%0 Thesis
%4 sid.inpe.br/mtc-m21d/2021/07.21.11.33
%2 sid.inpe.br/mtc-m21d/2021/07.21.11.33.10
%T Space weather effects on the brazilian equatorial spread F: observation and IRI model
%J Efeitos do clima espacial na propagação equatorial brasileira F: modelo de observação e IRI
%D 2022
%8 2021-06-28
%9 Dissertação (Mestrado em Geofísica Espacial/Ciências Atmosféricas)
%P 82
%A Abaidoo, Samuel,
%E Saba, Marcelo Magalhães Fares (presidente), ,
%E Cândido, Claudia Maria Nicoli (orientadora), ,
%E Guedes, Fábio Becker (orientador), ,
%E Odriozola, Siomel Savio ,
%E Klausner, Virgínia,
%I Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE)
%C São José dos Campos
%K equatorial ionosphere, equatorial spread-F, solar wind, digisonde, solar minimum, ionosfera equatorial, equatorial spread-F, vento solar, mínimo solar, clima espacial.
%X This work present the study of the Brazilian Equatorial spread-F during the solar minimum year,2018. For this purpose, ionospheric data obtained by a Digisonde installed in Belem, PA (BL; 48W, 1.43S; Dip: -2.6) were analyzed. Spread-F is the generic term referring to plasma density fluctuations in the ionospheric F-region after sunset. Its importance is attributed to its effects on the radio waves propagation between satellites and ground-based receivers, which in its turn affect global navigation and positioning systems. In the Brazilian sector, characterized by a large negative declination angle of magnetic equator, it is observed a high occurrence of equatorial spread-F/equatorial plasma bubbles. The interest on to study spread-F on solar minimum is that there are no intense geomagnetic disturbances. In general, weak-to-moderate storms mostly driven by High-Speed Solar wind streams, HSSs, and Corotating Interaction region, CIRs occurr. These storms are weaker than those driven by Coronal Mass Ejections, CMEs. However, they present a long-duration recovery phase. This "quiescent" scenario provides good conditions to analyze the ionospheric response. The equatorial spread-F occurrence rate was determined after analyzing thousands of ionograms provided by the Digisonde installed at Belem and a statistical study of was performed. At first, the spread-F was classified in three main patterns: Range, Frequency, and Mixed spread-F. The start time and duration of spread-F were also evaluated for each night of the year. It was observed a seasonal variation, with peaks in Summer solstice and Equinoxes, and a minimum occurrence in June Solstice. The onset time was mostly at around 21:00 LT, and it was noticed that spread-F duration time is higher in Summer and Equinoxes than in June Solstice. The spread-F probability was additionally calculated by the IRI model for each hour in each month. It was noticed that there is a similar trend for observed and calculated probability. However, some some discrepancies were observed during disturbed intervals: IRI model may underestimate or overestimate the spread-F probability. The spread-F day-to-day variability was also considered. It was observed that spread-F during solar minimum can occur during quiet or disturbed geomagnetic intervals with variable duration. However, under some moderate disturbed conditions, spread-F can be suppressed or favored. In this way, the influence of a moderate geomagnetic storm on the equatorial F-region heights and frequencies was carefully investigated by the analyzes of ionospheric parameters such as the virtual F-layer height, hIF; the F-layer peak height, hmF2, and the critical plasma frequency, foF2. It was selected a disturbed geomagnetic interval in May, a month considered out of the Spread-F season in Brazil for a study case. It was observed that during the main phase of the storm, the F-region experienced a sudden uplift associated with an intensified ExB vertical drift at nighttime. This uplift was probably caused by enhanced zonal electric field associated to a Prompt Penetration of Electric Field, PPEF. In its turn, the plasma density was intensified over its five quietest days average, 5QD, for some days of the recovery phase. These finding can contribute to a