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7.3 Klassifikation und Quantifizierung ionosphärischer Aktivität 85
vertikale Elektronendichte Ne(β,s) der Ionosphärenschicht wird durch eine Taylorreihenentwicklung mit maximalem
Grad (nmax, mmax)
n
m
max max
∑∑
n
N ( β , s)
= N ( β − β ) ( s − s )
e
n=
0 m=
0
e,
nm
0
mit Ne,nm ... unbekannte VTEC-Koeffizienten der Taylorreihe,
β, s ... geozentrische Breite und Stundenwinkel (sun-fixed longitude)
des Durchstoßpunktes
β0, s0 ... Koordinaten des Entwicklungspunkts (Empfängerstandpunkt)
0
m
(7-10)
dargestellt (HUGENTOBLER ET AL. 2001b). Im Rahmen der in Kapitel 7.4 beschriebenen alternativen Nutzung von
lokalen Ionosphärenmodellen wird mmax zu 2 und nmax zu 1 gewählt. Teilweise sind in der Fachliteratur alternativ zu
Gleichung (7-10) Taylorreihenansätze in Abhängigkeit von der geographischen Breite zu finden. Im Rahmen der
Bestimmung der Parameter Ne,nm wird i.Allg. basierend auf Doppeldifferenzen die geometriefreie Linearkombination L4
genutzt. BEUTLER ET AL. (1988) empfehlen, für regionale GPS-Kampagnen alle Beobachtungsstationen zur Ermittlung
dieses lokalen Modells zu verwenden. Solche lokalen Ionosphärenmodelle sind somit mit den auszuwertenden GPS-
Beobachtungen stark korreliert.
Neben der räumlichen Gültigkeit von Ionosphärenmodellen ist die zeitliche Auflösung ∆tION ein weiterer wichtiger
Gesichtspunkt. ∆tION berechnet sich nach (SCHAER 1999) mittels
⎛ sin∆z
⎞
2Arcsin⎜ ⎟
⎜
+ ∆λ0
cosϕ
⎟
0
∆t =
⎝ ⎠
ION
2π
mit ∆t ... zeitliche Auflösung, Einheit [d]
ϕ0 ... mittlere geographische Breite des Netzes,
∆λ0 ... Ost-West-Ausdehnung des Netzes und
∆z = z-z’ION .
(7-11)
Für das in Kapitel 7.4 untersuchte Netz der Antarktischen Halbinsel (ϕ0 = 65° s.Br., ∆λ0 = 15°) ergeben sich für ∆tION
bei variabler hION (350-500 km), die jedoch auf Grund von Gleichung (7-7) eine untergeordnete Rolle spielt, in Abhängigkeit
von den Zenitwinkeln z (85°, 80° bzw. 75°) Werte von 5.7 h, 4.6 h bzw. 3.8 h. Werden kürzere Beobachtungszeiten
zur Schätzung der unbekannten VTEC-Parameter verwendet, so können daraus nach BOSY ET AL. (2003)
große Fehler bei der Bestimmung des ionosphärischen Verhaltens resultieren. Je länger die zeitliche Gültigkeit eines
Ionosphärenmodells ist, umso weniger kann jedoch zeitlich schnell ablaufenden Prozessen Rechnung getragen werden.
Innerhalb des gewählten Zeitraums wird sowohl bei globalen als auch bei lokalen Ionosphärenmodellen angenommen,
dass die Ionosphäre keinen Veränderungen unterliegt, somit sind durch die o.g. deterministischen Modelle kurzperiodische
Variationen nicht berücksichtigt. Deshalb besteht die Forderung nach einer differenzierteren, satellitenabhängigen
und individuellen Modellierung, um eine verbesserte räumliche und zeitliche Auflösung zu erhalten. Innerhalb
der Berner GPS-Software wird diese Forderung im Rahmen der Mehrdeutigkeitslösung unter Verwendung der
QIF-Strategie bspw. durch epochenweise und satellitenspezifisch geschätzte stochastische Ionosphärenparameter erfüllt.
Siehe hierzu Kapitel 4.2.4.2.
7.3 Klassifikation und Quantifizierung ionosphärischer Aktivität
Bevor in Kapitel 7.4 auf die ionosphärische Modellierung für den Bereich der Antarktischen Halbinsel detailliert eingegangen
wird, erfolgt die Klassifikation der ionosphärischen Aktivität in Abhängigkeit von der Zeit (Kapitel 7.3.1)
und vom Ort (Kapitel 7.3.2). Anschließend wird die gestörte Ionosphäre betrachtet. Abschließend wird der PC-Index
erläutert, der eine Quantifizierung der ionosphärischen Aktivität für polare Gebiete prinzipiell ermöglicht.
7.3.1 Zeitliche Variationen des Erdmagnetfeldes
Die Aktivität innerhalb der Ionosphäre und somit der ionosphärische Einfluss auf die Ausbreitung elektromagnetischer
Wellen variiert zeitabhängig. In diesem Unterkapitel sollen langwellige und kurzzeitliche Variationen der Ionosphäre
beschrieben werden.
Der Gleissberg-Zyklus beeinflusst in ca.80-jährigem Zyklus die Aktivität der Ionosphäre. Der Schwalbe- bzw. Sonnenfleckenzyklus
beschreibt den in einem ca. 11-jährigen Zyklus veränderlichen Einfluss des Magnetfeldes der Sonne auf