Sondrestrom 비간섭 산란 레이더로부터 구한 전자밀도분포를 이용하여, 전리층의 전기전도도를 추정할때 야기되는 불확실성들을 검토하였다. 첫째, 실제로 관측된 전자밀도와 전자와 양이온의 온도차이 및 Debye length효과를 보정한 전자밀도를 사용했을 경우에 야기되는 전리층 전기전도도의 차이점을 비교하였다. 보정한 전자밀도로부터 추정된 전기전도도는 실측 전자밀도를 사용했을 때 보다 큰 값을 나타내었다. 둘째, 전기전도도 추정에 이용되는 전자-중성대기 및 양이 온-중성대기의 충돌빈도모델에 따른 차이점도 비교해 보았다. 약 110km 이하의 고도에서는 전기전도도가 충돌빈도모델에 크게 의존하지 않았지만, 약 110km 이상의 고도에서는 이용된 모델에 따라 전기전도도의 값이 달랐다. 셋째, 전자 및 양이온의 부정확한 온도측정이 전기전도도의 추정에 미치는 영향을 알아보았다. 전자 및 양이온의 온도측정에 약 10% 이내의 오차가 포함된 경우가 전기전도도의 계산에는 큰 영향을 미치지 않았다. 마지막으로, 고도 적분된 전기전도도의 추정시 적용되는 적분 구간에 대해서도 검토해 본 결과, Hall 및 Pedersen 전기전도도의 값이 각각 하부 및 상부 적분 고도의 선택에 매우 민감하다는 것이 밝혀졌다.
Sondrestrom 비간섭 산란 레이더로부터 구한 전자밀도분포를 이용하여, 전리층의 전기전도도를 추정할때 야기되는 불확실성들을 검토하였다. 첫째, 실제로 관측된 전자밀도와 전자와 양이온의 온도차이 및 Debye length효과를 보정한 전자밀도를 사용했을 경우에 야기되는 전리층 전기전도도의 차이점을 비교하였다. 보정한 전자밀도로부터 추정된 전기전도도는 실측 전자밀도를 사용했을 때 보다 큰 값을 나타내었다. 둘째, 전기전도도 추정에 이용되는 전자-중성대기 및 양이 온-중성대기의 충돌빈도모델에 따른 차이점도 비교해 보았다. 약 110km 이하의 고도에서는 전기전도도가 충돌빈도모델에 크게 의존하지 않았지만, 약 110km 이상의 고도에서는 이용된 모델에 따라 전기전도도의 값이 달랐다. 셋째, 전자 및 양이온의 부정확한 온도측정이 전기전도도의 추정에 미치는 영향을 알아보았다. 전자 및 양이온의 온도측정에 약 10% 이내의 오차가 포함된 경우가 전기전도도의 계산에는 큰 영향을 미치지 않았다. 마지막으로, 고도 적분된 전기전도도의 추정시 적용되는 적분 구간에 대해서도 검토해 본 결과, Hall 및 Pedersen 전기전도도의 값이 각각 하부 및 상부 적분 고도의 선택에 매우 민감하다는 것이 밝혀졌다.
Various uncertainties involved in ionospheric conductivity estimation utilizing the electron density profile obtained from the Sondrestrom incoherent scatter radar are examined. First, we compare the conductivity which is based on raw electron density and the one based on corrected electron density ...
Various uncertainties involved in ionospheric conductivity estimation utilizing the electron density profile obtained from the Sondrestrom incoherent scatter radar are examined. First, we compare the conductivity which is based on raw electron density and the one based on corrected electron density that takes into account the effects of the difference between the electron and ion temperatures and the Debye length. The corrected electron density yields higher Pedersen and Hall conductivities than the raw electron density does. Second, the dependence of collision frequency model on the conductivity estimation is examined. Below 110 km conductivity does not depend significantly on collision frequency models. Above 110 km, however, the collision models affect the conductivity estimation. Third, the influence of the electron and ion temperatures on the conductivity estimation is examined. Electron and ion temperatures carrying an error of about 10% do not seem to affect significantly the conductivity estimation. Fourth, also examined is the effect of the choice of the altitude range of integration in calculating the height-integrated conductivity, conductance. It has been demonstrated that the lower and upper boundaries of the integration are quite sensitive to the estimation of the Hall and Pedersen conductances, respectively.
