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Monitoring of a polar plasma convection event with GPS

Stolle, Claudia, Schlüter, Stefan, Jacobi, Christoph, Jakowski, Norbert, Raabe, Armin 11 January 2017 (has links) (PDF)
When L-band radio waves of space based systems such as Global Positioning System (GPS) travel trough the ionosphere and plasmasphere their ray paths are perturbed due to the free electrons. Since the last decade these integrated measurements are used to map the ionosphere for navigational and scientific investigations. In November 2001 a polar plasma convection like ionospheric event has been recognised in vertical TEC maps produced with GPS data. This event on the one hand is shortly compared with the behaviour of the Interplanetary Magnetic Field (IMF) to which it may be related according to former publications. On the other hand the 3-dimensional tomography applying also GPS data is tested on its capability to reconstruct this ionospheric event in the European sector. The different mappings of the two monitoring methods are compared. / Wenn L-Band-Radiowellen raumgestützter Navigationssysteme wie das Global Positioning System (GPS) die Ionosphäre oder Plasmasphäre durchlaufen, werden Ihre Strahlwege durch die freien Elektronen verändert. Seit dem letzten Jahrzehnt verwendet man diese integrierten Messungen, um die Ionosphäre im Interesse der Navigation und der Wissenschaft abzubilden. Am Beispiel eines Ereignisses vom November 2001 wurde eine polare Plasmakonvektion in der Ionosphäre durch vertikale TEC –Karten (Total Electron Content), die ebenfalls mit Hilfe von GPS Daten erstellt werden, abgebildet. Einerseits wurde das Ereignis der Plasmakonvektion mit dem Verhalten des Interplanetaren Magnetischen Feldes (IMF) kurz verglichen und auf ihren Zusammenhang hin untersucht. Auf der anderen Seite wurde anhand dieses Ereignisses die Methode einer über den europäischen Raum aufgespannten auf GPS–Daten basierenden 3-dimensionale Tomographie auf ihre Reproduzierbarkeit hin geprüft. Die zwei verschiedenen Methoden des Ionosphärenmonitorings werden verglichen.
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Drifts and their short-period perturbations in the lower ionosphere observed at Collm during 1983 - 1999

Gavrilov, Nikolaj M., Jacobi, Christoph, Kürschner, Dierk 02 December 2016 (has links) (PDF)
Estimations of the intensity of short-period perturbations of the horizontal drift velocity at 80 - 110 km altitude are made using data from the regular low-frequency D1 ionospheric reflection observations at Collm, Germany (52° N, 15° E) for the period 1983 - 1999. A simple half-hourly-difference numerical filter is used to extract perturbations with time scales between 0.7 and 3 hours. The results are compared with the mean drift analyses in order to study the interaction between short-period perturbations and the mean circulation. The average monthly variances of short-period perturbations of the zonal velocity near 80 km altitude show a main maximum in summer, a smaller maximum in winter, and minimum values at the equinoxes. At higher altitudes the summer maximum is shifted towards spring, and another maximum of perturbation variances in autumn appears at altitudes near and above 100 km. The seasonal changes of variances of the meridional velocity show maximum values in spring and summer, also some indications for an increase of the summer maximum at altitudes larger than 100 km are found. The observed altitude changes of the seasonal variations of drift perturbation variances are consistent with some numerical calculations of the height structure of a spectrum of internal gravity waves in the middle and upper atmosphere. / Die Intensität kurzperiodischer Störungen der horizontalen Driftgeschwindigkeit im Höhenbereich zwischen 80 und 110 km wurde anhand der regulären D1 Langwellenreflexionsmessungen in Collm (52° N, 15° E), bestimmt. Verwendet wurden Daten der Jahre 1983 - 1999. Ein einfache numerische Filter basierend auf den Unterschieden aufeinanderfolgender halbstündiger Windmittelwerte wurde verwendet, um Störungen im Zeitbereich von 0.7 - 3 Stunden zu ermitteln. Die Ergebnisse wurden mit Analysen der mittleren Drift verglichen, um die Wechselwirkungen zwischen kurzperiodischen Störungen und der mittleren Zirkulation zu untersuchen. Die mittlere monatliche Varianz der kurzperiodischen Störungen der Zonalgeschwindigkeit bei etwa 80 km zeigt ein Hauptmaximum im Sommer und ein schwächeres Maximum im Winter, wobei die Minima während der Aquinoktien auftreten. In grösseren Höhen verschiebt sich das Sommermaximum zum Frühjahr hin, und in Höhen über 100 km erscheint im Herbst ein weiteres Maximum. Der Jahresgang der meridionalen Windstörungen zeigt maximale Werte in Frühjahr/Sommer, und es sind auch Hinweise auf eine Verstärkung des Sommermaximums oberhalb von 100 km zu finden. Die gemessenen Höhenänderungen im Jahresgang der kurzperiodischen Driftschwankungen entsprechen numerischen Ergebnissen der Höhenabhängigkeit interner Schwerewellen in der mittleren und oberen Atmosphäre.
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Long-term behaviour of E-region nighttime LF reflection heights

