Perfeccionamiento del Modelo Ionosférico La Plata (LPIM)

Abstract

En esta Tesis Doctoral, se planteó el desafío de llevar a cabo una serie de estudios que permitieran perfeccionar el Modelo Ionosférico La Plata (LPIM) a través de: a) Un mejor conocimiento del nivel de exactitud del mismo. b) El desarrollo e implementación de técnicas mejor adaptadas para la estimación de parámetros fundamentales necesarios para la reconstrucción de perfiles verticales de densidad electrónica. c) La incorporación de mediciones propicias para mejorar la determinación de perfiles de densidad electrónica que hasta entonces no eran aprovechadas por el modelo. Detrás de esta serie de estudios había una clara necesidad: que el LPIM se mantenga en la vanguardia del estudio ionosférico, lo cual implica una constante actualización y optimización, de manera de poder aprovechar cada nuevo aporte, ya sea de tipo instrumental o de concepción teórica. Consecuentemente, teniendo en cuenta que este trabajo de investigación fue iniciado en épocas en que la densidad electrónica reemplazaba al vTEC de manera definitiva como cantidad esencial para la determinación de la variabilidad espacio-temporal de la ionosfera, el LPIM debió evolucionar hacia una nueva versión capaz de reconstruir perfiles de la densidad de electrones libres. Sin embargo, para poder dar un paso evolutivo tan significativo, debía cerrarse la etapa previa con la mayor precisión y confiabilidad posibles; para lo cual era necesario completar el conocimiento de la exactitud con la que el LPIM computa los valores de vTEC. Así, fue con esta necesidad en mente que se llevó a cabo la primera etapa del trabajo de investigación descripto en esta Tesis. En ésta, se analizó de manera global y para diversos momentos del año y diferentes niveles de actividad solar, la exactitud lograda por el LPIM al estimar las constantes de calibración que afectan a las mediciones GPS (o DCBs), para que de esta manera el modelo no sólo provea información del contenido electrónico total de la ionosfera, sino también información sobre la confiabilidad de sus resultados. En dicho trabajo, se demostró que no es posible lograr una estimación de los DCBs con un error promedio menor a los 3 TECu para épocas de actividad solar baja, y a los 8 TECu para períodos de actividad solar alta; lo que se traduce en un error mínimo del vTEC igual a 3 TECu para actividad solar baja, e igual a 8 TECu para actividad solar alta. En otras palabras, los mapas globales horarios de vTEC determinados por el LPIM se ven afectados por un error de ±3 TECu para períodos de baja actividad solar y de ±8 TECu para épocas de actividad solar alta. De esta forma, cualquier miembro de la comunidad científica que desee utilizar los datos de vTEC provistos por el LPIM, tendrá la garantía de que éstos representan el comportamiento espacio-temporal del contenido electrónico total ionosférico con una exactitud del orden de ±3 TECu durante momentos de actividad solar baja, y del orden de ±8 TECu para épocas de alta actividad solar. Concluido este análisis, y a sabiendas de que el LPIM ya era capaz de reconstruir perfiles de densidad electrónica, se tomó la iniciativa de modificar la técnica de determinación de la frecuencia crítica y la altura del pico de la región F2 (foF2 y hmF2) que utilizaban hasta ese entonces los modelos ionosféricos más importantes (IRI, NeQuick y el propio LPIM). Por consiguiente, teniendo en cuenta que la técnica convencional (método de Jones & Gallet) utilizada para modelar la variabilidad espacio-temporal de foF2 y hmF2 se sustenta en datos observacionales provistos por la red de estaciones ionosféricas disponibles en la década de 1950, y que particularmente la modelización del parámetro hmF2 requiere la implementación de relaciones entre dicha cantidad y el factor de propagación M3000F2 que son numéricamente inestables, se procedió a la implementación de una nueva técnica de mapeo de los parámetros foF2 y hmF2 basada en un desarrollo en serie de armónicos esféricos de grado y orden iguales a 15. Dicho trabajo sirvió para demostrar que el método propuesto está muy bien adaptado para reproducir los resultados generados por la técnica de Jones & Gallet. Esto es, mediante una técnica matemáticamente más simple y numéricamente estable se reprodujeron los resultados obtenidos con la técnica de Jones & Gallet con un nivel de acuerdo del 99%. Consecuentemente, dadas las ventajas de la formulación de armónicos esféricos y los resultados que ésta produce, se procedió a su implementación en la modelización del LPIM. Finalmente, teniendo en cuenta que los datos GPS provistos por satélites LEO contienen información de los gradientes verticales del contenido electrónico de la ionosfera, se llevó a cabo la última etapa del trabajo de investigación desarrollado en esta Tesis Doctoral. Dicho trabajo consistió en el desarrollo de un módulo algorítmico capaz de lidiar con la compleja geometría de las observaciones de radio-ocultación, para así determinar el observable ionosférico L4 nivelado al código, y luego poder utilizarlo en un proceso de asimilación que permita la estimación de correcciones a los coeficientes utilizados en el desarrollo en serie de armónicos esféricos que modela la variabilidad espacio-temporal de foF2 y hmF2. Es decir, se procesaron datos GPS provistos por la misión COSMIC/FORMOSAT-3 para calcular correcciones a los valores medios globales de la frecuencia crítica y de la altura del pico de la región F2. Luego, dichas correcciones se utilizaron para computar nuevos valores de foF2 y hmF2, los cuales fueron implementados en el cálculo de perfiles de densidad electrónica, lográndose de esta manera una mayor flexibilidad a la hora de representar la variabilidad real de la ionosfera. En resumen, se construyó un módulo algorítmico que procesa las observaciones GPS-COSMIC; luego las utiliza para calcular correcciones al valor medio global de la frecuencia crítica y de la altura del pico de la región F2; y finalmente incorpora las correcciones previamente calculadas para computar nuevos valores de foF2 y hmF2, en base a los cuales determina perfiles de densidad electrónica más realistas. Los resultados arrojados por dicho paquete algorítmico mostraron que las correcciones a los valores medios globales de foF2 y hmF2 son del orden de 0,01 – 2,2 MHz y de 0,04 – 5,55 km, respectivamente. Además, dichas cantidades sirvieron para determinar que el LPIM (sin ingesta de observaciones) sobreestima levemente las magnitudes máximas de los perfiles de densidad electrónica y subestima, también levemente, la altura de dichos máximos de concentración electrónica. Asimismo, la incorporación de datos GPS-COSMIC permitió mejorar la representación del máximo de densidad electrónica de la ionosfera, como pudo corroborarse a partir de una comparación entre los perfiles calculados por el LPIM corregido y aquellos determinados por el International Reference Ionosphere (IRI).