Various uncertainties involved in ionospheric conductivity estimation utilizing the electron density profile obtained from the Sondrestrom incoherent scatter radar are examined. First, we compare the conductivity which is based on raw electron density and the one based on corrected electron density that takes into account the effects of the difference between the electron and ion temperatures and the Debye length. The corrected electron density yields higher Pedersen and Hall conductivities than the raw electron density does. Second, the dependence of collision frequency model on the conductivity estimation is examined. Below 110 km conductivity does not depend significantly on collision frequency models. Above 110 km, however, the collision models affect the conductivity estimation. Third, the influence of the electron and ion temperatures on the conductivity estimation is examined. Electron and ion temperatures carrying an error of about 10% do not seem to affect significantly the conductivity estimation. Fourth, also examined is the effect of the choice of the altitude range of integration in calculating the height-integrated conductivity, conductance. It has been demonstrated that the lower and upper boundaries of the integration are quite sensitive to the estimation of the Hall and Pedersen conductances, respectively.
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문제 정의
이를 위해서 먼저, 실 제로 관측된 전자밀도와 전자와 양이온의 온도차이 및 Debye length 효과를 보정한 전자밀도가 전리 층 전기전도도의 추정에 미치는 영향을 비교해 보고자 한다. 둘째, 전기전도도 추정에 이용되는 전 자-중성대기 및 양이온-중성대기의 충돌빈도모델에 따른 결과도 비교해 보고자 한다. 셋째, 전자 및 양이온의 부정확한 온도측정이 전기전도도의 추정에 미치는 영향을 검토해 보고자 한다.
비간섭 산란 레이더에 의해 추정된 전리층 전기전도도가 광범위하게 이용되고 있음에도 불구하 고, 그 추정과정에 개입된 여러가지 불확실성에 대한 체계적인 연구가 아직까지 없는 실정이다. 따라 서, 본 연구에서는 Sondrestrom 비간섭 산란 레이더로부터 구한 고도에 따른 전자밀도분포를 기초 로 하여, 전리층의 전기전도도 추정시 야기되는 불확실성을 검토하고자 한다. 이를 위해서 먼저, 실 제로 관측된 전자밀도와 전자와 양이온의 온도차이 및 Debye length 효과를 보정한 전자밀도가 전리 층 전기전도도의 추정에 미치는 영향을 비교해 보고자 한다.
셋째, 전자 및 양이온의 부정확한 온도측정이 전기전도도의 추정에 미치는 영향을 검토해 보고자 한다. 마지막으 로, 고도 적분된 전기 전도도의 추정시 적용되는 고도 적분 구간에 대해서도 검토해 보고자 한다.
본 연구에서는 Sondrestrom 비간섭 산란 레이더로부터 얻은 고도에 따른 전자밀도분포를 기초 로 하여, 전리층의 전기전도도를 추정할 때 야기되는 문제점들을 검토하였다. 이를 위해서, (1) 실제 로 관측된 전자밀도와 보정된 전자밀도를 각각 사용하여 계산한 전리층 전기전도도의 차이점을 비 교하였다.
둘째, 전기전도도 추정에 이용되는 전 자-중성대기 및 양이온-중성대기의 충돌빈도모델에 따른 결과도 비교해 보고자 한다. 셋째, 전자 및 양이온의 부정확한 온도측정이 전기전도도의 추정에 미치는 영향을 검토해 보고자 한다. 마지막으 로, 고도 적분된 전기 전도도의 추정시 적용되는 고도 적분 구간에 대해서도 검토해 보고자 한다.
