A different view of the ionospheric winter anomaly

Abstract

The Winter Anomaly (WA) is an ionospheric phenomenon, particularly related to the F2-layer, that is classically defined as the situation in which the ionization level during winter is higher than during summer for a certain location. This situation is anomalous because it contradicts what would be naturally expected with summer's ionization levels higher than winter ones. This phenomenon has been a matter of study since the early decades of the XX century. This contribution tackles the study of the WA based on long time series (up to two solar cycles) of Total Electron Content (TEC) measurements over a globally distributed network of stations. The work done relies on a threefold strategy including: a classical approach based on the comparison of the winter and summer maximum TEC values, that confirmed the results previously documented; an intermediate approach with maximum TEC values modelled as linear functions of the solar radiation level, that allowed to identify stations where the WA is likely to be observed (and at what solar radiation level) and where is not; a final original approach where the maximum TEC values are modelled using Chapman's function for the seasonal variations, linear regressions for the solar activity dependence and the introduction of site and month dependent equivalent ionization coefficients for the remaining effects. The main conclusions are that the coefficients for winter months seem to depend mainly on geomagnetic latitude, to increase towards high latitudes and to be asymmetric between hemisphere. In accordance to these findings, the occurrences of WA effects would be regulated by proper combinations of these three effects.

La anomalía de invierno (WA) es un fenómeno ionosférico, particularmente relacionado con la capa F2, que se define clásicamente como la situación en la que el nivel de ionización durante el invierno es más alto que durante el verano para una determinada ubicación. Esta situación es anómala porque contradice lo que se esperaría naturalmente con niveles de ionización en verano más altos que en invierno. Este fenómeno ha sido objeto de estudio desde las primeras décadas del siglo XX. Esta contribución aborda el estudio del WA basado en series de tiempo largas (hasta dos ciclos solares) de mediciones de Contenido Total de Electrones (TEC) en una red de estaciones distribuidas globalmente. El trabajo realizado se basa en una triple estrategia que incluye: un enfoque clásico basado en la comparación de los valores máximos de TEC de invierno y verano, que confirmó los resultados previamente documentados; un enfoque intermedio con valores máximos de TEC modelados como funciones lineales del nivel de radiación solar, que permitió identificar estaciones donde es probable que se observe el WA (ya qué nivel de radiación solar) y dónde no; un enfoque original final donde los valores máximos de TEC se modelan utilizando la función de Chapman para las variaciones estacionales, regresiones lineales para la dependencia de la actividad solar y la introducción de coeficientes de ionización equivalentes dependientes del sitio y del mes para los efectos restantes. Las principales conclusiones son que los coeficientes para los meses de invierno parecen depender principalmente de la latitud geomagnética, aumentar hacia latitudes altas y ser asimétricos entre hemisferios. De acuerdo con estos hallazgos, las ocurrencias de los efectos WA se regularían mediante combinaciones adecuadas de estos tres efectos.