Statistical investigation of ionospheric electron density over İstanbul during geomagnetic storms and implications for GPS communications

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.