NCAR-TIEGCM을 이용한 이온권과 열권의 상호작용 연구: 행성간 자기장(IMF)에 따른 고위도 하부 열권의 운동량 강제에 대한 연구

Abstract

본 연구에서는 미 국립대기연구소(NCAR)의 열권-이온권 전기역학적 대순환 모델(TIEGCM)을 이용하여 행성간 자기장(IMF)의 방향과 세기 그리고 고도에 따라 여름철 남반구 고위도 하부 열권의 바람에 작용하는 운동량 강제력을 정량적으로 구하였다. 그리고 이들을 서로 비교 분석함으로써 IMF 조건과 고도에 따른 고위도 하부 열권의 풍계(wind system)를 유지시켜주는 주된 물리적인 과정을 살펴보았다. 고위도 하부 열권(<180km)에서 양(<TEX>$B_y$</TEX> > 0.8|<TEX>$\overline{B}_z$</TEX>|)또는 음(<TEX>$B_y$</TEX> < -0.8|<TEX>$\overline{B}_z$</TEX>|)의 IMF By 조건인 경우에 운동량 강제력 차이, 즉 IMF 기준치 <TEX>${\neq}$</TEX> 0 일 때와 IMF 기준치=0 일 때의 운동량 강제력 차이(difference momentum force)는 자기위도 -80<TEX>$^{\circ}$</TEX>에서 최대값을 가지면서 극관과 오로라 영역에 국한된 단순한 형태의 분포를 보인다. 그리고 IMF <TEX>$B_z$</TEX> 성분이 양과 음일 때 강제력 차이의 세기는 비슷하지만 분포양상은 반대방향을 취한다. 한편 IMF <TEX>$B_z$</TEX>가 양(<TEX>$B_z$</TEX> > 0.3125|<TEX>$\overline{B}_y$</TEX>|) 또는 음(<TEX>$B_z$</TEX> < -0.3125|<TEX>$\overline{B}_y$</TEX>|)인 조건인 경우에는 강제력 차이가 아오로라(subauroral) 위도까지 분포하며 IMF <TEX>$B_z$</TEX>가 양 또는 음의 조건일 때 보다 복잡한 구조를 보인다. 그리고 IMF <TEX>$B_z$</TEX>가 음인 경우의 강제력 차이가 양인 경우보다 더 크며 반대방향으로 작용한다. 125km 보다 더 높은 고도(>125km)에서 바람차이를 결정하는 주된 강제력은 기압경도력, 전향력, 수평이류 그리고 비발산 성분이 강한 Pedersen 이온항력인 것으로 확인되었다. 고도 약 125km 에서는 이 네 가지 힘에 더불어 비회전 성분이 강한 Hall 이온향력과 극관내 의 연직 이류가 지역과 시간에 따라 바람차이의 형성에 작용한다. 한편 고도 108-125km 에서는 IMF <TEX>$B_z$</TEX> 조건일 경우의 극관영역을 제외하고는 기압경도력, 전향력 그리고 Hall 이온항력이 이 고도에서의 바람차이를 유발시키는 주된 강제력으로 작용한다. 고도 108km 이하에서는 기압경도력과 전향력이 균형을 이루어 지균 운동을 유지시킨다. IMF-<TEX>$\overline{B}_y$</TEX>의존 MLT 평균 운동량 강제력들은 이온항력을 제외한 다른 모든 남북성분이 동서성분에 비해 더 강하게 중성대기에 작용하는 것으로 확인되었다. 108-125km의 고도에서 IMF B?가 음인 경우에 이온항력은 하강운동 및 단열압축가열과 관련된 시계방향의 온난순환(warm circulation)을 극관 내에 형성시킨다. 반면 IMF <TEX>$B_y$</TEX>가 양인 경우에는 극관 내에 상승운동 및 단열팽창냉각과 관련된 반시계방향의 한랭순환(cold circulation)을 형성시킨다. 이온항력은 IMF <TEX>$B_z$</TEX>가 음인 경우에는 새벽영역에 상승운동과 관련된 반시계방향의 한랭순환을, 반면에 IMF <TEX>$B_z$</TEX>가 양인 경우에는 새벽영역에 하강운동과 관련된 시계방향의 온난순환을 형성시킨다. To understand the physical processes that control the high-latitude lower thermospheric dynamics, we quantify the forces that are mainly responsible for maintaining the high-latitude lower thermospheric wind system with the aid of the National Center for Atmospheric Research Thermosphere-Ionosphere Electrodynamics General Circulation Model (NCAR-TIEGCM). Momentum forcing is statistically analyzed in magnetic coordinates, and its behavior with respect to the magnitude and orientation of the interplanetary magnetic field (IMF) is further examined. By subtracting the values with zero IMF from those with non-zero IMF, we obtained the difference winds and forces in the high-latitude 1ower thermosphere(<180 km). They show a simple structure over the polar cap and auroral regions for positive(<TEX>$B_y$</TEX> > 0.8|<TEX>$\overline{B}_z$</TEX> |) or negative(<TEX>$B_y$</TEX> < -0.8|<TEX>$\overline{B}_z$</TEX>|) IMF-<TEX>$\overline{B}_y$</TEX> conditions, with maximum values appearing around -80<TEX>$^{\circ}$</TEX> magnetic latitude. Difference winds and difference forces for negative and positive <TEX>$\overline{B}_y$</TEX> have an opposite sign and similar strength each other. For positive(<TEX>$B_z$</TEX> > 0.3125|<TEX>$\overline{B}_y$</TEX>|) or negative(<TEX>$B_z$</TEX> < -0.3125|<TEX>$\overline{B}_y$</TEX>|) IMF-<TEX>$\overline{B}_z$</TEX> conditions the difference winds and difference forces are noted to subauroral latitudes. Difference winds and difference forces for negative <TEX>$\overline{B}_z$</TEX> have an opposite sign to positive <TEX>$\overline{B}_z$</TEX> condition. Those for negative <TEX>$\overline{B}_z$</TEX> are stronger than those for positive indicating that negative <TEX>$\overline{B}_z$</TEX> has a stronger effect on the winds and momentum forces than does positive <TEX>$\overline{B}_z$</TEX> At higher altitudes(>125 km) the primary forces that determine the variations of tile neutral winds are the pressure gradient, Coriolis and rotational Pedersen ion drag forces; however, at various locations and times significant contributions can be made by the horizontal advection force. On the other hand, at lower altitudes(108-125 km) the pressure gradient, Coriolis and non-rotational Hall ion drag forces determine the variations of the neutral winds. At lower altitudes(<108 km) it tends to generate a geostrophic motion with the balance between the pressure gradient and Coriolis forces. The northward component of IMF By-dependent average momentum forces act more significantly on the neutral motion except for the ion drag. At lower altitudes(108-425 km) for negative IMF-<TEX>$\overline{B}_y$</TEX> condition the ion drag force tends to generate a warm clockwise circulation with downward vertical motion associated with the adiabatic compress heating in the polar cap region. For positive IMF-<TEX>$\overline{B}_y$</TEX> condition it tends to generate a cold anticlockwise circulation with upward vertical motion associated with the adiabatic expansion cooling in the polar cap region. For negative IMF-<TEX>$\overline{B}_z$</TEX> the ion drag force tends to generate a cold anticlockwise circulation with upward vertical motion in the dawn sector. For positive IMF-<TEX>$\overline{B}_z$</TEX> it tends to generate a warm clockwise circulation with downward vertical motion in the dawn sector.