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Studies of equatorial ionospheric F-region irregularities and global sporadic E- layers using ground-based and space-based GPS measurements

Kepkar, Ankur Nauso

Over the last few decades, GNSS-based observations have become a game changer for remote sensing of the Earth. However, the accuracy of these systems is sometimes compromised due to propagation errors, and one of the major contributors to the uncertainties are irregularities in the ionosphere. In this study, prominent ionospheric irregularities that manifest as scintillations on the radio signals during the night time are scrutinized. These ionospheric scintillations are known as Equatorial Plasma Bubbles (EPBs) and they mostly occur along the geomagnetic equator. A global as well as regional study is conducted using space-based GPS radio occultation (GPS-RO) observations from the FormoSat-3/COSMIC mission. Approximately 5 million profiles collected during 2007-2017 are analyzed using amplitude scintillation (S4) index computed from the 1 Hz ionospheric phase measurements. Furthermore, these plasma bubbles are investigated not only on spatio-temporal scale but also in altitudinal resolution from the unique GPS-RO datasets. The findings of this study are further validated against ionosonde measurements and groundbased GPS measurements. Since, only a few of GPS stations are located along the geomagnetic equator, this study was supported by only around 15 stations. In general, an inclusive validation study showed that plasma bubbles observed from GPS-RO and ground-based measurements showed a high level of coherency between them for different regions across the years. From the long term perspective on the plasma bubble occurrence, an attempt has been made to understand the genesis behind the occurrence as well as its altitudinal characteristics. Since, the polarization electric field is an important parameter for causing the seed perturbations at the bottom F-region of the ionosphere, plasma drift measurements from the International Reference Ionosphere (IRI) model are used and correlations are established for plasma bubble occurrence and height from the GPSRO measurements. Based on the results, it is observed that the evening plasma drifts are very influential for the plasma bubble occurrence. However, evening plasma drifts showed only positive correlations during solar maximum years, while, weak and negative correlations were observed during the solar minimum years when they were compared with mean plasma bubble height. Moreover, the intriguing behavior of mean bubble heights during solar minimum was examined using thermospheric gravity wave activity retrieved from long time series of TIMED/SABER satellite measurements.
GNSS-basierte Beobachtungen stellen heutzutage einenWendepunkt in der Fernerkundung der Erde dar und haben sich als wichtiger Bestandteil dessen etabliert. Die Genauigkeit dieser Systeme wird jedoch manchmal aufgrund von Ausbreitungsfehlern beeinträchtigt, wobei Unregelmäßigkeiten in der Ionosphäre den größten Störfaktor darstellen. In dieser Arbeit werden ausgeprägte ionosphärische Unregelmäßigkeiten untersucht, die sich während der Nachtzeit als Szintillationen auf den GNSS Signalen zeigen. Diese ionosphärischen Störungen sind als äquatoriale Plasmablasen (EPBs) bekannt und treten hauptsächlich entlang des geomagnetischen Äquators auf. Weltraumgestützte GPS-Radiookkultationsbeobachtungen (GPS-RO) von der FormoSat- 3/COSMIC- Mission bilden in dieser Arbeit die Basis für eine globale sowie kleinere regionale Untersuchungen der Plasmablasen. Etwa 5 Millionen Profile, die zwischen 2007 und 2017 gesammelt wurden, werden mithilfe des Amplitudenszintillationsindex (S4) analysiert, der aus den 1-Hz-Daten der ionosphärischen Phase berechnet wird. Darüber hinaus können die Plasmablasen nicht nur auf einer räumlich- zeitlichen Skala untersucht werden. Zusätzlich ermöglicht der einzigartige GPSRO- Datensatz auch die Höhenabhängigkeit der Störungen zu untersuchen. Die Daten werden durch Ionosondenmessungen sowie bodengestützte GPS-Messungen validiert. Da sich entlang des geomagnetischen Äquators nur sehr wenige GPS-Stationen befinden, wurde die Validierung nur von etwa 15 Stationen unterstützt. Im Allgemeinen zeigte eine umfassende Validierungsstudie, dass die Auftretensraten von Plasmablasen in verschiedenen Regionen und Zeiträumen, die von GPS-RO und bodengestützten Messungen beobachtet wurden, weitestgehend übereinstimmen. Ausgehend von den langjährigen Beobachtungen des Auftretens von Plasmablasen wurde versucht, den Entstehungsmechanismus zu verstehen der zum Auftreten so- wie zur gemessenen Höhenverteilung führt. Ein wichtiger Parameter für die Bildung der Ausgangsstörungen ist das elektrische Polarisationsfeld in der unteren F-Region der Ionosphäre. Folglich werden die Angaben zur Plasmadrift aus dem IRI (International Reference Ionosphere)-Modell extrahiert und mit dem Auftreten sowie der Höhe der Plasmablasen korreliert. Die Ergebnisse zeigen, dass die Plasmadrift einen großen Einfluss auf das Auftreten von Plasmablasen hat. Allerdings zeigt sich die positive Korrelation nur in den Jahren um das Maximum der Sonnenaktivität. Dagegen zeigte sich eine deutlich schwächere Korrelation zwischen den genannten Parametern in den Jahren um das Minumum der solaren Aktivität. Folglich wurde die mittlere Auftretenshöhe der EPBs mit der Schwerewellenaktivität in der Thermosphäre verglichen, die aus der langen Zeitreihe der TIMED/SABER Satellitenmessungen berechnet wurde. Diese neuartige Studie zeigte eine starke Abhängigkeit der EPB-Höhe von der Schwerewellenaktivität während solarer Minimumjahre. Außerdem wurde die thermosphärische Schwerewellenaktivität aus TIMED/SABER-Messungen mit Schwerewellenparametern basierend auf der GOCE-Mission validiert, die in der unteren F-Region der Ionosphäre flog. Der Vergleich der Schwerewellenaktivität in der unteren Thermosphäre stimmte sehr gut mit der Schwerewellenaktivität in der unteren F-Region überein. Unterhalb der F-Region der Ionosphäre liegt die E-Region. Störungen in der E-Region sind verständlicherweise, wenn nicht gleichermaßen, für die Modulation der ursprünglichen elektromagnetischen Signale verantwortlich. Eine synoptische Studie über Unregelmäßigkeiten in der E- Region, die allgemein als sporadische E (Es) bekannt sind, wurde unter Verwendung von GPS- Beobachtungen durchgeführt. Dazu wurden an einige Fälle in Europa unter Verwendung EUREF, einem umfassenden Netzwerk von GNSS-Bodenstationen betrachtet. Die Motivation hinter der Studie ist es, die Ausbreitung der Es in der europäischen Region auf einer räumlich-zeitlichen Skala zu verstehen, die mit anderen modernen Messmethoden nicht erreicht werden kann. Basierend auf dem Wissen aus GPS-RO Messungen, dass Es hauptsächlich im Sommer über Europa auftreten, wurden auch Messungen des EUREF Messungen aus dem Sommer für diese Studie genutzt. Zusätzlich werden Ionosondendaten aus Dourbes, Belgien und Pruhonice, Tschechische Republik verwendet, um das Es-Vorkommen von EUREF zu validieren und deren Ausbreitung zu überwachen.