Προκαταρκτική παρατήρηση δεδομένων GNSS από την Τουρκία που χρησιμοποιήθηκε για την εκτίμηση του συνολικού περιεχομένου ιονόσφαιρων ηλεκτρονίων

Η ιονόσφαιρα είναι ένα σημαντικό ατμοσφαιρικό στρώμα, βρίσκεται μεταξύ 100 και 1000 km πάνω από τη Γη, είναι η μεγαλύτερη πηγή σφαλμάτων για τον εντοπισμό θέσης του παγκόσμιου δορυφορικού συστήματος πλοήγησης υψηλής ακρίβειας (GNSS). Αυτό το σφάλμα μετριέται ως προς τη συνολική περιεκτικότητα ηλεκτρονίων (TEC) και η μονάδα του είναι γνωστή ως μονάδα TEC (TECU).

Για να αντιμετωπίσουν τέτοιου είδους προβλήματα, διάφορες ερευνητικές ομάδες έχουν επιχειρήσει πολλά μοντέλα πρόβλεψης, όπως η μέθοδος kriging, η μέθοδος αυτοπαλίνδρομου κινητού μέσου όρου (ARMA), η μέθοδος Holt-Winters και οι εμπειρικές ορθογώνιες συναρτήσεις κ.λπ. Με τις συνδυασμένες προσπάθειες δεδομένων από διαφορετικά μέρη του πλανήτη , λίγα περισσότερα αντιπροσωπευτικά παγκόσμια αριθμητικά μοντέλα έχουν διατεθεί όπως το NeQuick, το πρότυπο μοντέλο ιονόσφαιρας πλάσματος (SPIM), η διεθνής ιονόσφαιρα αναφοράς (IRI) και ο παγκόσμιος χάρτης ιονόσφαιρας (GIM) κ.λπ.

Η παρούσα μελέτη εξετάζει τις παραλλαγές του TEC στην Τουρκία από το διαθέσιμο δίκτυο 143 μόνιμων σταθμών GNSS κατά τα έτη 2009 και 2017. Το αντίστοιχο κάθετο TEC (VTEC) προβλέφθηκε από kriging, ARMA, IRI-2012, IRI-2016, SPIM, GIM και NeQuick -2 μοντέλα ελέγχονται για την κατανόηση της αποτελεσματικότητάς τους σε όλη τη χώρα. Οι χωρικές, ημερήσιες και εποχιακές δραστηριότητες των παραλλαγών VTEC μοντελοποιούνται με τη βοήθεια του συνηθισμένου εκτιμητή ελαχίστου τετραγώνου (OLSE) χρησιμοποιώντας μακροπρόθεσμα δεδομένα VTEC 9 ετών.

Τα χωρικά μοντελοποιημένα αποτελέσματα στο γεωγραφικό πλάτος υποδεικνύουν μια αντίστροφη σχέση (μείωση του VTEC με αυξανόμενο γεωγραφικό πλάτος) του VTEC καθ' όλη τη διάρκεια του έτους σε ολόκληρη τη χώρα, ενώ στο γεωγραφικό μήκος ακολουθεί το ίδιο μοτίβο μόνο κατά την ισημερία του Μαρτίου και το ηλιοστάσιο του Ιουνίου. Η μελέτη επιβεβαιώνει το εύρος γεωγραφικής κλίσης VTEC 0,1-0,2 TECU/βαθμό κατά τη διάρκεια της ημέρας. Η ημερήσια συμπεριφορά της διακύμανσης του VTEC για τα δεδομένα που παρατηρούνται καθώς και για τα μοντελοποιημένα δεδομένα απεικονίζει ότι αυξάνεται αργά κατά τη διάρκεια της αυγής και φτάνει σε ένα σημείο αιχμής μεταξύ ~09.00 και ~12.00 UT.

Μετά από αυτό, το VTEC αρχίζει να μειώνεται σταδιακά και φτάνει στην ελάχιστη τιμή του σε ~21,00 UT. Τα μηνιαία αποτελέσματα της παραλλαγής VTEC υποδεικνύουν τη χαμηλότερη τιμή τον Σεπτέμβριο, ενώ δείχνει τη μέγιστη τιμή τους μήνες Μάρτιο. Το μηνιαίο εύρος της σχετικής απόκλισης της διακύμανσης του VTEC σημειώνεται από -1 έως 4 μονάδες για όλους τους σταθμούς που επιβεβαιώνουν τη μέγιστη διαφορά 5 μεταξύ αρνητικής και θετικής μεταβλητότητας. Η μετρηθείσα μέση ένταση VTEC είναι σε φθίνουσα σειρά κατά τους μήνες Φεβρουάριο, Απρίλιο, Ιούνιο και Σεπτέμβριο ενώ σε αύξουσα σειρά κατά τους μήνες Μάρτιο, Μάιο, Αύγουστο και Νοέμβριο. Η εποχιακή διακύμανση VTEC δείχνει μια αύξηση του VTEC κατά την ισημερία Μαρτίου ακολουθούμενη από την ισημερία του Σεπτεμβρίου, ενώ το ηλιοστάσιο του Δεκεμβρίου έχει υψηλότερες τιμές VTEC σε σύγκριση με το ηλιοστάσιο του Ιουνίου. Το συνολικό μοτίβο της διακύμανσης του VTEC ενισχύεται σε όλους τους σταθμούς στο τέλος των ετών σε αντίθεση με τα μέσα του έτους λόγω της υψηλής ηλιακής δραστηριότητας.

