118 - ursi.org.tr

URSI-TÜRKİYE’2014 VII. Bilimsel Kongresi, 28-30 Ağustos 2014, ELAZIĞ
İyonküre Elektrik Gerilimlerinin IRI-Plas Modeli ile Hesaplanması
*
Ismail Cor, Muhammet Necat Deviren, Seymur Shukurov, Feza Arikan, Tamara Gulyaeva
Hacettepe Üniversitesi
Elektrik ve Elektronik Mühendisliği
Beytepe, Ankara
[email protected] [email protected] [email protected] [email protected]
*IZMIRAN
Moscow, Russia
[email protected]
Özet: İyonkürenin en önemli değişkeni olan elektron yoğunluğu (N e), elektrik yükünü oluşturan ana
parametredir. Zamana, konuma ve yüksekliğe göre değişiklik gösteren Ne’nin gerçek değerini belirlemek
mümkün değildir. International Reference Ionosphere Extended Plasmasphere (IRI-Plas) Ne’yi hesaplamak için
en sık kullanılan iklimsel iyonküre fiziksel modelidir. İyonkürenin yapısını incelemek için kullanılabilecek başka
bir değişken iyonküre elektrik gerilimidir. Elektrik gerilimini model üzerinden hesaplamak için gereken önemli
bir değişken dielektrik katsayısıdır. Herhangi bir noktadaki dielektrik katsayısı o noktadaki kırılma indisi
kullanılarak bulunabilir. Soğuk bir manyetoplazmada kırılma indisi hesaplamak için yaygın olarak kullanılan
model edilmiş Appleton-Hartree formülüdür. Çalışmanın amacı, elektrik geriliminin değerini, IRI-Plas
programı, IGRF-2011 modeli ve Appleton-Hartree formülü yardımıyla hesaplamaktır.
Abstract: The most important variable of ionosphere is the electron density (Ne). The International Reference
Ionosphere Extended to Plasmasphere (IRI-Plas) calculates electron density up to the desired height for a given
location, date and time. Electric potential is another important source of information about the distribution and
variability of charges in the ionosphere and Plasmasphere. An important variable dielectric constant is to
calculate the electric potential out of the model. The background dielectric constant is computed using the
refractive index from the Appleton-Hartree equation. Purpose of this studying calculate to electric potential with
IRI-Plas program, IGRF-2011 model and Appleton-Hartree formula in order to a position, an altitude and a
date to determine ionosphere physical properties and characteristics.
1. Giriş
İyonküre yeryüzünden yaklaşık 100 km ile 1000 km arası yükseklikte yer alan ve güneş ışınları ile iyonize olmuş
gazlardan oluşan atmosfer tabakasıdır. Güneş ışınımları iyonküre üzerinde büyük etkilere sahiptir. Güneş
ışınlarının iyonküredeki etkisi iyonlaşmayla ilgilidir. Güneş ışınımlarının etkisiyle iyonlaşma artar ve serbest
hale geçen elektron miktarında artış gözlenir. Serbest elektron miktarının en yüksek seviyeye ulaştığı an Yerel
Saat (YS)’ye göre 1200 civarıdır. Gece saatlerinde ise iyonkürede güneş ışınımlarının etkisi azaldığından serbest
elektron miktarında azalma gözlenir. İyonkürede günlük gerçekleşen bu değişimlerden başka mevsimsel
değişimlerde meydana gelmektedir.
İyonkürenin en önemli değişkeni elektron yoğunluğu (Ne)’dir. Elektron yoğunluğunun gerçek değeri
bilinemeyeceğinden bazı modeller geliştirilmiştir. International Reference Ionosphere Extended Plasmasphere
(IRI-Plas) en sık kullanılan iklimsel iyonküre fiziksel modelidir. IRI-Plas, iyonküredeki elektron yoğunluğunu
istenilen yüksekliğe, konuma ve zamana göre ampirik ve deterministik olarak hesaplar.
İyonküre karakteristiği hakkında bilgi veren parametrelerden biri de elektrik gerilimidir. Elektrik geriliminin
hesaplanabilmesi için gereken dielektrik katsayısı Appleton-Hartree kırılma indisi formülü kullanılarak
hesaplanabilir. Appleton-Hartree formülü soğuk manyetoplazma olan iyonkürede kırılma indisi hesaplamak için
ideal bir formüldür. TÜBİTAK 112E568 projesinde IRI-Plas, IGRF-2011 ve NRLMSISE-00 modeli ve
Appleton-Hartree denklemiyle bulunan parametreler kullanılarak iyonkürede belirli bir konum, zaman ve
yükseklik için neredeyse durgun elektrik gerilimi hesaplanmıştır.
URSI-TÜRKİYE’2014 VII. Bilimsel Kongresi, 28-30 Ağustos 2014, ELAZIĞ
2. Elektrik Geriliminin Hesaplanması
İyonkürede neredeyse durgun elektrik gerilimi aşağıdaki formülle hesaplanır. Formülde kullanılan ε0, boşluktaki
dielektrik katsayısını, ρ, hacimsel yük yoğunluğunu εr ise bağıl dielektrik katsayısını ifade eder.
(1)
Bu çalışmada elektrik gerilimi, iyonkürenin Şekil 1’de görüldüğü gibi yüksekliğe göre küresel voksellere
bölünmesiyle, verilen kolatitude (θ) ve boylam (λ) değerleri için ayrı ayrı hesaplanmıştır.
