Multi-dimensionale Modellierung der Ionosphäre (MDION)

Ziel des Projektes MDION ist die Entwicklung eines multi-dimensionalen integrierten Modells der Ionosphäre durch Beobachtungen verschiedener geodätischer Weltraumverfahren und die Entwicklung einer Kombinationsstrategie für globale Ionosphärenmodelle. Geodätische Verfahren, wie Global Navigation Satellite Systems (GNSS), Satellitenaltimetrie, oder FORMOSAT-3/COSMIC, erlauben die Beobachtung und Modellierung der Ionosphäre, aber jede Technik hat ihre spezifischen Charakteristiken, welche die abgeleiteten Ionosphärenparameter beeinflussen. Das kombinierte Modell nützt die Vorteile der jeweiligen Methode aus, hat eine bessere globale Verteilung und ist genauer und zuverlässiger als die Resultate der einzelnen Techniken. Im ersten Schritt werden kombinierte Modelle aus GNSS und Satellitenaltimetrie mit Daten von Low Earth Orbiter (LEO) Satelliten integriert, z.B. der FORMOSAT-3/COSMIC Mission, um die Ionosphärenparameter in Form von Elektronendichten als Funktion der Breite, Länge, Zeit und Höhe zu modellieren. Weil die LEO Missionen Auf- und Untergänge von GNSS Satelliten beobachten, sind sie in der Lage, vertikale Profile der ionosphärischen Refraktivität zur Verfügung zu stellen und 4D Ionosphärenmodelle in Form von Global Ionosphere Maps (GIM) zu entwickeln. Zur weiteren Verbesserung der Resultate werden die Ergebnisse mit externen Modellen und Daten zusammengeführt, z.B. der International Reference Ionosphere (IRI), dem La Plata Ionospheric Model (LPIM), und den Ionosphärendaten aus integrierten Profilen von Ionosonden. IRI hat sich in den letzten Jahren als sehr wertvolles Modell zur Beschreibung der mittleren Ionosphäre erwiesen, und weil Ionosonden sehr genaue vertikale Profile liefern, sind deren Ergebnisse von großem Nutzen bei der Assimilation innerhalb des Projektes MDION. Das kombinierte GIM kann verwendet werden, um Beobachtungen auf nur einer Frequenz zu korrigieren, die von vielen Radiofrequenz-Beobachtungsverfahren durchgeführt werden, und zur Validierung und Verbesserung von Ionosphärenparametern von anderen Techniken oder von theoretischen Modellen. Es kann auch als Informationsquelle für technik-spezifische instrumentelle Biases verwendet werden, wie den GNSS Differential Code Biases (DCBs) oder den Offsets der Satellitenaltimetrie, die als Nebenprodukte bestimmt werden. Im Weiteren soll innerhalb des Projektes die Auflösung der Modelle erhöht und es sollen die Modelle mit regionalen Daten verdichtet werden. Um dieses Ziel zu erreichen, wird ein Adjusted Spherical Harmonic (ASHA) Modell variablen Grades für regionale TEC Maps in genäherter Echtzeit entwickelt, zuerst über dem österreichischen permanenten GNSS Netz und dann über dem europäischen EUREF Permanentnetz. Generell werden die kombinierten Modelle zu verschiedenen Studien zur Physik der oberen Erdatmosphäre und der solar-terrestrischen Umgebung beitragen.

Das Projekt MDION zielte auf die Entwicklung eines multi-dimensionalen integrierten Modells der Ionosphäre mittels verschiedener geodätischer Weltraumverfahren und des Einsatzes einer Kombinationsmethode für die Berechnung globaler Ionosphärenmodelle. Im MDION-Projekt wurden Ionosphärenparameter in mehreren Dimensionen modelliert. Zunächst wurde die Elektronengesamtmenge (Total Electron Content, TEC) mittels verschiedener geodätischer Weltraumverfahren in Länge und Breite (2D) modelliert. Geodätische Verfahren wie die Globalen Navigationssatellitensysteme (Global Navigation Satellite Systems, GNSS), Satellitenaltimetrie oder FORMOSAT-3/COSMIC (F/C) ermöglichen die Beobachtung und Modellierung der Ionosphäre, verfügen jedoch jeweils über spezifische Eigenschaften, die die ermittelten Ionosphärenparameter beeinflussen können. Das kombinierte Modell nutzte die Vorzüge jeder einzelnen Methode auf bestmögliche Weise, besaß eine homogenere globale Abdeckung und erwies sich als genauer und verlässlicher als die Ergebnisse jeder einzelnen Methode. Aufgrund der Tatsache, dass diese 2D-Modelle Informationen über die integrierte, gesamte Elektronenmenge in vertikaler Richtung bzw. in Richtung der Beobachtung liefern, werden keine Variationen in verschiedenen Höhen der Ionosphäre berücksichtigt. In Fällen, in denen Informationen über Ionosphärenparameter in verschiedenen Höhen erforderlich sind, z.B. wenn Elektronendichteprofile nötig sind oder bei Messungen von Satellit zu Satellit, sollten Ionosphärenparameter in 3D oder 4D modelliert werden. Darüber hinaus kann die Ionosphäre auch über geophysikalische Parameter wie die maximale Elektronendichte in entsprechenden Höhen beschrieben werden. Die hochaufgelöste Modellierung dieser Parameter erlaubt deshalb eine verbesserte geophysikalische Interpretation.Um die Ionosphäre in 3D zu modellieren, wurde im Projekt die Elektronendichte als Funktion der maximalen Elektronendichte (NmF2) und der entsprechenden Höhe (hmF2) dargestellt. NmF2 und hmF2 wurden dann in Länge, Breite und Höhe mit zwei Sätzen von Kugelflächenfunktionsentwicklungen in Grad und Ordnung 15 modelliert. Die berechneten Ergebnisse wurden mit dem IRI-2012-Modell verglichen, um das Ergebnis der Ausgleichung nach kleinsten Quadraten zu bewerten. Um die erstellten Karten zu validieren, wurden die Ergebnisse außerdem mit den aus den F/C-Daten abgeleiteten F2-Maximalwerten verglichen. Die Vergleiche zeigten, dass unser Modellierungsansatz ein großes Potential für die Erzielung genauer und verlässlicher Ergebnisse besitzt. Für ein 4-D-Modell wurden schließlich die zeitlichen Variationen der ionosphärischen Maximalwerte detailliert ermittelt, woraus die Elektronendichte in Länge, Breite und Höhe modelliert werden konnte. Aufgrund verschiedener Entwicklungen und Modifikationen früherer konzeptioneller Ansätze kann man die in diesem Projekt fertiggestellte Studie als Pionierleistung auf dem Gebiet der Modellierung der oberen Atmosphäre mittels geodätischer Weltraumverfahren ansehen.