따라 서, 본 연구에서는 Sondrestrom 비간섭 산란 레이더로부터 구한 고도에 따른 전자밀도분포를 기초 로 하여, 전리층의 전기전도도 추정시 야기되는 불확실성을 검토하고자 한다. 이를 위해서 먼저, 실 제로 관측된 전자밀도와 전자와 양이온의 온도차이 및 Debye length 효과를 보정한 전자밀도가 전리 층 전기전도도의 추정에 미치는 영향을 비교해 보고자 한다. 둘째, 전기전도도 추정에 이용되는 전 자-중성대기 및 양이온-중성대기의 충돌빈도모델에 따른 결과도 비교해 보고자 한다.
제안 방법
(1988) 및 Lummerzheim et al.(1991)-g- 인공위성에서 촬영한 오로라 EUV 스펙트럼으로부터 이를 유발한 하강 오로라입자의 스펙트럼을 추정함으로써 전기 전도도를 구하였다. 최근에는 Chatanika 레이더, Sondrestrom 레이더, Millstone Hill 레이더 및 EISCAT 레이더 등과 같은 시공간 분해능이 높은 비간섭 산란 레이더(Incoherent Scatter Radar)를 이용한 전리층의 연구가 활발해지면서, 레이 더에 의해 직접 관측된 고도에 따른 전자밀도로부터 전기전도도를 구할 수 있게 되었다(e.
하지만 실제로 레이더에 의해 관측되는 온도는 약 ±10%의 오차범위를 갖는다(Doe 2002). 따라서 온도측정상의 오차가 전기전도도의 추정에 미치는 영향을 알아보기 위해서 실제 관측된 전자 및 양이온의 온도에 ±10%의 오차를 일부러 포함시켰다.
레이더로 관측한 전자 및 양이온의 밀도 및 온도와 MSISE-90 모델로부터의 중성대기자료를 기 초로 하여 앞서 소개한 세 종류의 충돌빈도모델들을 이용해서 추정한 전기 전도도를 서로 비교하여 보았다. 그림 3은 오로라 활동이 활발했던 1999년 10월 12일 22:36 UT의 한 예이다.
본 연구에서는 Sondrestrom 비간섭 산란 레이더로부터 얻은 고도에 따른 전자밀도분포를 기초 로 하여, 전리층의 전기전도도를 추정할 때 야기되는 문제점들을 검토하였다. 이를 위해서, (1) 실제 로 관측된 전자밀도와 보정된 전자밀도를 각각 사용하여 계산한 전리층 전기전도도의 차이점을 비 교하였다. 지자기 활동이 미 약한 주간에는, 보정한 전자밀도로부터 추정한 전기전도도는 실측 전자 밀도로부터 추정한 전기전도도에 비해, 120km 부근에서는 약 10%의 증가를 보이는 반면, 180km 이 상에서는 약 68%의 증가를 보였다.
대상 데이터
본 연구에서 전리층 전기전도도를 추정하는데 사용한 전자 및 양이온의 밀도는 Greenland 서 부 해 안가 Sondre Stromjord(경 .위도: 50°.95W, 66°.99N, 지자기 경 .위도: 42°.40W, 74°.36N)에 설치된 Sondrestrom 비간섭 산란 레이더의 관측자료이다. 이 레이더의 특성에 대해서는 Kelly et al.
이론/모형
Richmond(1995)는 Chatanika 및 Sondrestrom 레 이 더를 이용하여 전기 전도도를 추정할 때, %丄는 Gagnepain et al.(1977) 모델을, 그리고 “诉는 Salah(1993), Mason(1970) 및 Itikawa(1971) 모델을 각각 이용하였다(모델 1). 최근 EISCAT 레이더를 이용한 전기전도도 연구(e.
전자-중성대기의 충돌빈도는 Gagnepain et al.(1977) 모델의 값 을, 그리고 양이온(N0+, O才, 0+)-중성대기의 충돌빈도는 Salah(1993), Mason(1970)과Itikawa(1971) 모델의 값을 각각 이용하였다. 고도에 따른 중성대기에 대한 자료는 MSISE-90 중성대기모델(Hedin 1991)을 사용하였다.
