Moskva, Russian Federation
The International Reference Ionosphere (IRI) imports global effective ionospheric IG12 index based on ionosonde measurements of the critical frequency foF2 as a proxy of solar activity. Similarly, the global electron content (GEC), smoothed by the sliding 12-months window (GEC12), is used as a solar proxy in the ionospheric and plasmaspheric model IRI-Plas. GEC has been calculated from global ionospheric maps of total electron content (TEC) since 1998 whereas its productions for the preceding years and predictions for the future are made with the empirical model of the linear dependence of GEC on solar activity. At present there is a need to re-evaluate solar and ionospheric indices in the ionospheric models due to the recent revision of sunspot number (SSN2) time series, which has been conducted since 1st July, 2015 [Clette et al., 2014]. Implementation of SSN2 instead of the former SSN1 series with the ionospheric model could increase model prediction errors. A formula is proposed to transform the smoothed SSN212 series to the proxy of the former basic SSN112=R12 index, which is used by IRI and IRI-Plas models for long-term ionospheric predictions. Regression relationships are established between GEC12, the sunspot number R12, and the proxy solar index of 10.7 cm microwave radio flux, F10.712. Comparison of calculations by the IRI-Plas and IRI models with observations and predictions for Moscow during solar cycles 23 and 24 has shown the advantage of implementation of GEC12 index with the IRI-Plas model.
Global electron content, sunspot number, solar radio flux, ionosphere, plasmasphere, model, IRI, IRI-Plas
ВВЕДЕНИЕ
Трансионосферное распространение радиоволн обусловливает возможность передачи сигналов навигационных спутников при наземно-космической и межспутниковой связи. Для обеспечения надежности передачи и приема сигнала при долговременном планировании космических экспериментов используется прогноз состояния ионосферы с помощью известных моделей, таких как эмпирическая Международная справочная модель ионосферы IRI (International Reference Ionosphere) и ее расширение на высоты плазмосферы IRI-Plas [Bilitza et al., 2011; Gulyaeva, Bilitza, 2012], Российская стандартная модель ионосферы SMI [Chasovitin et al., 1987], эмпирическая модель для расчетов трансионосферного распространения радиоволн NeQuick [Nava et al., 2008]. Результаты расчетов зависят от задания солнечных и ионосферных управляющих параметров моделей. В настоящее время возникла необходимость переоценки солнечных и ионосферных управляющих параметров ионосферных моделей в связи с недавним обновлением многолетнего ряда чисел солнечных пятен за период с 1818 г. по настоящее время [Clette et al., 2014]. Второе поколение ряда чисел солнечных пятен - SSN2 значительно отличается от исходного многолетнего ряда SSN1. Значения SSN2 вблизи максимума солнечной активности зачастую выше значений индекса потока солнечного радиоизлучения на волне 10.7 см F10.7, которые, в свою очередь, в среднем на 60 единиц превышают значения SSN1 [Ahluwalia, 2016]. Прямое использование SSN2 вместо SSN1 в прикладных задачах, в том числе в прогнозах по ионосферным моделям, может привести к заметным ошибкам в результатах модельных расчетов.
Отдельные блоки ионосферных моделей IRI, IRI-Plas, SMI, NeQuick основаны на различных индексах солнечной активности или их ионосферных эквивалентах. В этих моделях трехмерное представление электронной плотности базируется на привязке вертикального распределения плотности электронов к максимальной электронной плотности и высоте слоя F2 ионосферы по планетарным картам, разработанным международным радиосоюзом ITU-R [CCIR Atlas, 1983]. Планетарные карты критической частоты foF2 и фактора распространения радиоволн M3000F2, связанного с высотой максимума ионизации hmF2, построены на основе коэффициентов разложения в ряд с помощью сферического гармонического анализа указанных параметров по измерениям ионозондов. Коэффициенты ряда получены в зависимости от широты, долготы, мирового времени (UT) от 0 до 24 ч с шагом в 1 ч, сезонных изменений для двенадцати месяцев года и четырех уровней солнечной активности R12=0, 50, 100, 150, с соответствующей интерполяцией для промежуточных значений этих параметров [Jones, Gallett, 1965].