Kürschner, Dierk, Jacobi, Christoph 11 January 2017 (has links) (PDF)
The nighttime reflection height of low-frequency (LF) radio waves at oblique incidence is measured at Collm Observatory using 1.8 kHz sideband phase comparisons between the sky wave and the ground wave of a commercial 177 kHz LF transmitter. The measurements have been carried out continuously since September 1982, now allowing the analysis of trends and regular variations of the reflection height. In the time series is found a) a long-term negative trend and b) a solar cycle dependence, both confirming earlier measurements and theoretical estimations. Moreover, a significant oscillation of quasi-biennial period is visible in LF reflection heights, indicating a reaction of the midlatitude mesosphere/lower thermosphere region on the equatorial quasi biennial oscillation. / Am Observatorium Collm der Universität Leipzig werden die nächtlichen Reflexionshöhen von Langwellen auf 177 kHz unter Verwendung von Seitenbandinformationen in einem kleinen Bereich um 1.8 kHz gemessen. Die Messungen werden seit September 1982 durchgeführt und erlauben nunmehr Analysen von Langzeittrends und regulären Variationen der unteren Ionosphäre. Bei der Untersuchung der Zeitreihen fallen die folgenden Zusammenhänge auf: a)es existiert ein negativer Trend, welcher mit der Abkühlung der Stratosphäre in Zusammenhang steht, b) die Reflexionshöhe weist eine Modulation mit dem 11-Jährigen Sonnenfleckenzyklus auf und c) es ist eine deutliche quasi-zweijährige Schwingung sichtbar, die auf eine Kopplung der Mesosphäre und unteren Thermosphäre mit der äquatorialen Stratosphäre hinweist.
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Ergebnisse ionosphärischer Messungen am Observatorium Collm während der totalen Sonnenfinsternis vom 11. 8.1999

