del máximo de ionización en condiciones perturbadas. A continuación se resumen las principales aportaciones de esta investigación en este sentido:

 

6) Se han identificado los efectos ionosféricos sobre Europa causados por la tormenta geomagnética más intensa del ciclo solar 23: expansión del óvalo auroral, generación de capas esporádicas de origen auroral a latitudes medias, aumento de la altura del máximo de ionización, aumento o disminución de la densidad electrónica en diferentes cinturones latitudinales, manifestación de gradientes latitudinales de densidad electrónica sobre el sector Euro-Asiático.

 

7) Se ha determinado la pauta de comportamiento de los efectos en la densidad electrónica en diferentes regiones del planeta dependiendo de la hora local en el inicio de la tormenta geomagnética. Los efectos negativos tienden a originarse en el sector de tiempo local de 3:00 a 5:00 y pueden manifestarse en cualquier sector mientras que los efectos ionosféricos positivos tienden a originarse en torno al sector de mediodía local y prácticamente no se generan en el sector de tiempo local de 16:00 a 24:00.

 

8) Se ha identificado el levantamiento sistemático de la altura del máximo de ionización a las pocas horas del inicio de una tormenta geomagnética precediendo indistintamente a los efectos positivos o negativos en la densidad electrónica. Se ha identificado la propagación de perturbaciones atmosféricas (TADs) desde latitudes aurorales como el mecanismo físico más probable capaz de generar este comportamiento.

 

9) Se ha determinado el comportamiento sistemático de hmF2 en condiciones perturbadas y se han identificado los mecanismos físicos responsables de este comportamiento. Se ha observado que la reacción de hmF2 depende de la hora local en el inicio de la tormenta geomagnética, de la estación del año y de la evolución del campo magnético interplanetario (IMF). En concreto hmF2 presenta dos elevaciones en forma de pulso. El primer pulso se manifiesta de 1 a 3 horas después del inicio de la fase principal de la tormenta geomagnética y  muy probablemente sea resultado del paso de TADs de origen auroral. El segundo pulso se manifiesta en el sector de noche, cuando la estación deriva hacia la zona en que la perturbación de composición tiende a originarse y muy probablemente sea el resultado de un refuerzo del viento neutro termosférico hacia el ecuador en el sector de noche.

 

10) Se ha desarrollado un modelo empírico de perturbación de hmF2 sobre latitudes de la Península Ibérica mediante una formulación analítica dependiente del tiempo local, estación del año y configuración y evolución del IMF. Se ha extendido su aplicabilidad a tiempo casi-real y se ha evaluado su validez a latitudes Europeas.

 

11) Se ha demostrado que el modelo propuesto en este estudio proporciona, con un 86 % de acierto, la perturbación de hmF2 en respuesta a la configuración y evolución del IMF sin generar falsas alarmas, pudiendo utilizarse como herramienta de predicción en tiempo casi-real. Además, el error cuadrático medio (RMSE) del modelo respecto a los valores experimentales (40 km) es comparable al rango de variación experimental obtenido para los cuatro días más tranquilos adyacentes al día perturbado.

 

La aportación de esta investigación ha permitido profundizar en el conocimiento del comportamiento ionosférico en condiciones perturbadas e identificar los mecanismos físicos responsables de éste. Uno de los resultados que se han conseguido en este sentido ha sido obtener el patrón de comportamiento respecto al tiempo local de la manifestación de los efectos positivos y negativos a latitudes medias. Los resultados muestran que los efectos negativos se manifiestans más rápidamente (el retraso del efecto ionosférico respecto el tiempo de inicio de la tormenta es menor) en el sector de tiempo local de 3:00 a 5:00, lo que significa que la zona de perturbación de la composición responsable de estos efectos tiende a originarse en este sector. En cambio, los efectos ionosféricos positivos se manifiestan más rápidamente en torno al sector de mediodía local y no suelen observarse en el sector de noche. Estos resultados están en consonancia con el escenario actual del desarrollo de las tormentas ionosféricas en latitudes medias (Prölss, 1993) y proporcionan una evidencia experimental del modelo de tormenta basado en el papel rector de la circulación del viento neutro termosférico (Fuller-Rowell et al., 1994; Fuller-Rowell et al., 1996). Estos resultados pueden ser útiles para realizar una predicción empírica de la ocurrencia de estos efectos y contribuir a mejorar la predicción que realiza el IRI, que actualmente sólo determina con acierto las desviaciones negativas de la densidad electrónica (Miró et al., 2007). Este trabajo también ha permitido determinar el comportamiento característico de la perturbación causada en hmF2 (?hmF2) durante tormentas geomagnéticas utilizando, por primera vez, medidas de hmF2 obtenidas del perfil vertical de la densidad electrónica en altura real. Se ha determinado que la perturbación, ?hmF2, se caracteriza por dos pulsos (dependiendo del tiempo local al inicio de la tormenta), el primero de 1 a 3 horas después del inicio de la fase principal de la tormenta geomagnética y el segundo en el sector de noche cuando la estación entra en el sector de perturbación de la composición. Se ha observado que la morfología del comportamiento de ?hmF2 depende del campo magnético interplanetario (IMF Bz), del tiempo local, de la estación del año y latitud. La perturbación causada en hmF2 puede explicarse considerando el comportamiento de los vientos neutros termosféricos que se generan en latitudes aurorales como resultado del calentamiento Joule en esa zona durante las tormentas geomagnéticas. Estos resultados aportan también una evidencia experimental del modelo de tormenta a latitudes medias basado en el papel rector de la circulación del viento neutro termosférico (Prölss, 1993; Fuller-Rowell et al., 1994; Fuller-Rowell et al., 1996). Este comportamiento sistemático de la perturbación causada en hmF2 se ha modelado mediante funciones analíticas. Esto ha permitido desarrollar, por primera vez, un modelo empírico capaz de predecir (con una antelación entre 1 y 3 horas) la perturbación en hmF2 resultante durante tormentas geomagnéticas. Este modelo empírico podría utilizarse, previo ajuste a las métricas y estándares recomendados, como una herramienta de predicción en tiempo real para aplicaciones en Meteorología Espacial.