Tez No	İndirme	Tez Künye	Durumu
518847		Statistical investigation of ionospheric electron density over İstanbul during geomagnetic storms and implications for GPS communications / Geomanyetik fırtına zamanlarında İstanbul üzerindeki iyonosferik elektron yoğunluğunun istatistiksel olarak incelenmesi ve GPS haberleşmesi üzerine etkisi Yazar:BUTE NAZ ERBAŞ Danışman: PROF. DR. ZEREFŞAN KAYMAZ Yer Bilgisi: İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Uçak ve Uzay Mühendisliği Bilim Dalı Konu:Havacılık Mühendisliği = Aeronautical Engineering Dizin:	Onaylandı Yüksek Lisans İngilizce 2018 131 s.
Atmosferin iletken tabakası olan iyonosfer, atmosferdeki radyo dalgalarının yayılmasında ve böylece dünya üzerindeki uzun mesafeli iletişimde ve uzaydaki uydularda çok önemli bir rol oynar. Özellikle, GPS uydu teknolojisindeki ilerlemeler ile, iyonosferlerin elektron yoğunluğundaki değişimlerin tahminleri, bu teknolojilerin askeri ve seyir uygulamalarından, uçak trafiği kontrol sistemlerinden günlük hayatımızın en önemli parçalarından biri olan cep telefonlarınları üzerinden navigasyon kullanımına kadar uzanan, golf oyununda hedef bulmak bile dahil olmak üzere birçok alanda kritik öneme sahiptir. Ayrıca, depremler ve diğer tehlikeli doğal olaylar sırasında kaybı bulmak GPS bilgilerinin çok önemli bir diğer uygulamasıdır. İyonosferik elektron yoğunluğundaki değişimler, güneş radyasyonunun güneşteki aktivitelere bağlı olarak değişmesine ve manyetik fırtına ile manyetosferin yanı sıra atmosferin alt bölgelerindeki iyonosferik seviyelerde dalgaların yayılmasına bağlı olarak ortaya çıkmaktadır. Bu faktörlerden birisindeki varyasyonlar elektron yoğunluğunda hem zamansal hem de uzaysal varyasyonlara neden olur. Termosferdeki nötral rüzgârlar elektronları bir yerden diğerine hareket ettirerek elektron yoğunluğunda enlemsel ve boylamsal değişimlere neden olurken, güneş radyasyonu girişindeki değişimlere cevaben günlük, mevsimsel ve yıllık gibi daha periyodik değişimler ortaya çıkar. Diğer yandan, Uzay Havası teriminin altında tanımlanan güneş ve manyetosferik faaliyetler, düzensiz ve periyodik olmayan değişimlere neden olmakta ve böylece elektron yoğunluğunda beklenmedik değişimlere yol açmaktadır. İyonosferdeki elektronlar, atmosferin nötr atomlarının yaklaşık 60 km'den 1000 km'ye kadar olan yüksekliklerinde iyonlaşmasının sonucu olarak ortaya çıkar. Güneş'ten ve manyetosferden gelen enerjik parçacıklar, günlük güneş radyasyonuna ek olarak, Dünya atmosferindeki iyonizasyonun ana kaynağıdır. Güneş fotonları ile fotonların enerjisinin en güçlü olduğu öğleden sonraki vakitte iyonlaşma meydana gelir ve bu elektron yoğunluğunun zirveye ulaştığı zamandır. Mevsimsel ve yıllık değişimler iyonosfere ulaşan güneş radyasyonunun miktarının neden olduğu diğer iki tahmin edilebilir varyasyonlardır. Güneş fırtınaları sırasında, enerjik parçacıklar atmosfere girer, manyetik fırtına ve manyetosferik alt yapılara yol açar ve Ekvator bölgeleri üzerindeki yüksek enlem ve diğer fenomenler üzerinde kuzey ve güney ışıklarına (aurorae) neden olur. Parçacıkların enerjisine bağlı olarak, bunlar da iyonlaşmaya neden olur. Manyetik ve manyetosferik fırtınaların elektron yoğunluğu üzerindeki etkisi, oldukça yaygın olarak çalışılmıştır. Bu etkilere neden olan etkiler ve fiziksel mekanizmalar, enlem ile, yani, Ekvator ve yüksek enlemler, günün zamanı (evrensel zaman, UT) ve manyetik yerel zaman (MLT) ile değişmektedir. Manyetik fırtınalar ya da manyetosferik fırtınalar olmadığı zaman arka plan varyasyonları sakin gün değişimleri olarak adlandırılırken, manyetik fırtına ya da manyetosferik substorm varyasyonları aktif gün varyasyonları olarak adlandırılır. Çalışmalar, iyonosferin (TEC) toplam elektron yoğunluğu veya toplam elektron içeriği, sakin günlerde gerçekleşenden daha yüksek veya daha düşük olduğunda hem pozitif hem de negatif etkileri göstermektedir. Genel olarak, öğlene doğru olumlu etkiler görülür ve olumsuz etkiler 16:00'dan sonra görülür. Manyetosferik fırtınaların ve alt grupların etkileri hala aktif bir araştırma alanıdır ve çoğunlukla Ekvator ve yüksek enlemlerde yoğunlaşmaktadır. Orta enlemlerdeki elektron yoğunluk varyasyonları, özellikle manyetosferik aktivite sırasında yapılan çalışmalar çok sınırlıdır. Ayrıca, elde