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7.3 Klassifikation und Quantifizierung ionosphärischer Aktivität 87
Abbildung 7-3 und Abbildung 7-4 belegen anschaulich, dass der Einfluss der Ionosphäre variabel und u.a. auf Grund
der Ionisierung durch ultraviolette Sonneneinstrahlung und sekundär durch Strahlung anderer Raumquellen abhängig
von der Zeit ist.
Neben langwelligen zeitlichen Änderungen der ionosphärischen Aktivität kommt der Geschwindigkeit, mit der sich die
auftretenden Änderungen der ionosphärischen Bedingungen entlang des Signalweges vollziehen, eine wichtige Rolle
zu. Bei kurzzeitlichen Änderungen, die sich v.a. negativ auf das Signal-Rausch-Verhältnis auswirken und somit bspw.
Cycle-Slips nach sich ziehen können, spricht man von sog. Szintillations 7-7 -Phänomenen. Begründet werden diese
bspw. durch Sonnenflecken bzw. geomagnetische Stürme, die auf Grund des Auftreffens von energiereichen Partikelströmen
ausgehend von der Sonne auf die obere Atmosphäre und den durch Interaktion mit der neutralen Atmosphäre
angeregten Ionen und Elektronen eine turbulente Variation der Stärke sowie der Richtung des Erdmagnetfeldes und
damit eine unregelmäßige ionosphärische Schichtung mit sich bringen, die von Standardmodellen nicht berücksichtigt
werden. Als Szintillation wird demzufolge die in elektromagnetischen Signalen detektierbare zufällige und hochvariable
Wirkung der Ionosphäre auf die sie durchquerenden Signale bezeichnet. Sie treten v.a. in Gebieten auf, die nahe des
magnetischen Äquators oder in Gebieten des magnetischen Pols gelegen sind. Im Gegensatz zu äquatorialem Szintillationen
zeichnen sich die rasch verlaufenden kleinräumigen zeitlichen Änderungen der ionosphärischen Aktivität in
polaren Gebieten hinsichtlich ihrer Häufigkeit durch eine geringe Tagesvariation aus und können einige Stunden bis zu
mehreren Tagen andauern. Der Beginn eines polaren Szintillationsereignisses ist tageszeitunabhängig (KLOBUCHAR
1991).
Deshalb sollte im Rahmen der ionosphärischen Modellbildung sowohl der deterministische als auch der stochastische
Anteil des Einflusses der Ionosphäre berücksichtigt werden.
7.3.2 Geographische Klassifikation der ionosphärischen Aktivität
Die Erde lässt sich hinsichtlich der ionosphärischen Aktivitäten in die drei geographischen Gebiete
• äquatoriale Bereiche,
• Regionen mittlerer Breite und
• Polbereiche
einteilen.
Die Regionen um den magnetischen Äquator (Bereich: ca. [-30°; +30°] magn.Br.) zeichnen sich dabei durch den
größten absoluten Elektronengehalt, die stärksten Gradienten und die kleinräumigsten Änderungen aus (WANNINGER
2000a), wodurch bspw. das Festsetzen von Phasenmehrdeutigkeiten durch geometrische Methoden deutlich erschwert
wird. Eine gute Möglichkeit zur Kompensation dieser Einflüsse besteht in der Verwendung der L6-Linearkombination,
welche jedoch P-Code-Messungen voraussetzt. Dahingegen stellen die mittleren magnetischen Breiten (Bereich: ca.
±[30°; 65°] magn.Br.) und die Regionen des magnetischen Pols (Bereich: ca. ±[65°; 90°] magn.Br.) ionosphärisch
ruhigere Gebiete dar. Die mittleren Breiten werden als ionosphärisch gemäßigte bzw. ungestörte Gebiete bezeichnet, in
denen sowohl der absolute Elektronengehalt als auch die Häufigkeit und die Stärke von ionosphärischen Störungen
keine Extremwerte annehmen. Ionosphärische Störungen werden i.d.R. lediglich während starken magnetischen
Stürmen 7-8 beobachtet. In polaren Regionen ist der Elektronengehalt gering, siehe hierzu Kapitel 7.2. Allerdings stören
hier kleinräumige Variationen häufig die Ausbreitung von GPS-Signalen. V.a. während Perioden hoher solarer Aktivität
(magnetische Stürme, Sonnengang) können auch in polaren Gebieten Störungen der homogenen ionosphärischen
Schichtung festgestellt werden. Hier sei im Speziellen der ovalförmige ca. 5-7° breite beobachtbare Polarlichtbereich
genannt. Typische Polarlichtaktivitäten werden im Abstand von 100-150 km von der Erdoberfläche beobachtet. Bei
starker Aktivität können Polarlichtbereiche auch in niedrigere Breiten (ca. 55°) vorstoßen. Die Ausdehnung dieses ionosphärischen
Phänomens schwankt zwischen sehr kleinräumigen, scharf abgegrenzten und großräumigen Strukturen.
7.3.3 Ionosphärische Effekte und Störungen
Die Ionosphäre beeinflusst GPS-Signale auf unterschiedliche Art und Weise. In Kapitel 7.1 wurde der ionosphärische
Einfluss auf GPS-Signale einführend beschrieben. In diesem Unterkapitel werden weitere Effekte erläutert, die durch
die Wechselwirkung zwischen GPS-Signal und Ausbreitungsmedium resultieren.
7-7 Szintillation: Flimmern durch Luftanomalien in der Atmosphäre (Größe: wenige Meter bis einige Kilometer)
7-8 Störungen des Erdmagnetfeldes, Dauer: Stunden bis Tage, geringe Korrelation mit dem Sonnenzyklus