Multi-Skalen-Ionosphärenmodell aus der Kombination moderner Satellitenverfahren (MuSIK)
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die Ionosphäre ist ein elementarer Bestandteil des sogenannten Weltraumwetters. Dessen Überwachung, Modellierung und Vorhersage ist für unsere hochtechnisierte Gesellschaft von hoher Wichtigkeit. Für die Beschreibung des ionosphärischen Verhaltens werden derzeit noch vorwiegend empirische Modelle verwendet. Das abgeschlossene DFG-Projekt hatte das Ziel, ein physikalisch motiviertes mathematisches regionales Modell der 4D-Elektronendichte in der Ionosphäre zu entwickeln, welches durch Beobachtungen verschiedener geodätischer Messmethoden getrieben wird. Das Modell ist ein erster Schritt in Richtung eines datengetriebenen physikalischen Ionosphärenmodells. Die vertikale Struktur der Elektronendichte wird durch eine physikalisch motivierte Verteilung modelliert, welche sich zusammensetzt aus einem Chapman-Profil eines Einschichtmodells und einem Term, der die Elektronendichte in der Plasmasphäre repräsentiert. Die Parameter der Chapman-Funktion werden als Funktion von geographischer Länge und Breite sowie der Zeit mittels B-Spline-Basisfunktionen dargestellt. Die Parameter dieser Spline-Reihenentwicklungen schließlich werden aus geodätischen Beobachtungen abgeleitet. Die spezielle Darstellungsform erlaubt aufgrund des beschränkten Supports der Basisfunktionen die Modellierung der Ionosphäre über einer geographisch begrenzten Region. Für die Untersuchungen wurde ein Gebiet um Südamerika ausgewählt, wo einerseits eine gute Abdeckung durch Messdaten vorliegt und andererseits die starken Variationen der Elektronendichte in der südatlantischen Anomalie eine Herausforderung an das Modell darstellen. Als Beobachtungen wurden bodengestützte GNSS-Messungen, Messungen des französischen DORIS-Systems und von Satellitenaltimetern sowie satellitengestützte GNSS-Okkultationsmessungen herangezogen. Die Gewichtung der unterschiedlichen Beobachtungstypen wurde mit einer iterativen Varianzkomponentenschätzung bestimmt. Eine der zentralen Herausforderungen des Vorhabens war, neben der effizienten numerischen Integration der Elektronendichte längs der Sichtstrahlen, die Kombination heterogen in Raum und Zeit verteilter Beobachtungsdaten unterschiedlichen Typs zur Bestimmung einer großen Zahl von Parametern eines hochgradig nichtlinearen mathematisch-physikalischen Elektronendichtemodells. Vergleiche mit Messungen von Ionosonden und des TOPEX/Poseidon Altimeters sowie mit den globalen Modellen wie den IGS Ionosphärenkarten, dem Neustrelitz TEC Modell, dem SWACI Modell und mit NeQuick zeigen eine gute Performance des neu entwickelten Modells für unterschiedliche Sonnenaktivitäten. Die abgeleiteten physikalischen Modellparameter ermöglichen weitergehende Untersuchungen wie beispielsweise die Abschätzung der Plasmasphären-Skalenhöhe, welche Aussagen zum Temperaturverhalten der Thermosphäre erlaubt. Zudem ermöglicht die Multiskalen-Darstellung mit B-Splines die Anwendung von effizienten Datenkompressionsalgorithmen mit praktisch verlustfreien Kompressionen um über 70% zur Verteilung der Modelle an die Nutzer.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- A new global model for the ionospheric F2 peak height for radio wave propagation, Ann. Geophys., 30, 797-809
Hoque, M.M., Jakowski, N.
(Siehe online unter https://doi.org/10.5194/angeo-30-797-2012) - (2013): Contributions of DORIS to ionosphere modeling. In: Ouwehand L. (Ed.) Proceedings of "20 Years of Progress in Radar Altimetry", IDS Workshop, Sept. 2012, Venice, Italy, ESA SP-710 (CD-ROM), ISBN 978-92-9221-274-2, ESA/ESTEC
Dettmering D., Schmidt M., Limberger M.
- (2013): Regional representation of F2 Chapman parameters based on electron density profiles. Ann. Geophys., 31(12), 2215-2227
Limberger, M., Liang, W., Schmidt, M., Dettmering, D., and Hugentobler, U.
(Siehe online unter https://doi.org/10.5194/angeo-31-2215-2013) - (2014): Correlation studies for B-spline modeled F2 Chapman parameters obtained from Formosat- 3/COSMIC data. Ann. Geophys., 32, 1533-1545
Limberger, M., Liang,W., Schmidt, M., Dettmering, D., Hernández-Pajares, M., and Hugentobler, U.
(Siehe online unter https://doi.org/10.5194/angeo-32-1533-2014) - (2014): Regional modeling of ionospheric peak parameters using GNSS data – An update for IRI. Adv Space Res
Liang, W., Limberger, M., Schmidt, M., Dettmering, D., Hugentobler, U., Bilitza, D., Jakowski, N., Hoque, M. M.,Wilken, V., and Gerzen, T.
(Siehe online unter https://dx.doi.org/10.1016/j.asr.2014.12.006) - (2014): Using B-spline expansions for ionosphere modeling. In: Freeden W., Nashed M.Z., Sonar T. (Eds.) Handbook of Geomathematics (Second Edition), Springer
Schmidt M., Dettmering D., Seitz F.
(Siehe online unter https://dx.doi.org/10.1007/978-3-642-27793-1_80-1) - (2014): Using DORIS measurements for modeling the Vertical Total Electron Content of the Earth’s ionosphere. Journal of Geodesy, 88(12), 1131-1143
Dettmering, D., Limberger, M., and Schmidt, M.
(Siehe online unter https://dx.doi.org/10.1007/s00190-014-0748-2) - (2015): Combination of ground- and space-based GPS data for the determination of a multi-scale regional 4-D ionosphere model. International Association of Geodesy Symposia
Liang, W., Limberger, M., Schmidt, M., Dettmering, D., and Hugentobler, U.
(Siehe online unter https://dx.doi.org/10.1007/1345_2015_25) - (2015): Longterm comparison of the ionospheric F2 layer electron density peak derived from ionosonde data and Formosat-3/COSMIC occultations. J. Space Weather Space Clim., 5, A21
Limberger, M., Hernández-Pajares, M., Aragón-Ángel, A., Altadill, D., and Dettmering, D.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1051/swsc/2015023)