better understanding of the ionosphere during solar minimum a to Space Weather prediction programs. RESUMO: Este trabalho apresenta o estudo do spread-F equatorial na região brasileira durante o mínimo solar 2018. Para tanto, foram analisados dados ionosféricos obtidos por uma Digissonda instalada em Belém, PA (BL; 48W, 1.43S; Dip: -2.6). Spread-F é o termo genérico que se refere às flutuações da densidade do plasma na região F ionosférica após o pôr do sol, as chamadas irregularidades do plasma ionosférico equatorial, ou Bolhas de plasma equatoriais. Sua importância se deve aos seus efeitos na propagação das ondas de rádio entre satélites e receptores terrestres, e portanto, nos sistemas globais de navegação e posicionamento. No setor brasileiro, caracterizado por um grande ângulo de declinação negativo do equador magnético, observa-se uma alta taxa de ocorrência de spread-F/bolhas de plasma equatorial. Neste trabalho estuda-se o spread-F equatorial durante um ano de mínimo solar,o qual é caracterizado pelo baixo número de manchas e regiões ativas no Sol, bem como valores menores de fluxo solar. Neste período, tempestades geomagnéticas intensas não são esparsas, enquanto tempestades fracas a moderadas são frequentes. Tais tempestades geomagnéticas são principalmente geradas por fluxos de vento solar de alta velocidade, HSSs (High-Speed Solar Wind Streams), e regiões de interação corrotante, CIRs (Corotating Interaction Regions). Embora essas tempestades sejam menos intensas do que as provocadas por Ejeções de Massa Coronal, CMEs (Coronal Mass Ejections), elas apresentam uma fase de recuperação de longa duração (vários dias), o que causa respostas ionosféricas de longa duração. A taxa de ocorrência do spread-F equatorial foi realizado após a análise de milhares de ionogramas fornecidos pela Digissonda instalada em Belém. O spread-F foi classificado em três padrões principais: Range, Frequency e Misto (uma combinação de ambos). Características como a hora de início e fim e a duração do spread-F foram avaliadas para cada noite do ano. O estudo estatístico mostrou que há uma uma variação sazonal, com picos de ocorrência entre os equinõcios no hemisfério sul, e mínimo durante o solstício de inverno. Em geral, o horário de início do spread-F foi principalmente por volta das 21:00 hora local. Adicionalmente, observou-se que que o tempo de duração do spread-F foi maior durante os meses de verão e equinócios do que no solstício de inverno. A probabilidade de ocorrência do Spread-F foi calculada baseada nas observações e foi calculada pelo modelo IRI para cada mês. Observou-se que existe uma tendência similar para as probabilidades observada e a calculada, embora com algumas discrepâncias do modelo IRI, o qual pode subestimar ou superestimar o spread-F observado especialmente em períodos perturbados. A variabilidade diária do spread-F também foi considerada na análise. Foi observado que o spread-F durante o mínimo solar pode ocorrer durante períodos geomagneticamente calmos ou perturbados, com duração variável. No entanto, sob algumas condições geomagneticamente moderadas, o spread-F pode ser favorecid em períodos não usuais. A influência de uma tempestade geomagnética moderada no spread-F foi investigada pela análise de parâmetros ionosféricos como a altura virtual da camada F, hIF, a altura do pico da camada F, hmF2 e a frequência crítica do plasma, foF2. O intervalo geomagneticamente perturbado foi o mês de maio, um mês considerado fora da "temporada de spread-F no Brasil. Foi percebido que durante a fase principal da tempestade a região F experimentou uma elevação rápida associada a uma intensificação do campo elétrico e consequentemente da deriva vertical ExB durante a noite, provavelmente causada por um episódio de penetração súbita de campo elétrico, PPEF (Prompt Penetration Electric Field). Além disso, a frequência/densidade do plasma foi intensificada acima da média dos cinco dias mais calmos de maio (5QD) durante a fase de recuperação. Estes resultados podem contribuir para estudos dos efeitos de Clima Espacial em baixa atividade solar.
%@language en
%3 publicacao.pdf