(1977) 모델의 값 을, 그리고 양이온(N0+, O才, 0+)-중성대기의 충돌빈도는 Salah(1993), Mason(1970)과Itikawa(1971) 모델의 값을 각각 이용하였다. 고도에 따른 중성대기에 대한 자료는 MSISE-90 중성대기모델(Hedin 1991)을 사용하였다. 참고로 레이더가 소재한 Sondrestrom은 자기지방시(Magnetic Local Time, MLT)의 자정은 약 2 UT 그리고 정오는 약 14 UT에 해당된다.
(1995)에서 상세히 기술하였다. 주자기장(B)에 대한 정보는 IGRF-1995 국제 표준 자기장 모 델(Barton 1997)의 값을 이용하였다. 전자-중성대기의 충돌빈도는 Gagnepain et al.
(1977) 모델을, 그리고 “诉는 Salah(1993), Mason(1970) 및 Itikawa(1971) 모델을 각각 이용하였다(모델 1). 최근 EISCAT 레이더를 이용한 전기전도도 연구(e.g. Schlegel 1988)에서는, s丄는 Schunk & Nagy (1978) 모델을 이용하고, 知는 Schunk & Walker(1973) 모델을 이용하였다(모델 2). 또 다른 전기전 도도 연구(e.
성능/효과
하지만, 180km 이상의 F층에서는 전기전도도 의 절대값이 매우 작기 때문에 보정치의 증가율은 고도 적분된 값을 구하는 경우에는 큰 영향을 미 치지 않는다. (2) 전자-중성대기 및 양이온-중성대기 충돌빈도모델에 따른 결과를 비교해 본 결과, 약 110km 이하의 고도에서는 세 모델을 이용해 추정한 전기전도도 분포가 거의 비슷하였다. 즉 이 고도 에서의 전기 전도도는 충돌빈도모델에 크게 의존하지 않는다.
180km 이상의 고도에서의 모델에 따른 약간의 차이는 고도 적분된 전기전도도에는 별 영향을 미치지 않는다. (3) 전자 및 양이온의 온도측정에 개입된 오 차가 약 10% 보다 작을 경우 전기전도도의 계산에는 크게 영향을 미치지 않았다. (4) 고도 적분된 전 기전도도를 추정할 때 적용되는 고도 적분 구간에 대해서도 검토해 본 결과, 지자기 활동이 미약한 날의 경우, 200km 이상의 고도를 포함하면, Ep에는 약 16%의 증가를 가져온 반면, $鬲에는 거의 영 향을 주지 않았다.
(3) 전자 및 양이온의 온도측정에 개입된 오 차가 약 10% 보다 작을 경우 전기전도도의 계산에는 크게 영향을 미치지 않았다. (4) 고도 적분된 전 기전도도를 추정할 때 적용되는 고도 적분 구간에 대해서도 검토해 본 결과, 지자기 활동이 미약한 날의 경우, 200km 이상의 고도를 포함하면, Ep에는 약 16%의 증가를 가져온 반면, $鬲에는 거의 영 향을 주지 않았다. 한편 90km 이하의 고도를 포함하면, 以 에는 약 10%의 중가를 가져왔지 만 에 는 영향을 주지 않았다.
그림 1(c)와 (d)는 그림 1(b)의 자료를 입 력 으로 추정한 고도에 따른 Pedersen과 Hall 전기 전도도 분포를 나타낸 것 이다. 보정 한 전자밀도로부터 추정한 전기전도도는 실측 전자밀도로부터 추정한 전기전도도에 비해, 120km 부근에서는 약 10%의 증가를 보이는 반면, 180km 이상에서는 300km 부근에서 약 68%의 증가를 보인다. 180km 이상의 F 층에서는 전기전도도의 절대값이 매우 작아서 보정치의 증가율이 실제로 고도적분시에는 120km 부 근의 E 충에 비해 큰 영향을 끼치지 않는다.
본 연구에서 검토한 문제점들 이외에도 비간섭 산란 레이더의 관측으로부터 추정되는 전리충 의 전기전도도에는 여러 가지 원인의 불확실성이 포함되어 있다고 알려졌다. 레이더 fitter 및 pulse smearing 효과와 레이더의 시간 분해능 보다 더 짧은 온도변동의 효과로 인해 전자밀도를 측정하는 과정에 불확실성이 내포될 수 있다(Doe 2002).
