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Multi-Skalen-Ionosphärenmodell aus der Kombination moderner Satellitenverfahren (MuSIK)

Subject Area Geodesy, Photogrammetry, Remote Sensing, Geoinformatics, Cartography
Term from 2010 to 2015
Project identifier Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 177409213
 
Final Report Year 2016

Final Report Abstract

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.

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