Sıd-vlf İle Hf Radarı Verileri Kullanılarak İstanbul İçin İyonosferik Değişkenliğin Belirlenmesi

Abstract

İyonosfer atmosferin 60km ile 2000 km arasındaki iletken tabakasıdır. Bu özelliği nedeni ile radyo dalgaları ile iletişimde önemlidir. İyonosfer güneş ışınları ile atmosferdeki nötral atomların etkileşimi sonucunda oluşur. Güneş radyasyonu atmosferin tepesinden aşağı doğru indikçe azalır. Buna karşılık nötral atom yoğunluğu yerden yükseldikçe azalır. Maksimum elektron yoğunluğu bu iki değişime bağlı olarak atmosferde farklı yüksekliklerde meydana gelir. Her bir maksimum elektron yoğunluğu bölgesi farklı bir iyonosfer tabakasını oluşturur. Bu tabakalar gündüz zamanı D, E, F1 ve F2 tabakalarıdır. Gece güneş radyasyonu daha az olduğundan elektron üretimi yeterli değildir. Bunun sonucu olarak geceleyin D tabakası kaybolur, F1 ve F2 tabakaları birleşerek F tabakasını oluşturur ve elektron yoğunluğu E ve F tabakalarında azalır, maksimum yoğunluğun oluştuğu yükseklik daha yukarıya kayar. İyonosfer radyo iletişiminde çok önemlidir çünkü her bir tabakanın elektron yoğunluğu radyo dalgasının frekansı ile ilişkilidir. İyonosfer VLF ve HF frekansındaki radyo dalgalarını yansıtarak veya gücünü azaltarak veya tamamen absorblayarak radyo iletişimini ya mümkün kılar veya engel olur. Eğer iyonosferik tabakanın kritik frekansı radyo dalgasının frekansına eşit ise radyo dalgası o tabakadan yansır. Diğer yandan eğer radyo dalgasının gücü düşük ise dalga gündüz vakti D tabakasında absorblanır. Bu durumda iletişim gerçekleşmez. Gerek uzun mesafeli iletişimlerde gerekse uydularla olan iletişimlerde iyonosferik elektron yoğunluğu değşimlerini bilmek başarılı bir iletişim için çok önemlidir. İyonosferin durumunun bilinmesi, radyo iletişimi açısından en çok GPS ile konum belirleme sistemleri için önemlidir. GPS ile konum belirleme sistemlerinde elektron yoğunluğundaki değişimler yaklaşık 50-100 metreye varan hatalara sebep olmaktadır. İyonosferik elektron yoğunluğunun değşimine neden olan pek çok faktör vardır. Gelen güneş radyasyonu miktarı en temel faktördür. Bunlara ilaveten güneş aktiviteleri, manyetosferik fırtına aktiviteleri, gravite dalgaları bunlardan bazılarıdır. Güneş aktiviteleri arasında güneş alevleri ilk sırayı alır. Güneş alevleri sırasında uzaya çok miktarlarda yüksek enerjili parçacığın yanı sıra, x-ışınları ve daha kısa dalga boylarında radyasyon yayılır. Hem enerjiktik parçacıklar hem de özellikle bu x- ışınları aralığındaki elektromanyetik radyasyon iyonosferde en aşağı seviyelerdeki iyonizasyon miktarı değiştirirler. Bunlar oluştuğunda elektron yoğunluğu artar. Dolayısıyla ortamın iyonizasyonu da. Manyetik fırtınalar diğer yandan, manyetosferdeki, özellikle manyetik kuyrukta meydana gelen manyetik birleşme sonucunda atmosfere transfer edilen manyetosferik mikrofırtına dönemleri olup, iyonosferde hareketli iyonizasyon gruplarına neden olurlar. Gravite dalgaları ise kaynağı genelde troposferdeki yükselti değişimlerinden kaynaklanan düşey yönde hareket ederken enerjisi artan ve nihayet iyonosferik seviyelerde kırılmaya uğradığında enerjisi bulunduğu ortama bırakan dalga yapılarıdır. Bu dalgaların oluşumuna zaman zaman manyetosferik fırtınalar da sebep olabilir. Farklı ekenler sonucunda iyonosferde, Spread F, Sporadic E, orta Enlem çöküntüsü, gün batımı vakası vb. gibi düzensizliklere ilaveten, TIDs (hareket eden iyonosferik bozuntular veya SID aniden aratan iyonosferik bozuntular) da görülür. İyonosfer gün içinde, mevsimlik ve yıllık değişimlerine ilaveten yükseklikle ve coğrafik enlem ile de değişir. Ekvatoryel enlemlerdeki iyonosferik elektrodinamik ile orta ve yüksek enlemlerdeki iyonosferik dinamik ve bu nedenle de değişkenlikler farklılık gösterirler. Radyo dalgaları, yaşayan canlılara zarar vermeyen, düşük frekanslı