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ionosphere; ionospheric scintillation; VTEC; solar cycle; EIA; ionospheric irregularities; Ionosphäre; ionosphärische Szintillation; Sonnenzyklus; ionosphärische Unregelmäßigkeiten
Abstract:
The ionosphere is a complex and highly variable physical system with the F-layer, which occupies at the highest altitude, contains the greatest concentration of free electrons. Under the extreme circumstance of the ionosphere such as in the periods of high solar activity or magnetic storms or simply in the equinoctial months each year, this layer is very often disturbed. During the disturbances, the small-scale irregularities develop and disperse microwave radio signals, and thus generate rapid fluctuations in the amplitude and phase of satellite signals. This phenomenon causes the ionosphere to be scintillated and is called ionospheric scintillation. The impacts of scintillation cannot be mitigated by the multi-frequency technique that is very effective when dealing with ionospheric delay. Consequently, ionospheric scintillation is one of the most significant threats for space geodetic techniques, especially for stations operating in the polar regions or areas near the equator.
To study ionospheric scintillation, alternative methods have been proposed including the method of using high-rate receivers to directly output S4 index over Vietnam region and the method of using standard GNSS dual-frequency to calculate ROTI index on a global scale.
Main results of this thesis are the temporal variations of total number electron (TEC) in Southeast Asia for eleven consecutive years and the appearance characteristics of scintillation over this area as well as globally during solar cycle 24 (SC24). For space geodesy, electromagnetic waves are most vulnerable in the equatorial ionization anomaly (EIA) as this region has many potential risks of errors for satellite signals. The research area (Southeast Asia) is also located entirely within the EIA. In this thesis, the temporal - latitudinal VTEC maps have been established to study the modifications of EIA’s structure. Thereby, the featured occurrence of EIA crests in Southeast Asia is revealed. Also, the global morphology of anomaly crests averaged over 11-year period shows the worldwide distribution of EIA crests during SC24.
Throughout the thesis, the high consistency between the state of the ionosphere and the activity status of the Sun is evidenced by high correlations between VTEC and solar indices. In which, the radio flux index (F10.7 cm) is proved to be more agreeable to the VTEC development than the sunspot number (SSN). The behaviour of the ionosphere during intense magnetic storms is also investigated. The results show that the structure of EIA is often highly volatile during these severe ionospheric conditions.
Abstract:
Die Ionosphäre ist ein komplexes und hochvariables physikalisches System, wobei die am höchsten gelegene F-Schicht die höchste Konzentration an freien Elektronen enthält. Unter den extremen Bedingungen der Ionosphäre, wie beispielsweise in den Perioden hoher Sonnenaktivität oder magnetischer Stürme oder einfach in den Äquinoktialmonaten eines jeden Jahres, ist diese Schicht der Ionosphäre häufig gestört. Während der Störungen propagieren und zerstreuen die kleinräumigen Unregelmäßigkeiten Mikrowellen-Radiosignale und erzeugen so schnelle Schwankungen in der Amplitude und in der Phase der Satellitensignale. Dieses Phänomen führt zu einer Szintillation der Ionosphäre und wird oft als ionosphärische Szintillation bezeichnet. Im Prinzip können die Auswirkungen der Szintillation nicht durch die Mehrfrequenztechnik verringert werden, die bei der Behandlung der ionosphärischen Verzögerung sehr effektiv ist. Aus diesen Gründen ist die ionosphärische Szintillation eine der größten Herausforderungen für geodätische Weltraumtechniken, insbesondere für Messstationen, die in den Polarregionen oder in äquatornahen Gebieten einschließlich Südostasiens arbeiten.
Zur Untersuchung der ionosphärischen Szintillation wurden alternative Methoden vorgeschlagen, darunter die Methode der Verwendung von Hochfrequenz-Empfängern zur direkten Ausgabe des S4-Index über der Region Vietnam und die Methode der Verwendung der standardmäßigen GNSS Zweifrequenzmessungen zur Berechnung des ROTI-Index zur Untersuchung ionosphärischer Unregelmäßigkeiten im globalen Maßstab.
Die Hauptergebnisse der Arbeit beinhalten die zeitlichen Variationen des Gesamtelektroneninhalts (total electron content, TEC) in Südostasien für elf aufeinander folgende Jahre und die Erscheinungsmerkmale der Szintillation während des 24. Sonnenzyklus (SC24) sowohl über diesem Gebiet als auch auf globaler Ebene. Für die Weltraumgeodäsie sind elektromagnetische Wellen in der äquatorialen Anomalie der Ionosphäre (equatorial ionization anomaly, EIA) am anfälligsten, da diese Region viele potenzielle Fehlerrisiken für Satellitensignale aufweist, welche bei der Übertragung aus dem Weltraum die Ionosphäre durchqueren. Das Forschungsgebiet (Südostasien) befindet sich ebenfalls vollständig innerhalb der EIA. In dieser Arbeit wurden die zeit und breitenabhängigen Karten des VTEC erstellt, um die Veränderungen der Struktur der EIA zu untersuchen. Dabei wird das charakteristische Vorkommen von Kämmen der EIA-Anomalie in Südostasien offen gelegt. Außerdem zeigt die globale Morphologie der Anomalie-Kämme, gemittelt über einen Zeitraum von elf Jahren, die weltweite Verteilung der EIA-Kämme während des SC24.
Der starke Zusammenhang zwischen dem Zustand der Ionosphäre und dem Aktivitätszustand der Sonne wird durch hohe Korrelationen zwischen dem VTEC und den Sonnenindizes einschließlich der Sonnenfleckenzahl (sunspot number, SSN) und dem Radioflussindex F10,7 cm belegt. Auch das Verhalten der Ionosphäre während intensiver magnetischer Stürme wird untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass die Struktur der EIA unter diesen extremen ionosphärischen Bedingungen häufig sehr volatil ist.
