Untersuchung der Ionosphäre mittels geodätischer VLBI

Ziel des Projektes ist es, ein Verfahren zur Bestimmung von Ionosphärenparametern aus Messungen der Radiointerferometrie auf langen Basislinien (VLBI) zu entwickeln. Dieses Verfahren soll für jede Gegend und zu jeder Zeit anwendbar sein, wenn genügend VLBI Messungen für den betroffenen Raum vorhanden sind. Dabei werden die Ionosphärenparameter in folgender Form berechnet: - relativer Gesamtelektronengehalt (total electron content, TEC) zwischen zwei Stationen; - absolute TEC Werte an den einzelnen Stationen; - statische Darstellung des Gesamtelektronengehaltes über einer gesamten Region; - dynamische Darstellung des Gesamtelektronengehaltes. Die wichtigsten Schritte innerhalb des Projektes VLBIonos sind: - die Entwicklung eines Verfahrens zur Bestimmung von Ionosphärenparametern in den o.g. Formen durch die VLBI; - die Verwendung von unabhängigen externen Messungen für die absolute Kalibrierung; - eine eingehende Untersuchung der Ergebnisse hinsichtlich ihrer Fehler; - die Bestimmung der effektiven VLBI Ionosphärenfrequenz, die eine entscheidende Rolle bei der Berechnung der Ionosphärenparameter spielt; - Vergleiche der Ionosphärenparamter, die aus VLBI bestimmt wurden, mit anderen Verfahren; - die Entwicklung eines Standardverfahrens zur Bestimmung von Ionosphärenparametern am Institut für Geodäsie und Geophysik (IGG) VLBI Analyse Zentrum innerhalb des International VLBI Service for Geodesy and Astrometry (IVS). Dabei bedürfen die ersten fünf Schritte rein wissenschaftlicher Forschung, während der letztgenannte die Generierung von Ionosphärenparametern als operationelle Produkte vorbereiten soll. Fragen der Kombination und relativen Gewichtung von Einzellösungen spielen dabei eine wichtige Rolle. Die Ergebnisse dieses Projekts sind wertvoll für - die Korrektur von Einfrequenz-Messungen wie sie bei der VLBI (vor allem bei astrophysikalisch ausgelegten Experimenten) vorkommen, aber auch bei GPS oder bei anderen Techniken, die im Radiofrequenzbereich arbeiten; - den Vergleich der Ionosphärenparameter, die mit anderen Techniken bestimmt wurden; - Studien über die Physik der hohen Atmosphäre und der solar-terrestrischen Umgebung.

Präzise Messungen auf zwei Frequenzen haben eine lange Tradition in der Geodäsie. Die Radiointerferometrie auf langen Basislinien (VLBI) hat bereits in den späten siebziger Jahren routinemäßige Beobachtungen begonnen und führt diese bis heute in beinahe unveränderter Art aus. Zwei-Frequenzempfänger im X- und S-Band werden eingesetzt, um ionosphärische Laufzeitverzögerungen der Signale im geodätischen Auswerteprozess korrigieren zu können. Im Projekt wurde zunächst überprüft, ob die verwendeten Algorithmen, die höhere Korrekturterme vernachlässigen, der derzeitigen und zukünftigen VLBI Systemen hinsichtlich der geforderten Genauigkeit genügen. In diesem Projekt wurde ein Verfahren zur Bestimmung physikalischer Zustandsgrößen der Ionosphäre mittels VLBI entwickelt, das ohne die Information von anderen Messungen auskommt. So können aus VLBI- Beobachtungen Ionosphärenparameter in Form von vertikalen Gesamtelektronendichtewerten gewonnen werden. Die daraus erhaltenen Zeitserien wurden mit GPS-Modellen, Satellitenaltimetrie-Messungen und theoretischen Modellen der Ionosphäre verglichen. Spezielle GPS-Modelle wurden erstellt und ein Verfahren entwickelt, um ein integriertes Ionosphärenmodell aus VLBI, GPS und anderen Weltraumverfahren zu erstellen. Da die VLBI als einziges geodätisches Weltraumverfahren, das im Radiofrequenzbereich beobachtet, den Zeitraum der letzten beiden elfjährigen Sonnenzyklen abdeckt, konnten auch die Zusammenhänge mit dem Weltraumwetter untersucht werden. Die ermittelten Werte von VLBI und GPS stimmen innerhalb ihrer formalen Fehler überein und die Zeitserien aus beiden Verfahren beinhalten dieselben Perioden. Im weiteren Verlauf der Arbeit wurden kleine systematische Unterschiede der Ergebnisse auf messspezifische Fehlerquellen und Modellierungsansätze zurückgeführt und es wurde gezeigt, dass sich theoretische Modelle unter Berücksichtigung der VLBI-Ergebnisse verbessern lassen. Die mitgeschätzten instrumentellen Einflüsse reagieren auf kleinste Veränderungen an den Stationen und zeigen deutlich die technische Evolution der Empfangssysteme. Die Verwendung der Phaseninformation (fringe phases) als neues Forschungsgebiet der geodätischen VLBI, wurde ebenfalls untersucht. Phaseninformationen innerhalb eines Beobachtungszeitraums ermöglichen einen Nachweis von kurzperiodischen Variationen der Ionosphäre, den so genannten Szintillationen. Die Ergebnisse solcher ionosphärischer Störungen stimmen gut mit den Resultaten anderer Verfahren überein. VLBI kann daher eingesetzt werden, um sowohl langperiodische als auch kurzperiodische Variationen der Ionosphäre zu untersuchen und bietet sich als neues unabhängiges Verfahren zur Untersuchung der Ionosphäre an.