elektromanyetik dalgalardır. Bu dalgalar, iyonosferdeki elektronlarla girdikleri etkileşim haricinde, atmosferde hızlarında ve ilerleme yönlerinde hiçbir değişime uğramadan yol alırlar. İyonosfer, radyo dalgalarının hem hızında hem de yönünde bir değişime yol açarlar. Radyo dalgasını tamamen absorblayabilir ya da sadece güç kaybına uğramasına neden olabilirler. İyonosfer VLF ( Çok Uzun Frekanslı) ve HF (Yüksek Frekanslı) radyo dalgaları ile incelenebilir. VLF dalgaları aşağı seviye iyonosferin – D tabakası- özellikleri konusunda bilgi sahibi olmamızı sağlarken, HF dalgaları ile yukarı seviye iyonosfer –E ve F tabakaları- incelemek için kullanılır. Bu çalışmada, hem VLF hem de HF radarı (İyonozonde) kullanarak İstanbul üzerindeki iyonosferin genel durumunu belirlemeye çalıştık. Bunun için İTÜ Ayazağa yerleşkesi Uçak ve Uzay Bilimleri Fakültesinin çatısına bir adet VLF anteni kurduk. Bu SID-VLF anteni ile dünya geneline dağılmış pek çok VLF vericisinden 6 tanesini 2-yıl boyunca sürekli kaydettik. SID-VLF anteninin sinyal gücündeki değişimlerini, D tabakasındaki değişiklikleri belirlemekte kullandık. İncelemelerimiz sonucunda sinyal gücünün genel yapısının tipik olarak gelen güneş radyasyonuna paralel değiştiği görülmüştür. Güneş alevleri sırasında, aktivitenin seviyesine bağlı olarak, sinyal gücünde artma ya da azalmalara rastlanmıştır. Bazıları güneş aktiviteleri ile bazıları da gelen radyasyon miktarı ile ilişkilendirilebilen günlük dört karakteristik değişim gösterdiği belirlenmiştir. E ve F tabakaları içinde iyonozonde radarı kullanıldı. İyonozondeler elektron yoğunluğunun tahmini için kullanılan radarlardır. 1-3 MHz arası frekansa sahip radyo dalgalarının vericiden gönderildikten sonra, iyonosferden geri yansıtılıp alıcıda kaydedilinceye kadar geçen süreyi kullanarak elektron yoğunluğunu hesaplarlar. ITU Ayazağa yerleşkesinde kurduğumuz iyonozonde radarı Dynasonde ya da VIPIR adıyla anılan bir Digisonde’dir. 25’er metrelik 2 vericisi, 4 adet alıcısı vardır. Dynasonde radar, NeXtYZ programı ile her iyonosferik tabakanın kritik frekanslarının yanında 79 ilave parametrenin daha ölçümlerini de verir. Bu parametrelerden bazıları toplam elektron yoğunluğu ve maksimum yansıma yüksekliğidir. Dynasonde radarı, kurulduğu gün olan Ekim 2012’den bu yana veri kaydetmektedir. Başlangıç olarak bu veriler İstanbul’un elektron yoğunluğundaki günlük, aylık ve mevsimlik değişimleri ortaya çıkarmak için kullanılmıştır. Bunun yanı sıra manyetosferik aktivitelerin elektron yoğunluğu üstüne olan etkileri de vaka çalışmaları yolu ile araştırılmıştır. Bu kısımda manyetosferik mikrofırtına dönemleri manyetik indekslere bakara belirlenmiş ve söz konusu günlerdeki elektron yoğunluğu, maksimum yükseklik ve TEC incelenmiştir. HF Radar (İyonozonde) verileri mevcut iyonosferik modeller ile karşılaştırılmıştır. IRI ve TIGCM kullanılan ii modeldir. IRI, International Reference Ionosphere, uluslararası bir çaba sonucunda amatör radyo kullanıcılarına doğru iyonosferik haberleri verebilmek amacı ile ortaya çıkmıştır. Zaman içinde gelişmiş, geliştirilmiş bugün iyonosferin herhangi bir coğrafi bölgesindeki ve herhangi bir andaki elektron yoğunluğunu elde etmek için pek çok amaç için kullanılmaktadır. İyonosferin ekstrem durumlarını ve değişkenliğini doğru yansıtmasa da ortalama şartlardaki iyonosferi verdiğinden karşılaştırma amacı ile kullanılmıştır/kullanılmaktadır. Diğer yandan, TIEGCM modeli biraz daha gerçeğe yakın durumları, mikrofıtınaların daha iyi entegre edilmesi gibi, vermektedir. Her iki model de açık model olup serbestçe kullanılabilmektedir. Bu çalışmanın ana amacı İstanbul Teknik Üniversitesi yerleşkesinde bulunan SID-VLF ve Dynasonde HF frekanslarındaki sinyallerdeki değişkenlikler kullanılarak iyonosferin elektron yoğunluğundaki