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한국과학기술원 물리학과 우주과학실험실 김 희 준

Correlation between solar F10.7 radio flux and plasma characteristics in the topside nighttime ionosphere of the low-latitude region. 한국과학기술원 물리학과 우주과학실험실 김 희 준. 목 차. 연구 목표 및 방향 이온층 플라즈마 저위도 이온층에 영향을 주는 인자 Data Set 계절별 , 경도별 이온층의 변화 F10.7 에 따른 이온층의 변화 요약 및 앞으로 할일. 연구 목표 및 방향.

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  1. Correlation between solar F10.7 radio flux and plasma characteristicsin the topside nighttime ionosphere of the low-latitude region 한국과학기술원 물리학과 우주과학실험실 김 희 준

  2. 목 차 • 연구 목표 및 방향 • 이온층 플라즈마 • 저위도 이온층에 영향을 주는 인자 • Data Set • 계절별, 경도별 이온층의 변화 • F10.7에 따른 이온층의 변화 • 요약 및 앞으로 할일

  3. 연구 목표 및 방향 상부 이온층이 변화하는 원인과 이유 규명  이온층 전체의 특성 파악  이온층의 변화를 예측 1. 특정 기간의 전지구적 변화  경도별 이온층 변화 2. 경도별의 시간적 변화  계절별 이온층 변화 3. 태양활동성에 따른 변화  F10.7별 이온층 변화

  4. 이온층 플라즈마 λD : 전자의 Debye길이, νeo : 전자-중성 입자 충돌 빈도 D층, E층, F층의 특성

  5. 저위도 이온층에 영향을 주는 인자 중성풍(meridional wind) 이온화 되지 않은 중성 입자의 이동 이온층의 하전입자와 상호작용 -> 경도별, 계절별 플라즈마 분포에 영향 적도 부근에서 적도와 평행하게 부는 바람(equatorial zonal wind) 지구 자오선과 평행하게 부는 바람(meridional wind) 태양 활동성(solar activity) 강한 EUV는 이온층의 중성입자를 이온화시킴 -> 이온층에 직접적인 영향 이 시기에 고에너지 입자는 자기권에 영향 -> 이온층에 간접적인 영향 F10.7은 10.7cm 전파의 noise level을 통해 태양에서 오는 EUV양을 추정, 일일 지표 지자기 활동성(magnetic activity) 자기폭풍 및 서브스톰으로 인한 지자기 교란 Kp는 태양풍(solar wind)에 의한 섭동과 관련이 있는 지표, 3시간 단위 지표 DST는 자기 폭풍과 관련이 있는 지표, 1시간 단위 지표

  6. 저위도 이온층을 변화시키는 인자 EPB(Equatorial Plasma Bubble) 적도 지역 F층에서는 발생하는 플라즈마 밀도가 불균일하게 되는 현상들 중 플라즈마의 밀도의 감소 현상 범위 : 수m ~ 수백 Km 다른 명칭 : equatorial spread-F, plasma hole EIA(Equatorial Ionization Anomaly) EB drift의해 상승한 플라즈마가 중력에 의해 자기력선을 따라 내려오면서 자기 위도 ±15위치에 플라즈마 밀도가 최대점을 생성하는 현상 다른 명칭 : Appleton anomaly

  7. Data Set 다목적 실용위성 1호(KOMPSAT-1) DMSP F15 계절별 분류 가을 : 2000. 8. 22 ~ 2000. 10. 22 겨울 : 2000. 11. 22 ~ 2001. 1. 22 봄 : 2001. 2. 22 ~ 2001. 4. 22 여름 : 2001. 5. 22 ~ 2001. 7. 22 Equinox와 Solstice기준으로 2달 자기위도 기준으로 -60~60 자기적으로 안정한 상태인 Kp < 4인 때의 데이터만 고려(계절별 변화시)

  8. 계절별, 경도별 변화 KOMPSAT-1 data, 1 bin –위도 1경도 3 검은 실선 – 자기 적도, 검은 영역 – 빈 데이터 영역

  9. Geographic Latitude (deg) Geographic Latitude (deg) Geographic Longitude (deg) 계절별 변화 최대 전자밀도 영역이 자기 적도를 따라 여름반구에서 겨울반구로 이동. 봄기간에 최소 전자밀도 영역이 사라짐. -> 전자밀도와 전자온도의 변화가 틀림 KOMPSAT-1 data, 2000년 11월 ~ 2001년 7월까지 10일 간격의 변화

  10. 표류 속도와 O+이온의 비율을 통한 모델 검증 Vx : Northward drift(+) Vy : Westward drift(+) Vz : Upward drift(+) fractional amount of O+ Vx : 자오선방향 이동 Vy : 적도방향 이동 Vz & O+ fraction : 연직방향 이동 중성풍이 이온층 변화에 미치는 정량적인 분석 필요 -> 차후연구

  11. 전자밀도와 온도의 변화차이의 원인 아래방향의 플라즈마 이동이 최대 전자밀도 감소 전자온도 증가 밀도 변화는 1/5배 감소 온도 변화는 15% 증가 밀도와 온도는 다른 경향으로 변함

  12. 2단계 F10.7에 따른 이온층 변화 KOMPSAT-1의 data 2001. 2. 22 ~ 4. 22 (The spring equinox) F10.7값이 157보다 작을 때(위)와 클 때(아래)의 전자밀도 변화.검은 영역과 파란색 점은 데이터가 없는 지점. F10.7이 클 때, 이온층 전체의 전자밀도가 상승. 자기 적도 부근의 최대 전자 밀도 지역에서 2배 이상 증가.