Jacobi, Christoph, Kürschner, Dierk 05 December 2016 (has links) (PDF)
Während der Sonnenfinsternis am 11. 8. 1999 kam es zu einer kurzzeitigen starken Abnahme der Ionisation im Höhenbereich der D-Region (60-90 km Höhe) am Unterrand der Ionosphäre. Mit bodengebundenen funktechnischen Beobachtungen der Ausbreitung elektromagnetischer Wellen über die D-Region konnte dieses Ereignis in charakteristischer Weise als ein simulierter Tag-Nacht-Übergang mit allen zu erwartenden Konsequenzen beobachtet werden. Auf der Basis von Funkwellen-Ausbreitungsmessungen werden in Collm (51.3°N, 13°E) Windmessungen im Höhenbereich der Mesopause und unteren Thermosphäre (80-105 km) durchgeführt, die in der Regel - bedingt durch die Besonderheiten der ionosphärischen Wellenausbreitung des verwendeten Frequenzbereiches - nur in den Nachtstunden möglich sind. Während der Hauptphase des Finsterniseffektes wurden Messungen auch am Tag möglich. Die Ergebnisse fügen sich gut in das aus den mittleren monatlichen Nachtwerten für die Tagstunden extrapolierte Niveau ein. Die Reaktion der Ionosphäre auf die Sonnenfinsternis erfolgte mit geringer Verzögerung: der maximale Effekt war 5-10 Minuten nach der größten Abdeckung der Sonnenscheibe zu verzeichnen. / During the solar eclipse on 11 August 1999 a short-term decrease of ionisation in the D-region ( 60- 90 km altitude) at the lower boundary of the ionosphere appeared. Using ground-based measurements of radio-wave propagation through the D-region the event could be monitored as a simulated day-night-transition with the expected consequences for the ionosphere. At Collm (51.3°N, 13°E), mesopause region (80-105 km) windmeasurements are carried out based on radio wave propagation, which are not possible in summer during daylight hours due to radio-wave absorption. During the eclipse measurements became possible for a short period. Tue results fit well to mean monthly daytime data extrapolated from nighttime measurements. The reaction of the ionosphere on the solar eclipse was fast; the maximum effect was registered only 5-10 minutes after the maximum eclipse of the solar disk.
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Interannual variability of the quasi two-day wave over Central Europe (52°N, 15°E)

Jacobi, Christoph, Kürschner, Dierk 04 April 2017 (has links) (PDF)
Using the spaced receiver method in the low-frequency (LF) range, lower E-region ionospheric drifts are measured at Collm Observatory, Germany since several decades. These drifts are interpreted as upper mesospheric winds at the reflection height of the used amplitude modulated LF radio waves, the latter being measured since 1983 using travel time differences between the ground wave and the ionospherically reflected sky wave within a small sideband range near 1.8 kHz above and below the carrier frequency. One regular feature of midlatitude upper mesosphere winds is the quasi twoday wave (QTDW), known as a wavenumber 3 or 4 wave in the middle atmosphere, usually occurring as one or more bursts during the summer season at midlatitudes. The OTDW bursts, as measured in LF winds, shows substantial decadal and interannual variability. Comparison with the background winds show that the onset of QDTW bursts is found near maximum values of the vertical wind shear, and maximum QTDW amplitudes are measured, on average, about one week after the maximum wind shear. This supports the theory that the QTDW is forced by instability of the summer mesospheric wind jet. / Am Observatorium Collm werden seit mehreren Jahrzehnten Langwellenwindmessungen in der unteren ionosphärischen E-Schicht durchgeführt. Die zugehörige Reflexionshöhe wird, auf der Basis von Laufzeitdifferenzmessungen zwischen der Raum- und Bodenwelle, seit 1983 ebenfalls registriert. Eines der regelmäßig beobachteten Phänomene ist die quasi 2-Tage-Welle, die als eine planetare Welle der Wellenzahl 3 oder 4 bekannt ist. Diese Welle erscheint in mittleren Breiten in einem oder mehreren Schüben im Sommer. Nach den Messungen am Collm besitzt die Welle eine deutliche Variabilität von Jahr zu Jahr. Vergleiche mit dem zonalen Grundwind zeigen, dass das Auftreten von Maxima der 2-Tage-Welle in vielen Fällen mit erhöhter vertikaler Windscherung in Verbindung steht, so dass im langzeitlichen Mittel maximale Wellenamplituden einige Tage nach dem Auftreten maximaler Windscherung zu finden sind. Dies unterstützt die These, dass die quasi 2-Tage-Welle durch barokline Instabilität des sommerlichen Mesosphärenjets angeregt wird.
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Response of the ionospheric total electron content to stratospheric normal modes

