Signature of Planetary Waves in the Thermosphere/Ionosphere System
Final Report Abstract
Aus der klimatologischen Betrachtung stratosphärischer planetarer Wellen (PW) und ionosphärischer Oszillationen in der Art planetarer Wellen (planetary wave-type oscillations, PWTO) in mittleren Breiten sowie der Untersuchung von Gemeinsamkeiten in ihrem zeitlichen Verhalten von 2002-2008 ergab sich kein eindeutiges Bild bezüglich möglicher Zusammenhänge. Neben einem sich ähnelnden saisonalen Verhalten zeigten spektral aufgelöste Analysen lediglich einzelne Übereinstimmungen im Winter, die allerdings von Jahr zu Jahr variieren bzw. möglicherweise vom solaren Zyklus abhängen. Anhand von Fallstudien können jedoch Indizien für eine Kopplung gefunden werden. So zeigt die westwärts wandernde 16-Tage Welle mit Wellenzahl 1 für nahezu alle Winter (November-Dezember) ein weitgehend übereinstimmendes Bild. Kurze ostwärts wandernde Wellen (<10d) dagegen korrespondieren vor allem im ersten Teil der verfügbaren Zeitreihe (2002-2005). In der zweiten Hälfte bis 2008 verschwinden diese Oszillationen in der Ionosphäre. In diesem Projekt wurde eine mögliche Verbindung zwischen PW und PWTO untersucht. Hypothese war, dass PW atmosphärische Schwerewellen (AGW) modulieren, dieses in wandernden ionosphärischen Störungen (TIDs) sichtbar wird, die wiederum PW und letztlich PWTO in der Ionosphäre anregen. Dazu wurden AGW aus SABER-Temperaturprofilen analysiert und TIDs aus GPS-Messungen des Gesamtelektronengehalts bestimmt. Zur Abschätzung des vorgeschlagenen Mechanismus wurden Approximationen für PW-Aktivität (die zeitliche Standardabweichung) verwendet. Die Ergebnisse zeigen, wenn auch ohne spektrale Auflösung, dass AGW-Signaturen PW in der unteren Thermosphäre abbilden können und ähnliche Modulationen nahezu zeitgleich in den ionosphärischen TID-Amplituden beobachtet werden. Weiterhin stellt sich heraus, dass während einer starken Stratosphärenerwärmung (Winter 2003/04) sich weder PW noch AGW vertikal ausbreiten können. Dies führt zu einem Minimum der Wellenaktivität, welches sich deutlich in den modulierten TID Amplituden der Ionosphäre abzeichnet. Im Winter 2004/05 offenbart sich ein nahezu durchgängiges Bild einer möglichen Übertragungskette (stratosphärische/mesosphärische PW – mesosphärische AGW – ionosphärische TID – ionosphärische PWTO) von der Stratosphäre bis in die Ionosphäre. Die Untersuchungen zeigen, dass eine Übertragung des Signals stratosphärischer PW in die Ionosphäre möglich ist. Letztlich fehlt zur Vervollständigung des Bildes noch eine entsprechende Analyse thermosphärischer planetarer Wellen und insbesondere Schwerewellen, was sich aufgrund der Datenlage als sehr problematisch erweist. Ein Zugang zu dynamischen Parametern könnte sich durch Akzelerometermessungen an Bord von Kleinsatelliten ergeben, wenn diese in größerer Anzahl und möglichst koordiniert, geflogen werden.
Publications
- A comparison of trends and variability in the stratosphere and ionosphere related to planetary waves, CAWSES DFG SPP Meeting 2008, Berlin, 10 – 11 September 2008
Borries, C., Jakowski, N., Jacobi, Ch. und Hoffmann, P.
- Extreme ionospheric conditions over Europe observed during the last solar cycle, 4th ESA Workshop on Satellite Navigation User Equipment Technologies (NAVITEC), ESTEC, Noordwijk, The Netherlands, 10-12 December 2008
Mayer, C., Jakowski, N., Borries, C., Pannowitsch, T. und Belabbas, B.
- Ionospheric Mid and Large Scale Perturbation Characteristics, Ionospheric topical group splinter session, 5th European Space Weather Week, Brüssel, 17-21 November 2008
Jakowski, N., Mayer, C. und Borries, C.
- Large Scale TIDs Observed in GPS Derived Differential TEC, ISEA 12, Crete, 18-24th May 2008
Borries, C., Jakowski, N. und Wilken, V.
- Planetary Wave Type Oscillations seen in ionospheric Total Electron Content, Contribution to EGU Wien, 13-18th April 2008
Borries, C., Jakowski, N., Jacobi, Ch., Hoffmann, P. und Pogoreltsev, A.
- The Application of Wavelet Analysis for the Detection of Planetary Wave Type Oscillations in Ionospheric Total Electron Content, ECMI London 2008, London, 30th June- 4th July 2008
Borries, C.
- Ionospheric Perturbation Characteristics and their Potential Impact on GNSS Applications, IEEE Proceedings for EUCAP, 2009
Jakowski, N., Mayer, C., Borries, C., Wilken, V. und Dubay, S.
- Ionospheric Perturbation Characteristics and Their Potential Impact on GNSS, EUCAP2009, 3rd European Conference on Antennas and Propagation, 23-27 March 2009, Berlin, Germany
Jakowski, N., Mayer, C., Borries, C., Wilken, V., Dubey, S. und Pannowitsch, T.
- Large and mid-scale ionospheric perturbation characteristics deduced from GNSS measurements, Proceedings for IRST 2009
Jakowski, N., Mayer, C., Borries, C. und Pannowitsch, T.
- Large and mid-scale ionospheric perturbation characteristics deduced from GNSS measurements, The 11th International Conference on Ionospheric Radio Systems and Techniques (IRST 2009), 28 April - 1 May 2009, Edinburgh Conference Centre, Heriot-Watt University, Scotland, UK
Jakowski, N., Mayer, C. Borries, C. und Pannowitsch, T.
- Observation of Large Scale Waves in the Thermosphere-ionosphere System , ESA’s 2nd SWARM International Science Meeting, 24-26th June 2009, Potsdam
Borries, C., Jakowski, N. und Jacobi, Ch.
- Observation of Large Scale Waves in the Thermosphere-ionosphere System, Proceedings for ESA’s 2nd SWARM International Science Meeting, 2009
Borries, C., Jakowski, N. und Jacobi, Ch.
- Planetary wave type oscillations in the ionosphere: Distinguishing solar forcing and coupling from below, IAGA 2009, Sopron, Hungary, 23-30. Aug. 2009
Borries, C., Jakowski, N., Jacobi, Ch. und Hoffmann, P.
- Storm induced large scale TIDs observed in GPS derived TEC, Annales Geophysicae, 2009, 27, 1605-1612
Borries, C.; Jakowski, N. und Wilken, V.
- Study on the occurrence of planetary waves in the atmosphere-ionosphere system based on ionospheric total electron content data, 19.- 24. Apr. 2009, EGU, Wien
Borries, C. und Jakowski, N.
- Using Python language for analysing measurements from SABER instrument on TIMED satellite. Wiss. Mitt. Inst. f. Meteorol. Univ. Leipzig, 45, 139-151, 2009
Hoffmann, P., Ch. Jacobi, and S. Gimeno-Garcia
