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

Abstract

Aquesta investigació s'ha centrat en profunditzar en el coneixement del comportament de l'estructura vertical de la regió F de la ionosfera, tant en condicions de calma com pertorbades, i en la seva modelització mitjançant funcions analítiques. Les pretensions d'aquesta investigació han estat motivades per les discrepàncies existents entre les prediccions ionosfèriques del gruix i la forma del perfil de densitat de la regió F en condicions de calma i la seva variació característica, i per l'absència d'un model capaç de reproduir la resposta de l'altura del màxim de ionització en condiciones pertorbades. En aquesta investigació s'ha determinat el comportament patró del gruix i la forma del perfil de densitat electrònica de la regió F en condicions de calma (determinats pels paràmetres B0 i B1 del model Internacional de Referència de la Ionosfera, IRI) en un ampli rang de longituds i latituds. Amb això, s'ha desenvolupat un model global per a cada paràmetre mitjançant una formulació analítica simple que simula les variacions temporals d'aquests en condiciones de calma. La simulació d'aquests models millora (en termes de l'error quadràtic mig, RMSE) les prediccions de l'IRI en un 40% per a B0 i en un 20% per a B1. També s'ha caracteritzat la reacció de l'altura del màxim de ionització, hmF2, a latituds mitges i condicions magnèticament pertorbades, i s'ha determinat un comportament sistemàtic d'aquesta pertorbació, ∆hmF2, la morfologia de la qual depèn del camp magnètic interplanetari (IMF), del temps local, de l'estació de l'any i la latitud. Amb això, s'ha desenvolupat un model empíric que simula la pertorbació d'hmF2 resultant durant tempestes geomagnètiques intenses mitjançant funcions analítiques. Aquest model prediu els esdeveniments d'∆hmF2 amb un 86 % d'encert sense generar falses alarmes i amb un RMSE de 40 km respecte els valors experimentals, que és equivalent al rang de variació experimental obtingut en condicions de calma. Finalment, destacar que també han estat objecte d'estudi en aquesta investigació els mecanismes responsables del comportament ionosfèric tant en condiciones de calma com pertorbades i, especialment, el model de tempesta basat en el paper rector de la circulació del vent neutre termosfèric.

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.

The main objective of this research is to improve the knowledge on the vertical structure of the ionospheric F region during both, quiet and disturbed conditions, and its modelling by analytical functions. The main motivations of this research were the existing discrepancies between the predictions of the F region electron density profile thickness and shape during quiet conditions and their characteristic variation, and the absence of a model capable to reproduce the electron density peak height response to disturbed conditions. In this research, the pattern behaviour for quiet conditions of the F region electron density profile thickness and shape (determined by the International Reference Ionosphere model (IRI) parameters B0 and B1) was determined in a wide range of longitudes and latitudes. Then, a global model was developed for each parameter using a simple analytical formulation that simulates their temporal variations during quiet conditions. These model simulations improve (in terms of the root mean square error, RMSE) the IRI predictions by 40 % for B0 and by 20 % for B1. The reaction of the electron density peak height, hmF2, at mid latitudes and magnetically disturbed conditions, was also characterized and the systematic behaviour of this disturbance, ∆hmF2, was determined. The morphology of this disturbance depends on the interplanetary magnetic field (IMF), local time, season and latitude. Furthermore, an empirical model was developed to simulate the hmF2 disturbance during intense geomagnetic storms using analytical functions. This model predicts the ∆hmF2 events with a success of 86 % without generating false alarms and with a RMSE of 40 km with respect to the experimental values, which is equivalent to the experimental variation range obtained during quiet conditions. Finally, the mechanisms responsible of the ionospheric behaviour during both, quiet and disturbed conditions, were also studied in this research, specially the storm model based on the leading role of the thermospheric neutral wind circulation.