  13. F10.7에 따른 전자 밀도와 온도 분포 KOMPSAT-1 data, 2001. 2. 22 ~ 4. 22 (The spring equinox), 경도 0° ~ 180° 120은 F10.7이 120~140임을 의미 대체적으로 F10.7이 증가할 수록 전자밀도와 온도가 상승.

  14. 400일 간의 전자밀도와 F10.7의 변화(1) 전자밀도, F10.7 전자온도, F10.7 2000. 6. 28 ~ 2001. 8. 1 Ne & F10.7 비교 밀도값은 각 궤도의 최대밀도값을 구한후 일단위로 평균 60~150일 사이는 데이터 부족한 영역 240~300일은 봄(The spring equinox)기간임 F10.7이 변화함에 따라 전자밀도와 온도도 같이 변함

  15. 400일 간의 전자밀도와 F10.7의 변화(2) 3월 28일 전자밀도와 온도는 F10.7과 약 4일의 시간차이를 두고서 경향을 따라감

  16. KOMPSAT-1과 DMSP F15의 결과비교 밀도는 고도별 밀도차이에 의해 KOMPSAT-1이 DMSP F15보다 크게 나타남. 온도는 거의 같게 나타남. 야간 이온층은 거의 단열상태임. KOMPSAT-1과 DMSP F15는 시간차이 없이 변함 -> DMSP도 F10.7과의 시간 지연을 겪음

  17. 400일 간의 전자밀도와 F10.7의 변화(3) 이온 밀도와 온도도 F10.7의 변화에 잘 일치하며 27일 주기를 나타냄. DMSP F15도 KOMPSAT-1과 마찬가지로 시간지연이 보임. 27일은 근사적인 태양 자전주기 -> 태양 극대기에서 태양 활동성 주기

  18. 시간 지연에 따른 상관 계수(F10.7&Ne) R은 상관 계수(the linear correlation coefficient)임. 아래 그림은 F10.7과 플라즈마 밀도(또는 온도)와의 분포도.

  19. 시간 지연에 따른 상관 계수(F10.7&Ne) 2000. 6. 28 ~ 2001. 7. 31 400일간 data, DMSP F15 계절별 시간 지연 존재 0009 0012 0103 0106 2days 3days 2days 1days

  20. 시간 지연이 고려된 밀도 및 온도의 분포도 2일의 시간지연이 고려된 이온밀도 및 온도의 분포도. 250~280, 220~250의 그래프의 값 역전 현상이 해소됨.

  21. Data Set(2) – DMSP F15 • 115 : F10.7이 115~140, 25간격으로 나눔 • 뒤 그래프는 2일의 지연이 적용된 것임.

  22. KOMPSAT-1

  23. DMSP F15-Density

  24. DMSP F15-Temperature

  25. DMSP F15 – 2000. 1 ~ 2004. 8

  26. DMSP F15 – 2000. 1 ~ 2004. 8

  27. correlation between Ne and vertical drift 2000. 6. 28 ~ 2001. 7. 31 400일간 data, DMSP F15 Vertical drift가 Ni 증가에 직접적인 영향 0009 0012 0103 0106

  28. 요약 • solar F10.7 radio flux가 증가하면 플라즈마 밀도와 온도는 증가한다. • 1의 경향은 계절, 고도, 지역시, 경도에 무관하게 일어나는 보편적 현상이다. • F10.7 변화후 플라즈마 밀도와 온도 변화는 대략 1~3일의 차이를 보임. • - 여름에 1일, 봄과 가을에 2일, 겨울에 3일의 시간차가 존재한다. • F10.7의 변화가 완만하면, F10.7과 플라즈마 밀도(또는 온도) 변화 사이의 상관관계는 적어진다(태양 극대기, 극소기에 따라 상관관계 변함). • 밀도가 온도보다 F10.7과의 상관관계가 좋다. correlation coefficient가 밀도는 0.75~0.95, 온도는 0.65~0.9정도 이다. • 플라즈마 vertical drift의 변화와  플라즈마 밀도/온도 변화는 관련이 있다. • 문제점 • plasma vertical drift에 의해 상부 이온층이 내려와서 밀도가 낮아진 것으로 고려하면, 온도도 하부 이온층이 낮아야함. 고도에 따라 온도 감소현상이 존재하던가 또는 플라즈마가 하층으로 내려오면서 cooling이 되어야 한다.

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