실제 레이더로 관측된 온도를 이용한 경우에 비해서 현저한 차이를 나타내지 않았다. 비록 여기에 나타내지는 않았지만 결론적으 로 10% 범위의 오차를 포함하는 전자 및 양이온의 온도분포는 전기전도도의 계산에는 크게 영향을 미치지 않았다. 뿐만 아니라 충돌빈도모델 2와 3을 사용했을 경우에도 10% 범위의 오차를 포함하는 전자와 양이온의 온도분포는 전기전도도의 계산에 별로 영향을 미치지 않는다는 점도 확인하였다.
비록 여기에 나타내지는 않았지만 결론적으 로 10% 범위의 오차를 포함하는 전자 및 양이온의 온도분포는 전기전도도의 계산에는 크게 영향을 미치지 않았다. 뿐만 아니라 충돌빈도모델 2와 3을 사용했을 경우에도 10% 범위의 오차를 포함하는 전자와 양이온의 온도분포는 전기전도도의 계산에 별로 영향을 미치지 않는다는 점도 확인하였다.
지자기 활동이 미 약한 주간에는, 보정한 전자밀도로부터 추정한 전기전도도는 실측 전자 밀도로부터 추정한 전기전도도에 비해, 120km 부근에서는 약 10%의 증가를 보이는 반면, 180km 이 상에서는 약 68%의 증가를 보였다. 오로라 활동이 활발한 야간에는, 보정한 전자밀도로부터 추정한 전기전도도는 실측 전자밀도로부터 추정한 전기전도도에 비해, 120km 부근에서는 약 3%의 증가를 보이는 반면, 180km에서는 약 42%의 증가를 보였다. 하지만, 180km 이상의 F층에서는 전기전도도 의 절대값이 매우 작기 때문에 보정치의 증가율은 고도 적분된 값을 구하는 경우에는 큰 영향을 미 치지 않는다.
그 림 5(a)는 Ep의 분포로, 적분 구간이 75-200km인 경우는 90-200km인 경우와 유사하며 75-500km인 경우는 90-500km인 경우와 거의 동일하게 나타났다. 즉 90km 이하의 고도를 포함하는 경우에는 거 의 영향을 주지 않는 반면, 200km 이상의 고도를 포함하는 경우에는 약 16%의 증가를 가져왔다. 그 림 5(b)는 2鬲의 분포로, 적분 구간이 75-200km인 경우는 75-500km인 경우와 유사하며 90-200km인 경우는 90-500km인 경우와 동일하게 나타났다.
이를 위해서, (1) 실제 로 관측된 전자밀도와 보정된 전자밀도를 각각 사용하여 계산한 전리층 전기전도도의 차이점을 비 교하였다. 지자기 활동이 미 약한 주간에는, 보정한 전자밀도로부터 추정한 전기전도도는 실측 전자 밀도로부터 추정한 전기전도도에 비해, 120km 부근에서는 약 10%의 증가를 보이는 반면, 180km 이 상에서는 약 68%의 증가를 보였다. 오로라 활동이 활발한 야간에는, 보정한 전자밀도로부터 추정한 전기전도도는 실측 전자밀도로부터 추정한 전기전도도에 비해, 120km 부근에서는 약 3%의 증가를 보이는 반면, 180km에서는 약 42%의 증가를 보였다.
그러나 보정된 전자밀도 는 Debye length 효과에 의해 약 10% 중가했다. 한편 전자와 양이온의 온도차이가 있는 약 180km 이 상의 고도에서는, 300km 부근에서 보정된 전자밀도는 약 28%의 Debye length 효과와 약 40%의 전 자」양이온의 온도차이에 의한 효과로, 총 68% 증가한다. 그림 1(c)와 (d)는 그림 1(b)의 자료를 입 력 으로 추정한 고도에 따른 Pedersen과 Hall 전기 전도도 분포를 나타낸 것 이다.
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