Abstract

Under the assumption that the evolution of the total electron content (TEC) in a quiet ionosphere can be described within the framework of the linear dynamic-stochastic approach, the corresponding model is constructed and verified. The TEC data archive for 1998–2018 of the Crustal Dynamics Data Information System (CDDIS) of the National Aeronautics and Space (NASA) Administration was used in the calculations. The observed extreme anomalies of the TEC field (with an anomaly magnitude exceeding the triple value of the root-mean-square deviation of the anomaly norm) were interpreted as the response of a quiet ionosphere to external actions. It is believed that such actions include disturbances of the solar radiation flux and geomagnetic anomalies characterized by corresponding indices, as well as actions of other physical natures (the influence of the atmospheric gravity wave breaking, etc.). The external action was defined as the difference between the changed TEC anomaly predicted with the linear model and its real value. The linear dynamic-stochastic model made it possible to distinguish anomalies of the initial state of the ionosphere and external actions that were able to change it to the greatest extent after a given time. It is shown that the structure of extreme TEC anomalies is determined by the form of the optimal response vectors (left singular vectors of the corresponding operators). The coefficient of correlation reaches 0.85 for projection of the anomaly onto five leading vectors and 0.7 for projection onto the first vector.

中文翻译：

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根据线性理论的数据，总电子含量中存在极端异常

摘要

假设可以在线性动态随机方法的框架内描述安静电离层中总电子含量（TEC）的演变，则构造并验证了相应的模型。计算中使用了美国国家航空航天局（NASA）地壳动力学数据信息系统（CDDIS）1998-2018年的TEC数据存档。观测到的TEC场的极端异常（异常幅度超过了异常范数的均方根偏差的三倍值）被解释为安静电离层对外部作用的响应。可以认为，此类行为包括太阳辐射通量的扰动和以相应指标为特征的地磁异常，以及其他物理性质的动作（大气重力波破裂的影响等）。外部作用定义为线性模型预测的变化的TEC异常与其实际值之间的差异。线性动态随机模型可以区分电离层初始状态的异常和在给定时间后能够最大程度改变电离层初始状态的外部行为。结果表明，极端TEC异常的结构由最佳响应向量（相应算子的左奇异向量）的形式决定。对于将异常投影到五个引导向量上，相关系数达到0.85；对于将异常投影到第一个向量上，相关系数达到0.7。外部作用定义为线性模型预测的变化的TEC异常与其实际值之间的差异。线性动态随机模型可以区分电离层初始状态的异常和在给定时间后能够最大程度改变电离层初始状态的外部行为。结果表明，极端TEC异常的结构由最佳响应向量（相应算子的左奇异向量）的形式决定。对于将异常投影到五个前导向量上，相关系数达到0.85；对于将异常投影到第一个向量上，相关系数达到0.7。外部作用定义为线性模型预测的变化的TEC异常与其实际值之间的差异。线性动态随机模型可以区分电离层初始状态的异常和在给定时间后能够最大程度改变电离层初始状态的外部行为。结果表明，极端TEC异常的结构由最佳响应向量（相应算子的左奇异向量）的形式决定。对于将异常投影到五个前导向量上，相关系数达到0.85；对于将异常投影到第一个向量上，相关系数达到0.7。线性动态随机模型可以区分电离层初始状态的异常和在给定时间后能够最大程度改变电离层初始状态的外部行为。结果表明，极端TEC异常的结构由最佳响应向量（相应算子的左奇异向量）的形式决定。对于将异常投影到五个前导向量上，相关系数达到0.85；对于将异常投影到第一个向量上，相关系数达到0.7。线性动态随机模型可以区分电离层初始状态的异常和在给定时间后能够最大程度改变电离层初始状态的外部行为。结果表明，极端TEC异常的结构由最佳响应向量（相应算子的左奇异向量）的形式决定。对于将异常投影到五个前导向量上，相关系数达到0.85；对于将异常投影到第一个向量上，相关系数达到0.7。