Hoffmann, Peter, Jacobi, Christoph 04 April 2017 (has links) (PDF)
Globale Karten des totalen Elektronengehaltes (TEC) der Ionosphäre werden nach Signalen planetarer Wellenaktivität aus der Stratosphäre im Bereich der mittleren Breiten (ca. 52.5° N) untersucht, um eine Abschätzung über die vertikale Kopplung durch planetare Wellen (PW) zu erhalten. Die Variabilität der Ionosphäre wird operationell durch das DLR Neustrelitz erfasst. Seit 2002 werden zu diesem Zwecke hemisphärische TEC Karten erstellt, die eine Analyse PW typischer Oszillationen in der Ionosphäre ermöglichen. Die verwendete Methode zur Analyse separiert Wellen nach ihrer zonalen Wellenzahl, Periode und Ausbreitungsrichtung. In einer vorherigen Fallstudie vom Herbst 2004 wurde u.a. die quasi 6-Tage Welle (m2w) im mittleren Spektrum für das Geopotential in 1hPa (Stratosphäre) als auch den ionosphärischen TEC beobachtet. Die aktuellen Resultate geben Hinweise für ein gleichzeitiges Auftreten dieserWelle mit einer quasi 6-Tage Oszillation in der Mesopausenregion. Jedoch im Vergleich zur Stratosphäre scheinen die Signaturen verschoben und etwas modifiziert. / The response of stratospheric planetary wave (PW) activity over the higher middle latitudes (ca. 52.5° N) in global gridded ionospheric data of the total electron content (TEC) are investigated to estimate the vertical coupling by PW. The monitoring of ionospheric variability is regularly operated by DLR Neustrelitz since 2002 producing TEC maps covering the northern hemisphere. This data base is considered for comparing simultaneous observations of wave activity in both stratosphere and ionosphere. The analysis technique of planetary wave type oscillations (PWTO) is carried out by separating waves into their zonal wavenumber, period and travelling direction. A previous case study of autumn 2004 has shown that among other things the quasi 6-day wave (m2w) is visible in the mean spectrum of stratospheric geopotential height at 1 hPa pressure level and of ionospheric TEC data. The actual results give hints for a simultaneous occurrence of this wave type with a quasi 6-day oscillation in the mesopause region. But in comparison to the stratosphere, the wave signatures seem to be somewhat schifted and modified.
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Solar activity and ionospheric response as seen from combined SolACES and SDO-EVE solar EUV spectra

Jacobi, Christoph, Nikutowski, B., Hein, J., Unglaub, C., Erhardt, Ch., Brunner, R., Schmidtke, G. 10 October 2017 (has links)
Ionospheric response to solar EUV variability during late 2012 through mid 2013 is shown by the EUV-TEC proxy based on combined SolACES and SDO/EVE solar spectra. The results are compared with global TEC analyses. We found that EUV-TEC describes TEC variability better than the conventional F107 index, especially during periods of strong solar flare activity.
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Comparison of electron density profiles in the ionosphere from ionospheric assimilations of GPS, CHAMP profiling and ionosondes over Europe

Stolle, Claudia, Jacobi, Christoph, Jakowski, Norbert, Schlüter, Stefan, Raabe, Armin 31 January 2017 (has links) (PDF)
GPS integrated Total Electron Content measurements received at the ground or in space are used for tomographic reconstruction of the ionospheric electron density distribution. The IRI/GCPM model is used as initialisation of the tomographic MART algorithm. During the procedure GPS TEC data are iteratively assimilated to the model. To test the potential of the reconstruction, electron density profiles from IRI/GCPM and the assimilation are compared with ionosonde measurements and CHAMP radio occultation profiles for dates during the HIRAC campaign in April 2001. All profiling methods show electron density values of similar magnitude. It is shown that including TEC GPS data corrects the model towards the ionosonde measurements. / Integrale Messungen der Elektronendichte aus GPS-Boden- sowie Radio-Okkultations-Messungen bilden die Datenbasis der hier vorgestellten 3-dimensionalen Tomographie der ionosphärischen Elektronendichteverteilung. Zur Initialisierung des verwendeten iterativen MART Algorithmus wird das IRI/GCPM Modell verwendet, wobei das Modell während der Iteration sukzessiv an die Messdaten angepasst wird. Um das Potential des Verfahrens abzuschätzen, werden Elektronendichteprofile des IRI/GCPM Modells und der Rekonstruktion mit Ionosondenmessungen und CHAMP Okkultationsprofilen verglichen. Dafür wurden Messungen während der HIRAC Kampagne im April 2001 genutzt. Alle hier gezeigten Profilableitungen geben Elektronendichtewerte der selben Größe wieder. Eine Annäherung des IRI/GCPM Modells an die Messwerte der Ionosonde durch die Assimilation der TEC GPS Daten wird gezeigt.
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Ionospheric tomography and first interpretations of including space-based GPS