edilen sonuçların çoğu vaka çalışmalarına dayanırken, tam bir istatistiksel çalışma mevcut değildir. İyonosferik elektron yoğunluğu, yerdeki ionosonde radarları ve uzayda uydular kullanılarak ölçülür. Ionosonde radarları, iyonosfere radyo sinyali gönderen ve yansıyan sinyali kullanarak elektron yoğunluğunu ölçen yüksek frekanslı (HF) radarlardır. Bunlar, elektron yoğunluğunu ölçmek ve sabit bir yerde elektron miktarını vermek için en eski yöntemlerdir. En eski olmasına rağmen, hala dünyanın her yerinde faaliyet göstermekte ve yaygın olarak kullanılabilmektedir ve böylece iyonosferik çalışmaların küresel değişimini mümkün kılmaktadır. Elektron yoğunluğunu yerden ölçen tekniklerdir. Son zamanlarda, GPS teknolojisi ile, başka bir aktif araştırma alanı olan sinyal gecikmelerini kullanarak TEC elde etmek mümkündür. Ionosonde gözlemlerinin yokluğunda, bunlar iyonosferik elektron yoğunluğunun iyi tahminini sağlarlar. Ek olarak, elektron yoğunluğu ve TEC de dahil olmak üzere iyonosferik parametrelerin tahminlerini veren Uluslararası Referans İyonosfer (IRI) gibi birkaç iyonosferik model vardır. Son zamanlarda, iyonosfer-manyetosfer bağlantısını içeren diğer modeller TIE-GCM, CTIPe, vb. gibi mevcut hale gelmektedir. IRI, manyetosferik aktivitenin etkilerini içermezken, TIE-GCM ve CTIPe tipi birleşik modellerin gözlemlerle daha iyi anlaşmalar yapması beklenmektedir. Bu tez çalışmasında hem ionosonde hem de mevcut iyonosferik modeller, yani IRI ve TIE-GCM kullanılarak İstanbul'daki manyetosferik bozukluklar sırasında iyonosferik elektron yoğunluk değişimlerinin araştırılması ve TEC'deki varyasyonların GPS menzil ve zaman gecikmeleri üzerindeki etkilerinin belirlenmesi amaçlanmıştır. Örnek çalışmalara ek olarak, bu çalışma geomanyetik aktivite zamanlarındaki iyonosferik elektron yoğunluğunun istatistiksel araştırmasını sunmaktadır. Çalışmamızın ana motivasyonu, bölgemizde elektron yoğunluğunun orta enlem varyasyonlarının araştırılmaması gerçeğinden kaynaklanmaktadır. Yakın zamanda, Ekim 2012'de İTÜ kampüsünde bir ionosonde radarı kurduk ve o zamandan beri elektron yoğunluğu ve TEC verilerini sağlıyoruz. Bu çalışmadaki amaçlarımızdan biri de ionosonde gözlemleri ile, manyetik aktiviteler sırasında İstanbul üzerindeki iyonosfer değişkenliğini anlamak ve daha sonra sakin günlerde görülen değişimler arasındaki farkları saptamaktır. Değişimlerin şiddeti ve zamanı, bir bölge üzerindeki elektron yoğunluğunun tahminleri için önemlidir. Modellerin gözlemlerden en fazla ne zaman ayrıldığını belirlemek ve böylece uyumsuzlukları azaltmak için modellerde geliştirilmesi gereken noktaları ortaya çıkarmak için, iyonosferik modellerin sonuçlarıyla karşılaştırmalar yapılmıştır. Çalışmamızın pratik yönü olarak manyetosferik alt grupların GPS sinyallerinin menzil gecikmesi ve zaman gecikmesi üzerindeki etkilerini inceledik. Ayrıca, GPS sinyali gecikme verisinden elde edilenler ile geomanyetik aktivite olayından biri olan 17 Mart 2015 gününün ionosonde TEC gözlemlerini karşılaştırdık. Çalışmamızı vurgulayacak olur isek ilk olarak, manyetosferik aktivite zamanı analizi yapılmuştır ve 2013'ten 2015'e kadar 3 yıllık ionosonde verilerinin kullanılması, manyetosferik fırtınalar sırasında elektron yoğunluğundaki değişimlerin tespit edilmesi amaçlanmıştır. Öncelikle vaka çalışmalarındaki farklılıklar tespit edilip, ardından veri seti bu 3 yıl boyunca ortaya çıkan manyetosferik fırtınaları kapsayacak şekilde genişletilmiştir. Kullandığımız parametreler; F2 tabakası kritik frekansı (foF2), F2 tabakasındaki maksimum elektron yoğunluğunun yükseliği (hmF2) ve toplam elektron içeriği (TEC). Bu çalışma, geomanyetik aktivite etkilerinin istatistiksel olarak varyasyonları ele almaktadır. İkinci olarak iyonosferik model karşılaştırmaları gösterilmiştir ve son olarak zaman ve menzil gecikmesi hesaplamaları ile GPS verilerini kullanarak TEC hesaplaması verilmiştir. Bölüm 1, iyonosferini, yapısını ve radyo dalgalarının yayılımına etkisini, ayrıca GPS hakkında bilgileri ve üzerindeki etkilerini ve TEC'i elde etmek için nasıl kullanıldığını anlatmaktadır. Bölüm 2, iyonosferik elektron yoğunluk varyasyonları ve GPS karşılaştırmaları hakkında bazı literatür çalışmaları sunmaktadır. Bölüm 3'te, manyetosferik aktivite sırasındaki ionosonde verilerininin vaka ve istatistiksel analizlerini sunuyoruz. Bölüm 4'te IRI ve TIE-GCM modellerinden elde edilen sonuçlarla karşılaştırmalar verilmiştir. Bölüm 5, gelecekteki bir çalışma için sonuçların ve önerilerin özetini verecektir.
