Historically, studying the Martian ionosphere has been difficult due to the lack of dedicated instruments for electron density measurements in the orbit of Mars. However, since 2005, radio occultation measurements have been supplemented by Mars Express MARSIS remote sounder data and, more recently, by data from the MAVEN LPW Langmuir probe since 2014. The ionosphere of Mars is an interesting system, because Mars as one of the two solar system planetary bodies without an intrinsic magnetic field has highly localised crustal magnetic fields. The Chapman model describes the main layer of the ionosphere surprisingly well. Nevertheless, the crustal magnetic fields and other parameters potentially influence the ionosphere formation and topology. Combining the recent vast electron density data set, the Mars Global Surveyor crustal magnetic field map, and F10.7 solar radio flux measurements carried out at the Earth, a detailed study of the influence of these parameters can be conducted. To study the influence of these parameters as well as solar zenith angle on electron densities in the Martian ionosphere, we study magnitude of deviations from the established Chapman model. Furthermore, we use the Kolmogorov's 5/3 power law to investigate a possible dependence of its parameters characterising power and dissipation...

Title: Ionospheric drift measurements Author: Daniel Kouba Department: Department of Surface and Plasma Science Supervisor: RNDr. Petra Koucká Knížová, Ph.D. Institute of Atmospheric Physics, Academy of Sciences of the Czech Republic Abstract: This thesis deals with ionospheric drift measurements using Digisonde DPS-4. The results are divided into theoretical and practical part. It is shown that for drift data processing it is necessary to choose correct reflection points corresponding to drift movements first. The selection is made in three steps: restriction of Doppler frequency shift, height range selection, choice of the maximum zenith angle. After- wards it is possible to credibly estimate the vector of drift velocity. The experimental results of drift measurements are based on data from the Pru- honice station. To study the common behavior of ionospheric drifts during quiet conditions, the statistical characteristics of drift velocity components are investiga- ted in layers E and F during geomagnetic quiet year 2006. The maximal daily amplitude of horizontal velocity demonstrates the influence of geomagnetic activity. It is proved to be considerable in the F layer meanwhile it was not observed in the E layer. The effect of strong geomagnetic disturbances is shown at two examples of extreme storms. The...

The thermosphere-ionosphere regions are mainly controlled by the solar, but also by geomagnetic activity. In this case study, the Earth’s ionospheric response to the 25-26 August 2018 intense geomagnetic storm is investigated using the International GNSS System (IGS) Total Electron Content (TEC) observations. During this major storm, the minimum disturbance storm time (Dst) index reached -174 nT. We use observations and model simulations to analyse the ionospheric response during the initial phase and the main phase of the magnetic storm. A significant difference between storm day and quiet day TEC is observed. The O/N2 ratio observed from the GUVI instrument onboard the TIMED satellite is used to analyse the storm effect. The result shows a clear depletion of the O/N2 ratio in the high latitude region, and an enhancement in the low latitude region during the main phase of the storm. Furthermore, the Coupled Thermosphere Ionosphere Plasmasphere electrodynamics (CTIPe) model simulations were used. The results suggest that the CTIPe model can capture the ionospheric variations during storms. / Die Regionen der Ionosphären und Thermosphäre werden hauptsächlich von der Sonne sowie auch von geomagnetische Aktivität beeinflusst. In dieser Fallstudie wurde die ionosphärische Reaktion der Erde auf den starken geomagnetischen Sturm vom 25./26. August 2018 unter Verwendung der Gesamtelektronengehaltsdaten (Total Electron Content, TEC) vom Internationalen GNSS Service untersucht. Während dieses großen Sturms wurde ein ”Disturbance Storm Time Index” Dst von -174 nT erreicht. Beobachtungen und Modellsimulationen wurden verwendet, um die ionosphärische Reaktion während der Anfangsphase und der Hauptphase des magnetischen Sturms zu untersuchen. Ein signifikanter Unterschied zwischen TEC während eines Sturmtages und eines ruhigen Tages wurde beobachtet. Das vom GUVI-Instrument an Bord des TIMED-Satelliten beobachtete O/N2 -Verhältnis wurde verwendet, um den Sturmeffekt weiter zu untersuchen. Das Ergebnis zeigt eine deutliche Abnahme/Zunahme des O/N2 Verhältnis in hohen/niedrigen Breiten während der Hauptphase des Sturms. Darüber hinaus wurde das Coupled Thermosphere Ionosphere Plasmasphere ectrodynamics (CTIPe) Modell verwendet. Die Ergebnisse legen nahe, dass das CTIPe-Modell die ionosphärischen Schwankungen während eines Sturms erfassen kann.

The thermosphere-ionosphere regions are mainly controlled by the solar, but also by geomagnetic activity. In this case study, the Earth’s ionospheric response to the 25-26 August 2018 intense geomagnetic storm is investigated using the International GNSS System (IGS) Total Electron Content (TEC) observations. During this major storm, the minimum disturbance storm time (Dst) index reached -174 nT. We use observations and model simulations to analyse the ionospheric response during the initial phase and the main phase of the magnetic storm. A significant difference between storm day and quiet day TEC is observed. The O/N2 ratio observed from the GUVI instrument onboard the TIMED satellite is used to analyse the storm effect. The result shows a clear depletion of the O/N2 ratio in the high latitude region, and an enhancement in the low latitude region during the main phase of the storm. Furthermore, the Coupled Thermosphere Ionosphere Plasmasphere electrodynamics (CTIPe) model simulations were used. The results suggest that the CTIPe model can capture the ionospheric variations during storms. / Die Regionen der Ionosphären und Thermosphäre werden hauptsächlich von der Sonne sowie auch von geomagnetische Aktivität beeinflusst. In dieser Fallstudie wurde die ionosphärische Reaktion der Erde auf den starken geomagnetischen Sturm vom 25./26. August 2018 unter Verwendung der Gesamtelektronengehaltsdaten (Total Electron Content, TEC) vom Internationalen GNSS Service untersucht. Während dieses großen Sturms wurde ein ”Disturbance Storm Time Index” Dst von -174 nT erreicht. Beobachtungen und Modellsimulationen wurden verwendet, um die ionosphärische Reaktion während der Anfangsphase und der Hauptphase des magnetischen Sturms zu untersuchen. Ein signifikanter Unterschied zwischen TEC während eines Sturmtages und eines ruhigen Tages wurde beobachtet. Das vom GUVI-Instrument an Bord des TIMED-Satelliten beobachtete O/N2 -Verhältnis wurde verwendet, um den Sturmeffekt weiter zu untersuchen. Das Ergebnis zeigt eine deutliche Abnahme/Zunahme des O/N2 Verhältnis in hohen/niedrigen Breiten während der Hauptphase des Sturms. Darüber hinaus wurde das Coupled Thermosphere Ionosphere Plasmasphere ectrodynamics (CTIPe) Modell verwendet. Die Ergebnisse legen nahe, dass das CTIPe-Modell die ionosphärischen Schwankungen während eines Sturms erfassen kann.

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.

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.

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.

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.

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.

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.