Şekil 1. Yükseklüğe göre voksellere bölünen iyonküre modeli
İyonküre indislere ayrılarak bölündükten sonra elektrik gerilimi, aşağıdaki gibi ifade edilebilir. Formülde yük
yoğunluğu ‘-eNe’ olarak ifade edilmiştir. h(l,Δθ,Δλ) gözlem noktasıyla voksel arasındaki mesafeyi, εr(l)
vokseldeki bağıl dielektrik katsayısını, ∆V′(l,∆θ,∆λ) l. indisin voksel hacmi, ∆λ ardışık boylamlar arasındaki
farkı, ∆θ ise ardışık kolatitudelar arasındaki farkı ifade eder.
(2)
Formül 2’de kullanılan elektron yoğunluğu IRI-Plas ile bulunurken, εr değeri elektron dönme frekansı
rezonansına göre modifiye edilmiş Appleton-Hartree kırılma indisi formülü kullanılarak hesaplanmıştır.
(3)
Şekil 2. Ankara (39,890 K 32,760 D) koordinatı için 21 Mart 2011 tarihinde elde edilen iyonküre fiziksel
değişkenleri ; a) elektron yoğunluğu, b) bağıl dielektrik katsayısı, c) voksel hacmi, d) elektrik gerilimi.
URSI-TÜRKİYE’2014 VII. Bilimsel Kongresi, 28-30 Ağustos 2014, ELAZIĞ
Şekil 2’de, Ankara (39,890 K 32,760 D) koordinatları için 21 Mart 2011 tarihinde güneşin etkinliğinin en yüksek
olduğu saat olan 1200 Yerel Saatte (YS) IRI-Plas programı kullanılarak 20 km aralıklarla elde edilen iyonküre
fiziksel parametreleri gösterilmiştir. Şekil 2a, Şekil 2b sırasıyla yüksekliğe göre elektron yoğunluğu (Ne) ve bağıl
dielektrik katsayısı (εr) grafiklerini göstermektedir. Grafiklerin arasındaki ilişki bağıl dielektrik katsayısının da
en önemli değişkeninin elektron yoğunluğu olduğunu göstermektedir. Şekil 2d ise iyonküredeki elektrik
geriliminin yüksekliğe göre grafiğidir.
Şekil 3. Ankara (39,890 K 32,760 D) koordinatı için 0100 ve 1200 Yerel Saatte (YS) elde edilen iyonküre
elektrik gerilimleri ; a) 21 Mart 2011, b) 21 Haziran 2011, c) 26 Eylül 2011, d) 21 Aralık 2011.
Şekil 3’te Ankara (39,890 K 32,760 D) koordinatları için 0100 ve 1200 Yerel Saat (YS) için farklı mevsimlerin
elektrik gerilimi değerleri gösterilmiştir. Şekil 3a ve Şekil 3c gün-tün eşitliği günleri olup grafiklerin davranışları
benzerlik göstermektedir. Şekil 3b yaz gün dönümündeki elektrik gerilimlerini gösterir ve gece gündüz farkı
oldukça azdır. Şekil 3d ise kış gün dönümü elektrik gerilimlerini gösterir ve bu tarihte de gece gündüz farkı en
yüksektir.
3. Sonuçlar
Bağıl dielektrik katsayısının elektron dönme frekansı rezonansına göre geliştirilmiş Appleton-Hartree formülü
kullanılarak hesaplandığı bu çalışmada, elektron yoğunluğuda IRI-Plas modeli ile bulunmuş ve bu iki önemli
değişkenin kullanılmasıyla iyonkürede neredeyse durgun elektrik gerilimi hesaplanmıştır. Ankara üzerindeki
iyonkürede farklı tarih ve saatlerde elektrik gerilim grafikleri, gece değerlerinin gündüz değerlerinden yüksek
çıktığı ve gün-tün eşitliği günlerinde benzerlik gösterdiği sonuçlarını verir. Ayrıca yaz gün dönümünde gece
gündüz farkının en az seviyeye, kış gün dönümünde ise en yüksek seviyeye çıktığı görülmektedir. İleriki
çalışmalarda IRI-Plas’ın içine TEC, foF2 ve HmF2 değerleri girilerek elektrik gerilimi hesaplanacak ve bu
sonuçlarla karşılaştırmalar yapılacaktır.
4. References
[1]. QIAO, J., RUI-PING, M., JI-YAC, X. “Variations of the Ionospheric Conductivity with Different Solar and
Geomagnetic Conditions“, Chinese Journal of Geophysics, Vol.49, No.5, 1121-1129, (2006).
[2]. GULYAEVA, T. L., BILITZA, D., Towards ISO Standard Earth Ionosphere and Plasmasphere Model, New
Developments in the Standard Model, ed. R.J. Larsen, Nova Science Publishers Inc., (2012)
[3]. SHAKAROFSKY, I.P. ‚“Generalized Appleton-Hartree Equation for Any Degree of Ionization and
Application to the Ionosphere“, Proceedings of the IRE, 1857-1871, (1961).
[4]. RISBETH, H., GARRIOT, O.K., “Introduction to Ionospheric Physics“, International Geopyhsics Series,
(1969).
[5]. NRLMSISE-00 Atmosphere Model
http://ccmc.gsfc.nasa.gov/modelweb/models/nrlmsise00.php