As being the conducting layer of the atmosphere, ionosphere plays a very important role in the propagation of the radio waves in the atmosphere and thus, in the long-distance communication over the globe and with the satellites in space. Especially, with the advances in GPS satellite technology, the predictions of the variations in the electron density of ionosphere become critically important in many of the areas that these technologies are used ranging from the military and navigation applications to aircraft traffic control systems and extending to the cellphones which are one of the extremely essential part of our daily lives, to even target finding in golf playing. Needless to say, finding the loss during the earthquakes and other hazardous natural phenomena is one other very important application of GPS information. The variations in ionospheric electron density occur in response to the variations in the solar radiation which changes over the solar cycle with the solar activity, and in the magnetosphere with the magnetic storm and magnetospheric substorm activity as well as due to the propagation of the waves into the ionospheric levels from the lower regions of the atmosphere. Variations in one of these factors cause both temporal and spatial variations in electron density. While the neutral winds in the thermosphere move electrons from one place to another, thus causing latitudinal and longitudinal variations in the electron density, the more periodic variations, such as daily, seasonal, and annual, occur in response to the variations in solar radiation input of the atmosphere. On the other hand, solar and magnetospheric activities, which are described under the term of Space Weather, cause irregular and non-periodic variations and thus result in unpredictable variations in the electron density. Electrons in the ionosphere are produced as result of ionization of the neutral atoms of the atmosphere at heights from approximately 60 km to 1000 km. The energetic particles from the Sun and from the magnetosphere in addition to the daily solar radiation are the major source of the ionization in the Earth's atmosphere. Solar photons create ionization that peak around the noon when the energy of the photons is the strongest, producing daily variation of the electron density. The seasonal and annual variations are the other two predictable variations caused by the solar radiation amount reaching the ionosphere. During the solar storms, the energetic particles enter the atmosphere, give rise to magnetic storm and magnetospheric substorms, and causing northern and southern lights (auroae) over the high latitudes and other phenomena over the equatorial regions. Depending on the energy of the particles, these generate ionization as well. The effect of the magnetic and magnetospheric storms on the electron density have been studied quiet widely. The effects and the physical mechanisms that cause these effects were to found to vary with the latitude, i.e. equatorial versus high latitudes, time of the day (universal time, UT), and magnetic local time (MLT). The background variations when there are no magnetic storms or magnetospheric storms are called quiet day variations while the variations in the presence of magnetic storm or magnetospheric substorm are called active day variations. Studies show both positive and/or negative effects when the total electron density or total electron content of the ionosphere (TEC) is higher or lower than that occurring during the quiet days. In general, positive effects are seen towards noon and the negative effects are observed in the afternoon after 16:00 UT. The effects of the magnetospheric storms and substorms are still an active area of research and mostly concentrated on the equatorial and high latitudes. Studies on the mid-latitude electron density variations, especially during the magnetospheric activity, are very limited. Also, most of the results obtained are based on the case studies while