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A Modeling Framework for Estimating Ionospheric HF Absorption Produced by Solar Flares
Radio Science ( IF 1.6 ) Pub Date : 2021-09-23 , DOI: 10.1029/2021rs007285
S. Chakraborty 1 , J. B. H. Baker 1 , R. A. D. Fiori 2 , J. M. Ruohoniemi 1 , K. A. Zawdie 3
Affiliation  

Over-the-Horizon communication is strongly dependent on the state of the ionosphere, which is susceptible to solar flares. Trans-ionospheric high frequency (HF, 3–30 MHz) signals can experience strong attenuation following a solar flare that lasts typically for an hour, commonly referred to as shortwave fadeout (SWF). In this study, we examine the role of dispersion relation and collision frequency formulations on the estimation of SWF in riometer observations using a new physics-based model framework. The new framework first uses modified solar irradiance models incorporating high-resolution solar flux data from the GOES satellite X-ray sensors as input to compute the enhanced ionization produced during a flare event. The framework then uses different dispersion relation and collision frequency formulations to estimate the enhanced HF absorption. The modeled HF absorption is compared with riometer data to determine which formulation best reproduces the observations. We find the Appleton-Hartree dispersion relation in combination with the averaged collision frequency profile reproduces riometer observations with an average skill score of 0.4, representing 40% better forecast ability than the existing D-region Absorption Prediction model. Our modeling results also indicate that electron temperature plays an important role in controlling HF absorption. We suggest that adoption of the Appleton-Hartree dispersion relation in combination with the averaged collision frequency be considered for improved forecasting of ionospheric absorption following solar flares.

中文翻译:

用于估算太阳耀斑产生的电离层 HF 吸收的建模框架

超视距通信强烈依赖于电离层的状态,电离层很容易受到太阳耀斑的影响。跨电离层高频(HF,3-30 MHz)信号在太阳耀斑通常持续一个小时后会经历强烈衰减,通常称为短波衰减(SWF)。在这项研究中,我们使用一种新的基于物理的模型框架来检查色散关系和碰撞频率公式对 riometer 观测中 SWF 估计的作用。新框架首先使用修正的太阳辐照度模型,结合来自 GOES 卫星 X 射线传感器的高分辨率太阳通量数据作为输入来计算耀斑事件期间产生的增强电离。然后该框架使用不同的色散关系和碰撞频率公式来估计增强的 HF 吸收。将模拟的 HF 吸收与 riometer 数据进行比较,以确定哪种配方最能再现观察结果。我们发现 Appleton-Hartree 色散关系与平均碰撞频率分布相结合,以 0.4 的平均技能分数再现了 riometer 观测值,比现有的 D 区域吸收预测模型的预测能力提高了 40%。我们的建模结果还表明电子温度在控制 HF 吸收方面起着重要作用。我们建议考虑采用 Appleton-Hartree 色散关系与平均碰撞频率相结合,以改进对太阳耀斑后电离层吸收的预测。我们发现 Appleton-Hartree 色散关系与平均碰撞频率分布相结合,以 0.4 的平均技能分数再现了 riometer 观测值,比现有的 D 区域吸收预测模型的预测能力提高了 40%。我们的建模结果还表明电子温度在控制 HF 吸收方面起着重要作用。我们建议考虑采用 Appleton-Hartree 色散关系与平均碰撞频率相结合,以改进对太阳耀斑后电离层吸收的预测。我们发现 Appleton-Hartree 色散关系与平均碰撞频率分布相结合,以 0.4 的平均技能分数再现了 riometer 观测值,比现有的 D 区域吸收预测模型的预测能力提高了 40%。我们的建模结果还表明电子温度在控制 HF 吸收方面起着重要作用。我们建议考虑采用 Appleton-Hartree 色散关系与平均碰撞频率相结合,以改进对太阳耀斑后电离层吸收的预测。表示比现有的 D 区域吸收预测模型提高 40% 的预测能力。我们的建模结果还表明电子温度在控制 HF 吸收方面起着重要作用。我们建议考虑采用 Appleton-Hartree 色散关系与平均碰撞频率相结合,以改进对太阳耀斑后电离层吸收的预测。表示比现有的 D 区域吸收预测模型提高 40% 的预测能力。我们的建模结果还表明电子温度在控制 HF 吸收方面起着重要作用。我们建议考虑采用 Appleton-Hartree 色散关系与平均碰撞频率相结合,以改进对太阳耀斑后电离层吸收的预测。
更新日期:2021-10-06
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