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저위도 상부 이온층의 플라즈마 특성 변화에 대한 연구 = Study on variations of the plasma characteristics in the low latitude topside ionosphere
서명 / 저자 저위도 상부 이온층의 플라즈마 특성 변화에 대한 연구 = Study on variations of the plasma characteristics in the low latitude topside ionosphere / 김희준.
저자명 김희준 ; Kim, Hee-Jun
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2007].
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Ionospheric plasma density and temperature observed by KOMPSAT-1 at 685 km altitude and DMSP F15 at 840 km altitude have been studied to show the seasonal and longitudinal variations and the dependence on solar activities. The seasonal and longitudinal variations of the plasma density and temperature result from the interaction between the field-aligned plasma transport and the neutral wind. A significant density depression and the corresponding temperature enhancement are seen in the winter hemisphere in the longitude sector 180°~240° during the December solstice and in the longitude sector 330°~350° during the June solstice. The upward plasma drift caused by the meridional wind in the summer hemisphere causes adiabatic cooling and drags up low altitude plasmas in the region where the zonal wind can play a constructive role in the field-aligned plasma transportation. Conversely, the effect of downward plasma drift in the winter hemisphere causes density to decrease and enhance the temperature. The comparison between the present observations and the International Reference Ionosphere (IRI) model shows that the IRI 2001 model gives reasonable density estimations for the summer hemisphere and the equinox at both altitudes. However, the observed wintertime densities are smaller than the predictions of the IRI 2001 model. The observed electron temperatures generally fall between the two estimations of IRI 2001, one based on the Aeros - ISIS data and the other based on Intercosmos. The latter estimation shows better agreement with the present observations. The temperature profiles of the IRI 2001 model do not predict the enhancement seen around 15° magnetic latitude of the winter hemisphere. Longitudinal variations caused by the zonal winds are seen in all seasons at both altitudes where the IRI 2001 model does not show a large variation. The variations of the ionospheric parameters according to F10.7 changes are observed in wide ranges of latitude, longitude, local time, and altitude. The observed density and temperature show monotonic increase with F10.7 values in the whole low latitude region from -40° to +40° geomagnetic latitude. The best correlation of the ionospheric parameters (density, temperature, O+ fraction, vertical plasma drift velocity and scale height) and F10.7 is seen when a lag of two days is imposed. These results clearly demonstrate that the topside ionosphere swells up as solar activity increases and modulates with the 27-day solar rotation.

고도 685 Km인 다목적 실용위성 1호(KOMPSAT-1)와 고도 840 Km인 DMSP F15를 통해 관측된 이온층 플라즈마 밀도 및 온도는 계절별, 경도별 변화를 보였으며, 태양 활동성에 따라서도 변화를 보였다. 플라즈마 밀도 및 온도에서의 계절별, 경도별 변화는 자기력선을 따라 움직이는 플라즈마와 중성풍 사이의 상호작용으로 인해 나타났으며, 겨울철에 경도 180°~ 240°와 여름철에 경도 330° ~ 350°에서 두드러지게 나타났다. 이 구역은 중성풍이 플라즈마의 이동을 증가시키는 곳으로, 이 구역내 여름반구(겨울철 남반구, 여름철 북반구) 플라즈마는 상층으로 밀려 올라가면서 하부의 높은 밀도의 플라즈마를 끌고 올라오게 되며, 그 과정에 단열 냉각(adiabatic cooling)을 통해 높은 밀도, 낮은 온도의 플라즈마 특성을 가지게 됐다. 반대로 겨울반구 플라즈마는 하부로 내려가면서 상층의 낮은 밀도의 플라즈마를 끌고 내려오게 되면서, 단열 가열을 통해 낮은 밀도, 높은 온도 특성을 얻게 됐다. 관측값은 International Reference Ionosphere (IRI) 모델과의 비교를 통해 검증을 실시했으며, 밀도의 경우 여름 반구에는 상당히 일치하는 결과를 얻었다. 그러나 겨울 반구에서는 모델의 밀도값이 2 ~ 10 배까지 크게 나타났다. 온도의 경우 상부이온층 옵션을 Intercosmos와 Aeros-ISIS, 두 가지로 나눠서 계산했으며 Intercosmos 옵션 결과가 관측값과 잘 일치하는 것을 확인했다. 그러나 이 마저도 위도 15° 부근의 온도 증가현상을 예측하지 못했다. 두 위성 관측에서 나타난 중성풍에 의한 경도 변화는 모델에서는 거의 나타나지 않았다. IRI 모델이 관측값과 차이나는 원인은 중성풍에 의한 효과와 Equatorial Plasma Temperature Anomaly 현상은 제대로 고려하지 못해서 생긴 것으로 분석되었다. 태양 활동성을 나타내는 F10.7에 따른 이온층 파라메터(밀도, 온도, O+이온비, 수직방향 플라즈마 이동속도, Scale Height)의 변화는 광범위한 위도, 경도, 지역시(Local Time), 고도에서 나타나는 것을 확인했다. 관측된 밀도와 온도는 F10.7에 따라 위도 -40° ~ +40°인 구간에서 선형적으로 증가하는 것을 보였으며, F10.7에 따른 이온층 파라메터 변화는 2일의 시간지연을 고려했을 때 가장 좋은 상관관계를 보여주었다. 이것은 태양 활동성 변화가 나타난지 2일이 지난후에 이온층의 파라메터가 변화하는 것을 의미한다. 모사 모델중 IRI2001은 태양 활동성에 따른 변화를 예측하지 못하고 있었으며, SAMI2 모델은 변화를 예측하기는 하나 그 값이 실제 값과 상당한 차이를 보였다. 특히 밀도의 경우 5배까지 차이가 났으며, 온도의 경우 200 K정도 차이를 보였다. 이런 일련의 SAMI2 모델 문제는 ExB Drift가 강하게 모사하면서 생긴 현상으로 분석되었다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {DPH 07002
형태사항 iv, 137 p. : 삽도 ; 26 cm
언어 한국어
일반주기 부록 : 7.1, 국산 이온층 관측 답재체. - 7.2, 이온층 관련 용어 및 약어. - 7.3, 귀성, 탑재체 관련용어 및 약어. - 7.4, 상부 이온층 기본 플라즈마 상수
저자명의 영문표기 : Hee-Jun Kim
지도교수의 한글표기 : 민경욱
지도교수의 영문표기 : Kyoung-Wook Min
수록잡지명 : "Spacecraft charging for microsatellite KITSAT-3". journal of spacecraft and rockets, 40, 875-881(2003)
수록잡지명 : "Comparison of satellite measurements of the low-latitude nighttime upper ionosphere with IRI". Journal of atmospheric and solar-terrestrial physics, 68, 2107-2118(2006)
학위논문 학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 물리학과,
서지주기 참고문헌 : p. 125-129
주제 이온층
플라즈마
밀도
온도
태양활동성
F10.7
IRI
SAMI2
ionosphere
plasma
density
temperature
solar activity
F10.7
IRI
SAMI2
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