a complete statistical study is not available. Ionospheric electron density is measured using ionosonde radars from the ground and satellites in space. The ionosondes are high frequency (HF) radars that send radio signal to the ionosphere and measures the electron density using the reflected signal. They are indeed the oldest methods to measure electron density and gives amount of electrons at a fixed location. Despite oldest, they still operate and widely available over the globe and thus makes the global variation of ionospheric studies possible. They are the techniques that measure the electron density from ground. Recently, with the GPS technology, it is possible to obtain TEC using signal delays which is another active research area. In the absence of ionosonde observations, these provide good estimation of ionospheric electron density. In addition, there are several ionospheric models, such as International Reference Ionosphere (IRI), that give predictions of ionospheric parameters including electron density and TEC. Recently other models that include ionosphere-magnetosphere coupling possible become available such as TIEGCM, CTIPe, etc. While IRI does not include the effects of magnetospheric activity, TIEGCM and CTIPe type coupled models are expected to give better agreements with the observations. In this thesis study, it is our purpose to investigate the ionospheric electron density variation during the magnetospheric disturbances over Istanbul using both ionosonde and available ionospheric models, namely IRI and TIEGCM and determine the effects of variations in TEC on GPS range and time delays. In addition to case studies, this study presents the statistical investigation of the substorm time ionospheric electron density. The main motivation for our work comes from the fact that mid-latitude variations of electron density are not investigated in our region. Recently, we established an ionosonde radar within ITU campus in October 2012 and provides electron density and TEC data since then. One of our goals in this study is to present the observations of ITU ionosonde in order to understand the variability of ionosphere over Istanbul during the magnetic activities and then determine the differences from the variations seen during the quiet days. The strength and the time of the differences is important for the predictions of the electron density over a region. The comparisons were made with the results from the ionospheric models to determine how much and when the models differ the most from the observations and thus bring out the points that need to be improved in the models to decrease the discrepancies. As practical side of our study, we study the effects of the magnetospheric substorms on the GPS range delay and time delay predictions. Also, we compare ionosonde TEC observations during one of the geomagnetic activity event, March 17, 2015, with those obtained from GPS signal delay data. If we highlight our study; the first work is magnetospheric activity time analysis which was done by using 3 years of ionosonde data from 2013 to 2015, determine the variations in electron density during the magnetospheric storms.First recognize the differences in case studies, then expand data set to cover the magnetospheric storms that occur during these 3 years. The parameters we used are the F2 layer critical frequency (foF2), height of the maximum electron density in F2 layer (hmF2) and TEC. This study addresses the variations during the substorms statistically. Secondly, model comparisons are represented and lastly estimation of time and range delay and the estimation of TEC using GPS signals are given. Chapter 1 introduces the ionosphere, its structure, and its effects on the radio propagation and information on the GPS and how it is used to obtain TEC. Chapter 2 presents some literature work on the ionospheric electron density variations and GPS comparisons. In Chapter 3, we present the results from ionosonde data during the magnetospheric activity. A case study was presented and followed by statistical results. In Chapter 4, comparisons with the results from IRI and TIE-GCM models were presented. Chapter 5 will give summary of conclusions and suggestions for a future work.