DACH Meteorologentagung 2004, Karlsruhe, Germany, 7-10 September 2004
Tomographische Rekonstruktionen der Ionosphäre mit Hilfe von GPS-Signalen und magnetische Beobachtungen während der geomagnetischen Stürme vom Oktober/November 2003
C. Stolle1, S. Schlüter2, S. Heise3, Ch. Jacobi1, N. Jakowski2, S. Friedel4, D. Kürschner5, Th. Ulich6
1Institut für Meteorologie, Universität Leipzig,
Stephanstr.3, D-04103 Leipzig, Germany
2DLR Neustrelitz, Institute für Kommunikation und
Navigation, Kalkhorstweg 53, D-17235 Neustrelitz, Germany
3GeoForschungsZentrum Potsdam, Telegrafenberg, D-14473
Potsdam, Germany
4Institut für Geotechnik, ETH Zürich,
Hönggerberg, CH-8093 Zürich, Switzerland
5Institut für Geophysik und Geologie, Universität
Leipzig, Observatorium Collm, D-04779 Wermsdorf, Germany
6Sodankylä Geophysical Observatory, University of Oulu,
Tähteläntie 62, FIN-99600 Sodankylä, Finland
Zusammenfassung
In der Zeit zwischen Ende Oktober und Anfang November 2003 kam es zu mehreren intensiven Sonneneruptionen mit zur Erde gerichteten koronaren Massenemissionen. Infolge des Eindringens dieses hochenergetischen Plasmas in die Magnetosphäre der Erde wurden sehr starke Variationen des geomagnetischen Feldes registriert, die eine Periode ungewöhnlich starker magnetischer Stürme kennzeichneten. In der Ionosphäre kann dies zu Abweichungen im Gesamtelektronengehalt (TEC - Total Electron Content) des erfassten Gebietes von bis zu 50% und zu einer starken Veränderung der Elektronendichteverteilung führen.
Eine Möglichkeit der Fernerkundung des Elektronengehalts der Ionosphäre bietet die Registrierung von Laufzeit- und Phasenvariationen von GPS-Signalen. Elektromagnetische Wellen mit Frequenzen, wie sie von GPS Satelliten ausgesendet werden, wechselwirken beim Durchdringen der Ionosphäre mit freien Elektronen. Durch den Empfang der GPS-Signale am Boden oder in der Ionosphäre werden Messungen der Laufzeit- und Phasenveränderungen genutzt, um den integralen Elektronengehalt entlang des Strahles zu bestimmen. Viele simultan aufgenommene Messungen des Elektronengehaltes über einen weiten Bereich der Ionosphäre können mit einem tomographischen Verfahren zur Rekonstruktion der Elektronendichteverteilung verwendet werden.
Das hier vorgestellte Verfahren zur Abbildung 3-dimensionaler Elektronendichteverteilungen arbeitet mit einem algebraisch iterativen Algorithmus. Als Eingangsgrößen dienen TEC-Daten, die sowohl von bodengestützen GPS-Empfängern als auch von einem GPS-Empfänger auf dem CHAMP-Satelliten gemessen worden sind. Es werden Rekonstruktionsergebnisse der Elektronendichtevariationen während der Sturmperiode zwischen Ende Oktober und Anfang November 2003 präsentiert und im Zusammenhang mit magnetischen Beobachtungen interpretiert. Der starke Einfluss der geladenen Teilchen des solaren Plasmastromes auf die Ionisationsstruktur der unteren Ionosphäre mittlerer Breiten und im Höhenbereich der D- und E-Region werden durch Messungen der ionosphärischen Reflexionshöhe im Langwellenbereich am Observatorium Collm veranschaulicht. Magnetfeldregistrierungen am Observatorium geben die starken Wechselwirkungen des Plasmastromes mit dem Erdmagnetfeld wieder.