Stolle, Claudia, Schlüter, Stefan, Jacobi, Christoph, Jakowski, Norbert 04 January 2017 (has links) (PDF)
When L-band radio waves of space-based radio navigation systems such as Global Positioning System (GPS) travel through the atmosphere and ionosphere, their ray paths are bent and their travel time are increased as a result of refractive-index gradients. As the ionosphere is a dispersive medium the two GPS frequencies are subject to different delays in time and modifications in amplitude, phase and polarisation which is an effect of free electrons. By using these two radio frequencies one can derive information about the Total Electron Content integrated along the ray path. After calibration, these data are included into the tomographic reconstruction. The tomographic methode presented in this paper works on algebraic iterative methodes like SART and MART. Calculations are based on International GPS Service (IGS) ground received data. Space-based GPS is provided by LEO (Low Earth Orbiter) satellites like CHAMP. By means of incorporating such occultation data into tomography an improvement of reconstruction of the vertical structure of the electron density is expected. First confirming interpretations of a selected occulation event are presented in this paper. It is shown, that space-based GPS data can improve tomographic results mainly in middle to lower altitudes of the ionosphere. / Wenn sich Radiowellen eines Navigationssystemes, wie das des Global Positioning Systems (GPS), in der Atmosphäre und Ionosphäre ausbreiten, erfahren sie eine Beugung des Strahlweges und eine Erhöhung der Laufzeit aufgrund der Gradienten des atmosphärischen Refraktionsindexes. Da die Ionosphäre ein dispersives Medium darstellt, unterliegen beide GPS-Frequenzen dort unterschiedlichen Störungen in Laufzeit und Veränderungen in Amplitude, Phase und Polarisation, was auf die Effekt der freien Elektronen zurückzuführen ist. Unter der Verwendung der beiden Radiofrequenzen kann man Informationen über die Anzahl der über den Strahlweg integrierten Elektronen erhalten. Nach der Kalibrierung dieser Daten, können sie zur tomographischen Rekonstruktion verwendet werden. Die hier vorgestellte Tomographie verwendet algebraisch iterative Methoden, wie SART und MART. Die tomographischen Berechnungen bauen auf bodengestützte GPS-Daten des International GPS Services (IGS) und satellitengestützten GPS-Daten von LEO (Low earth orbiter) Satelliten wie CHAMP auf. Durch die Intergration von Okkultationsdaten in die Tomographie wird eine Verbesserung der Rekonstruktion der vertikalen Struktur der Elektronendichte erwartet. Erste bestätigende Interpretationen eines ausgewählten Okkultationsereignisses werden in diesem Artikel vorgeführt. Es wird gezeigt, dass satellitengestützte GPS-Daten die tomographischen Ergebnisse vorallem in der mittleren und unteren Ionosphäre verbessern können.
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Delayed response of the global total electron content to solar EUV variations

Jacobi, Christoph, Jakowski, Norbert, Schmidtke, Gerhard, Woods, Thomas N. 24 October 2016 (has links) (PDF)
The ionospheric response to solar extreme ultraviolet (EUV) variability during 2011–2014 is shown by simple proxies based on Solar Dynamics Observatory/Extreme Ultraviolet Variability Experiment solar EUV spectra. The daily proxies are compared with global mean total electron content (TEC) computed from global TEC maps derived from Global Navigation Satellite System dual frequency measurements. They describe about 74% of the intra-seasonal TEC variability. At time scales of the solar rotation up to about 40 days there is a time lag between EUV and TEC variability of about one day, with a tendency to increase for longer time scales.

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