Блок расчета критической частоты слоя F2 foF2 (или связанной с ней максимальной плотности электронов NmF2) в модели IRI при вводе карт ITU-R использует в качестве показателя уровня солнечной активности эффективный ионосферный индекс IG12, выведенный по измерениям критической частоты foF2 сетью ионозондов [Liu et al., 1983]. При расчете высоты максимума hmF2 в моделях IRI и IRI-Plas на основе карт M3000F2 (ITU-R) используются критические частоты foF2 и foE и 12-месячное сглаженное значение R12 на основе первичного ряда чисел солнечных пятен SSN1 [Bilitza et al., 1979]. Ионосферный индекс солнечной активности IG [Liu et al., 1983] и его сглаженный 12-месячным скользящим фильтром ряд IG12 основаны на полуденных значениях критической частоты foF2 по измерениям 13 ионозондов, приведенных к масштабу чисел солнечных пятен R12. Сравнение индексов IG12 и R12 за последние шесть солнечных циклов [Bilitza et al., 2012] показывает их различия, наиболее заметные в максимуме и минимуме солнечной активности.
В литературе приводятся различные комбинации индексов солнечной активности для использования в ионосферных моделях. В работе [Деминов, 2016] показано, что при долгосрочном прогнозировании критической частоты foF2 индекс потока солнечного радиоизлучения F12 более эффективен, чем R12. Согласно работе [Ратовский и др., 2015], локальная модель параметров максимума слоя F2 линейно зависит от индекса F10.7, нормированного к значению F10.7=100 е.и. (единица индекса 1 е.и. = 10-22 Вт·м-2·Гц-1). Для модели карт полного электронного содержания (ТЕС, total electron content) наилучшую точность показало применение комбинированного индекса потока солнечного радиоизлучения F10.7, а также числа солнечных пятен SSN1, осредненных по сумме трех компонентов: скользящего среднего за 3 дня, среднего за 27 предыдущих дней и среднего за 81 предыдущий день [Maruyama, 2010]. Регрессионная зависимость между рядом чисел солнечных пятен SSN1 и индексом F10.7, используемая в моделях IRI и IRI-Plas, стабильно сохранялась до 2000 г., но после 2001 г. эта связь изменилась [Lukianova, Mursula, 2011]. В настоящий момент все прежние оценки эффективности числа солнечных пятен в метрике SSN1 нуждаются в пересмотре, поскольку с 1 июля 2015 г. этот индекс не измеряется, а вместо него проводится мониторинг солнечной активности по индексу SSN2 [Clette et al., 2014].
В ионосферно-плазмосферной модели IRI-Plas для расчета критической частоты foF2 и высоты максимума hmF2 по картам ITU-R в качестве индикатора солнечной активности используется глобальное электронное содержание в ионосфере и плазмосфере Земли (GEC, global electron content), определяемое по картам полного электронного содержания [Афраймович, Перевалова, 2006; Afraimovich et al., 2008; Gulyaeva, Veselovsky, 2014]. Преимущество модельной системы IRI-Plas по сравнению с IRI заключается в наличии модели плазмосферы, дополняющей расчет высотных профилей электронной плотности и температуры до высоты 20200 км над Землей (орбита навигационных спутников системы GPS), тогда как IRI позволяет делать расчеты только до высоты 2000 км в ионосфере.
Исследование параметра GEC в качестве индикатора солнечной активности и сравнение его с дру-гими солнечными и ионосферными индексами проводится в данной работе с учетом модернизации ряда чисел солнечных пятен. Целью исследования является обновление набора управляющих параметров модели IRI-Plas, в том числе при расчете по исходным картам максимума электронной плотности и высоты слоя F2, и предостережение пользователей моделей от возможных ошибок, связанных с применением обновленного ряда чисел солнечных пятен для управления ионосферными моделями.
1. Afraimovich E.L., Perevalova N.P. GPS-Monitoring verkhnej atmosfery Zemli [GPS-Monitoring of the Upper Atmosphere of the Earth]. Irkutsk: ISTP SB RAS, 2006, 480 p. (In Russian).
2. Afraimovich E.L., Astafyeva E.I., Oinats A.V., Yasukevich Yu.V., Zhivetiev I.V. Global electron content: a new conception to track solar activity. Ann. Geophys. 2008, vol. 26, no. 2, pp. 335-344.
3. Ahluwalia H.S. The descent of the solar cycle 24 and future space weather. Adv. Space Res. 2016, vol. 57, iss. 2, pp. 710-714. DOI:https://doi.org/10.1016/j.asr.2015.11.015.
4. Bilitza D., Sheikh N.M., Eyfrig R. A global model for the height of the F2 peak using M3000 values from the CCIR. Telecomm. J. 1979, vol. 46, pp. 549-553.
5. Bilitza D., McKinnell L.A., Reinisch B., Fuller-Rowell T. The international reference ionosphere today and in the future. J. Geodesy. 2011. vol. 85, pp. 909-920. DOI:https://doi.org/10.1007/s00190-010-0427-x.
6. Bilitza D., Brown S.A., Wang M.Y., Souza J.R., Roddy P.A. Measurements and IRI model predictions during the recent solar minimum. J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2012, vol. 86, pp. 99-106. DOI:https://doi.org/10.1016/j.jastp.2012.06.010.