Η συγκριτική ανάλυση μεταξύ των GNSS-VTEC, Kriging, NeQuick και του προτεινόμενου μαθηματικού μοντέλου αξιολογείται με τη βοήθεια one way ANOVA test. Η ανάλυση δείχνει ότι η μηδενική υπόθεση των μοντέλων κατά τη διάρκεια των ημερών καταιγίδας και ηρεμίας είναι αποδεκτή και υποδηλώνει ότι όλα τα μοντέλα είναι στατιστικά σημαντικά ισοδύναμα μεταξύ τους. Η συγκριτική ανάλυση εμφανίζει τα σφάλματα πρόβλεψης από OLSE, ARMA και IRI-2016 που κυμαίνονται από 0,23 έως 1,17 %, 2,40 έως 4,03 % και 24,82 έως 25,79 % αντίστοιχα.

Επιπλέον, η εποχική διακύμανση VTEC συνδέεται καλά με τα μοντέλα προβλεπόμενων αποτελεσμάτων της OLSE καθώς και με τα προβλεπόμενα μοντέλα ARMA, αλλά η πρόβλεψη IRI υποτιμά επανειλημμένα την τιμή VTEC σε κάθε τοποθεσία. Ως εκ τούτου, τα προβλεπόμενα αποτελέσματα από τα μοντέλα OLSE και ARMA ισχυρίζονται για περαιτέρω βελτιώσεις στο μοντέλο IRI σε σχέση με την τουρκική περιοχή. Η ανάλυση VTEC διακύμανσης κατά τη διάρκεια της περιόδου ισχυρής γεωμαγνητικής καταιγίδας (07-11 Σεπτεμβρίου 2015, SYM-H -120 nT) μελετήθηκε επίσης χρησιμοποιώντας μοντέλα SPIM και GIM που προβλέπουν το σχετικά καλύτερο αποτέλεσμα σε σύγκριση με το μοντέλο IRI-2012. Η προηγμένη ανάλυση των δεδομένων GNSS στην Τουρκία μπορεί να συμπληρώσει τη μελλοντική βελτίωση του μοντέλου NeQuick και IRI στην περιοχή χαμηλότερου μεσαίου γεωγραφικού πλάτους.

Πιστεύω τα αποτελέσματα αυτής της μελέτης θα συμπλήρωναν την καλύτερη κατανόηση της διακύμανσης του VTEC στην τουρκική περιοχή χαμηλότερου μεσαίου γεωγραφικού πλάτους και σε ανάλογα γεωγραφικά πλάτη σε όλο τον κόσμο.

Αναφορές

• Ansari K and Corumluoglu O (2016) Ιονοσφαιρική Παρατήρηση πάνω από την Τουρκία με χρήση Τουρκικού Μόνιμου Δικτύου GPS, Διεθνές Συνέδριο για τη Γεωργική, Πολιτική και Περιβαλλοντική Μηχανική (ACEE-16), Κωνσταντινούπολη, Τουρκία:32-36; doi:10.17758/URUAE. AE0416224
• Ansari K, Panda SK, Althuwaynee OF και Corumluoglu O (2017) Ionospheric TEC από το τουρκικό μόνιμο δίκτυο GNSS (TPGN) και σύγκριση με μοντέλα ARMA και IRI, Astrophysics and Space Science , 362:178, doi.org/10.1007/s10509-017-3159-z
• Ansari K, Corumluoglu O and Panda SK (2017) Ανάλυση Ionospheric TEC από παρατηρήσιμα στοιχεία GNSS στην τουρκική περιοχή και προβλεψιμότητα μοντέλων IRI και SPIM, Αστροφυσική και Διαστημική Επιστήμη, 332:625,1-24,; doi.org/10.1007/s10509-017-3043-x
• Ansari K, Panda SK and Corumluoglu O (2018) Μαθηματική μοντελοποίηση της Ionospheric TEC από παρατηρήσιμα στοιχεία του τουρκικού μόνιμου δικτύου GNSS (TPGN) κατά την περίοδο 2009-2017 και προβλεψιμότητα των μοντέλων NeQuick και Kriging, Astrophysics and Space Science (Σε Τύπο)

Αυτά τα ευρήματα περιγράφονται στο άρθρο με τίτλο Ionospheric TEC από το τουρκικό μόνιμο δίκτυο GNSS (TPGN) και σύγκριση με μοντέλα ARMA και IRI, που δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Astrophysics and Space Science. Επικεφαλής αυτής της εργασίας ήταν ο Kutubuddin Ansari από το Izmir Katip Celebi University.