Morfologia e dinâmica das irregularidades ionosféricas de pequena escala e imageamento ionosférico por GPS

• Ano de defesa: 2008
• Autor(a) principal: Marcio Tadeu de Assis Honorato Muella
• Orientador(a): Eurico Rodrigues de Paula
• Banca de defesa: Ivan Jelinek Kantor, Alisson Dal Lago, José Humberto Andrade Sobral, Emanoel Paiva de Oliveira Costa, Paulo de Oliveira Camargo
• Tipo de documento: Tese
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE)
• Programa de Pós-Graduação: Programa de Pós-Graduação do INPE em Geofísica Espacial
• País: BR
• Resumo em Inglês: The signals received from the Global Positioning System (GPS) satellites were used to study the behavior of three important geophysical parameters of the ionosphere: small-scale irregularities, their zonal drift velocities and the Total Electron Content (TEC). From the fluctuations (scintillations) in the amplitude of the GPS L1 signal (1575.42 MHz), detected by receivers located in the Brazilian longitudinal sector and distributed at different latitudes, the morphology, the occurrence and the zonal drift of the irregularities with the Fresnel-length were analyzed as a function of the solar cycle, the universal time and the seasonal period. The results show that the irregularities causing scintillations are more frequent during the pre-midnight hours and, the scintillation levels, are larger near the crests of the equatorial ionization anomaly, where the TEC gradients are more intense. The magnitude of the irregularity mean zonal drifts and the occurrence and intensity of the scintillations are higher during the summer solstice months and also tend to enhance with the increase in the solar activity. Depending on the latitude of the observation sites, the dynamics of these irregularities may present a different behavior, such as, large magnitudes and secondary peaks in their velocities. The geomagnetically spaced receiver technique used to estimate the irregularity zonal drifts have also showed to be efficient in the estimations of the scattering height causing scintillations. Simultaneous observations conducted at magnetically conjugate stations showed that GPS signal are not sensitive to F region bottomside sinusoidal irregularities (BSS), but the signals received from VHF geostationary satellites revealed strong scintillations caused by this type of plasma density irregularities. The observations at the conjugate points also showed that a relation between the scintillation level and the size of the TEC depletion (plasma bubble signature) is not straightforward. In addition, analyses of the ionospheric slab thickness did not reveal much about the intensity/variability of the scintillations. A multi-instrumental data assimilation system (named MIDAS), using inverse problem formulations and TEC data as input, was adopted in the tomographic reconstructions of the ionospheric electron density. A good agreement between the reconstruction results and the F2 peak parameters scaled from the ionograms revealed that the technique is capable to reproduce the ionosphere at the south crest of the equatorial ionization anomaly. In the magnetic equator, at that time when an intense plasma vertical gradient is expected to occur, the tomographic reconstructions fail to reproduce the ionosphere. Two-dimensional maps with coupling TEC and scintillation data showed that the scintillations are more intense at the boundaries of the anomaly peak, where strong spatial gradients of the TEC are observed. It suggests that the electron density gradients can be used as an important precursor to the development of GPS L band scintillations.
• Link de acesso: http://urlib.net/sid.inpe.br/mtc-m18@80/2008/09.25.12.42

Os sinais recebidos dos satélites do Sistema de Posicionamento Global (GPS) foram utilizados para estudar o comportamento de três importantes propriedades geofísicas da ionosfera: irregularidades de pequena escala, sua velocidade de deriva zonal e o Conteúdo Eletrônico Total (TEC). A partir das flutuações (cintilações) na amplitude do sinal L1 (1575,42 MHz) do GPS, detectadas por receptores localizados no setor longitudinal brasileiro e distribuídos em diferentes latitudes, a morfologia, a ocorrência e a deriva zonal das irregularidades com dimensões de Fresnel foram analisadas em função do ciclo solar, da hora universal e do período sazonal. Os resultados mostram que as irregularidades que causam as cintilações são mais freqüentes nos horários que antecedem a meia-noite local e, a intensidade das cintilações, são maiores nas latitudes próximas às cristas da anomalia equatorial, onde os gradientes de TEC são mais elevados. A magnitude da deriva zonal média das irregularidades e a ocorrência e intensidade das cintilações são maiores durante os meses do solstício de verão e, também, tendem a aumentar com o aumento da atividade solar. A dinâmica destas irregularidades pode apresentar comportamentos distintos dependendo da latitude das estações de observação, tais como, magnitudes maiores e presença de picos secundários na amplitude da deriva. A técnica de receptores geomagneticamente espaçados empregada para estimar a deriva zonal das irregularidades mostrou-se também eficiente para estimar a altura de espalhamento da camada de irregularidades. Observações simultâneas conduzidas em estações magneticamente conjugadas mostraram que os sinais do GPS não são afetados pelas irregularidades na densidade do plasma na base da região F, do tipo bottomside sinusoidal (BSS). Entretanto, sinais recebidos dos satélites geoestacionários, na faixa do VHF, revelaram fortes cintilações causadas por estas irregularidades. As observações nas estações conjugadas também mostraram que pode não existir uma relação simples e direta entre o nível das cintilações e o tamanho das depleções (assinatura das bolhas de plasma) nos valores do TEC e, ainda, uma análise da espessura equivalente da ionosfera não parece revelar muito sobre a intensidade/variabilidade dessas cintilações. Utilizando um algoritmo de assimilação de dados multiinstrumental (chamado MIDAS) que emprega conceitos de problemas inversos, reconstruções tomográficas da densidade eletrônica da ionosfera foram geradas a partir das medidas de TEC. Os resultados revelaram a capacidade da técnica em reconstruir a densidade eletrônica na região da anomalia equatorial, onde uma melhor concordância foi encontrada na região da crista quando comparados com os resultados obtidos dos registros dos ionogramas. No equador magnético, a técnica falha em reconstruir a ionosfera naqueles horários em que ocorrem fortes gradientes verticais do plasma. Mapas dinâmicos bidimensionais que relacionam as medidas simultâneas de TEC e cintilação mostraram que as cintilações são mais intensas nas regiões da fronteira da anomalia onde os gradientes espaciais do TEC são mais elevados, o que sugere que os gradientes de densidade podem ser um importante precursor no desenvolvimento das cintilações na banda L do GPS.