7. Bilitza D. The International Reference Ionosphere - Status 2013. Adv. Space Res. 2015, vol. 55, iss. 8, pp. 1914-1927. DOI: 10.1016.j.asr.2014.07.032.
8. CCIR Atlas of Ionospheric Characteristics. Comite Consultatif International des Radio Communications Rep. 340. Geneve, International Telecommunication Union, 1983.
9. Chasovitin Yu.K., Shirochkov A.V., Besprozvannaya A.S., Gulyaeva T.L., Denisenko P.F., Armenskaya O.A., Ivanova S.E., Kashirin A.I., Klueva N.M., Koryakina E.A., Mironova L.S., Sykilinda T.N., Shushkova V.B., Vodolazkin V.I., Sotsky V.V., Sheidakov N.E. An empirical model for the global distribution of density, temperature and effective collision frequency of electrons in the ionosphere. Adv. Space Res. 1987, vol. 7, iss. 6, pp. 49-52.
10. Clette F., Svalgaard L., Vaquero J.M., Cliver E.W. Revisiting the sunspot number: a 400-year perspective on the solar cycle. Space Sci. Rev. 2014, vol. 186, iss. 1, pp. 35-103.
11. Gulyaeva T.L., Bilitza D. Towards ISO Standard Earth Ionosphere and Plasmasphere Model. New Developments in the Standard Model. Nova Science Publishers Inc., 2012, рр. 1-39. Available at https://www.novapublishers.com/catalog/product_ info.php?products_id=35812 (accessed September 1, 2016).
12. Gulyaeva T.L., Veselovsky I.S. Imaging Global Electron Content backwards in time more than 160 years ago. Adv. Space Res. 2014, vol. 53, iss. 3, pp. 403-411. DOI:https://doi.org/10.1016/j.asr. 2013.11.036.
13. Deminov M.G. Solar activity index for long-term ionospheric forecasts. Cosmic Research. 2016, vol. 54, no. 1, pp. 1-7. DOI:https://doi.org/10.1134/S0010952516010068.
14. Hao Y.Q., Shi H., Xiao Z., Zhang D.H. Weak ionization of the global ionosphere in solar cycle 24. Ann. Geophys. 2014, vol. 32. pp. 809-816. DOI:https://doi.org/10.5194/angeo-32-809-2014.
15. Jones W.B., Gallet R.M. Representation of diurnal and geographical variations of ionospheric data by numerical method. Telecomm. J. 1962, vol. 29, p. 129; 1965, vol. 32, p. 18.
16. Liu R., Smith P., King J. A new solar index which leads to improved foF2 prediction using the CCIR atlas. Telecomm. J. 1983, vol. 50, pp. 408-414.
17. Lukianova R., Mursula K. Changed relation between sunspot numbers, solar UV/EUV radiation and TSI during the declining phase of solar cycle 23. J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2011, vol. 73, iss. 2-3, pp. 235-240. DOI:https://doi.org/10.1016/j.jastp.2010.04.002.
18. Maruyama T. Solar proxies pertaining to empirical ionospheric total electron content models. J. Geophys. Res. 2010, vol. 115, A04306. DOI:https://doi.org/10.1029/2009JA014890.
19. Nava B., Coisson P., Radicella S.M. A new version of the NeQuick ionosphere electron density model. J. Atmosph. Solar-Terr. Phys. 2008, vol. 70, iss. 15, pp. 1856-1862. DOI: 10.1016/ j.jastp. 2008.01.015.
20. Ratovsky K.G., Oinats A.V., Medvedev A.V. Similarities and differences between regular variations of F2-layer parameters of the polar and midlatitude ionosphere in East Siberian sector. Solnechno-zemnaya fizika [Solar-Terr. Phys.]. 2015, vol. 1, no. 2, pp.70-79. DOI:https://doi.org/10.12737/7832. (In Russian).
21. URL: http://sidc.oma.be/silso/ (accessed September 1, 2016).
22. URL: ftp://ftp.geolab.nrcan.gc.ca/data/solar_flux/daily_flux_ values/ (accessed September 1, 2016).
23. URL: http://www.izmiran.ru/ services/iweather/ (accessed September 1, 2016).
24. URL: ftp://sideshow.jpl.nasa.gov/pub/iono_daily/ (accessed September 1, 2016).
25. URL: http://irimodel.org/indices/ accessed September 1, 2016).
26. URL: http://ftp.izmiran.ru/pub/ izmiran/SPIM/ (accessed September 1, 2016).
27. URL: http://www.ionolab. org/ (accessed September 1, 2016).