değişimleri gözlemlemek ve elektron yoğunluğu değişimine sebep olan fiziksel ve dinamik süreçleri belirlemektir. Bunun için güneş alevleri tepkisine ve manyetosferik mikrofırtına dönemlerindeki değişimlerine bakılmıştır. SID-VLF monitörü Stanford Üniversitesinden elde edilmiştir. Dünya üzerine yayılmış 6 VLF istasyonundan gönderilen sinyalleri gözlemektedir. HF radarı ise ITU Rektörlüğü’nün desteği ile elde edilmiştir. HF verileri ile öncelikle genel iyonosferin durumunu belirlemek için günlük, aylık ve mevsimsel değişiklikler belirlenmiş, iyonogramlarda görülen yerçekimi dalgası araştırılmış, manyetosferik fırtına etkileri incelenmiş ve elde edilen sonuçlar mevcut iyonosferik modeller ile IRI ve TIE-GCM, karşılaştırılmış ve değişime neden olan fiziksel süreçler anlaşılmaya çalışılmıştır. Elde edilen sonuçlar mevcut literatürdeki bulgular ile karşılaştırılmıştır. Manyetik açıdan sakin ve aktif günler için vaka analizleri yapılmıştır. Bu vakalar mevcut iyonosferik model çıktıları ile karşılaştırılmıştır. Bu çalışmanın ilk bölümünde (Bölüm 1) iyonosferin oluşumu, yapısı ve genel özellikleri ve radyo dalgalarının özellikleri verilmiştir. Bölüm 2’de ITU-VLF istasyonunun kurulumu ve özellikleri ile literatür çalışmasına değinilmiştir. Bölüm 3’de SID VLF genel yapısı, güneş alevi ile ilişkilendirilmesi ve dalgalı yapı incelenmiştir. 4üncü bölümde SID-VLF analizlerinin sonuçları verilmiştir. Bölüm 5’te HF radarları ile ilgili literatür çalışması, iyonosferik modeller hakkında kısa bilgi verilmiştir. 6cı bölümde iyonozonde verileri ile bakılan İstanbul üstündeki iyonosferin genel yapısı incelenmiş, günlük karakteristik değişimler çalışılmış, yerçekimi dalgaları ile etkileşime bakılmış ve mevcut iyonosferik modellerle, IRI ve TIE-GCM, mikrofırtına etkileri incelenmiştir. Son bölüm olan Bölüm 7’de ise her iki veri setinden elde edilen sonuçlar tartışılarak özet ve sonuçlar verilmiştir.

Ionosphere is the conductive layer of the atmosphere extending from about 60 km to 2000 km, although there is not any upper limit. It blends into the outer space. It is formed as a result of the interaction between the neutral atoms and molecules of the upper atmosphere with the solar radiation. Therefore, the amount of solar radiation and the composition of the upper atmosphere, i.e. the density and the type of the neutral atoms, determines how strong the ionosphere is. As the solar radiation and the number density of electrons vary with height in an opposite sense, this dependence leads to distinct layers in the ionosphere. These layers are, in general, known as D, E, F1 and F2 layers respectively from the bottom towards up. Whilst this classification defines the daytime ionosphere, owing to the decreasing solar radiation during the night, D layer disappears and the F1 and F2 layers are combined into F layer and these then form the nighttime ionosphere. Ionosphere plays a crucial role in communication and related areas. It is the electron density in the ionosphere that determines the frequency of the radio waves used in worldwide long distance communication and with the satellite communication. Especially GPS communications, which are the essential communication means of our era, depend largely on the behaviour of the ionosphere. The errors resulting from the variations in the electron density can reach errors on the order of 50-100 meters in distance predictions by GPS. The number of electrons in each ionospheric layer is associated with a specific frequency which determines the maximum usable frequency of the radio the waves. Therefore, the variations in electron density are the crucial factor for the success of radio communications in various levels. These variations in electron density can result from the several factors. In addition to the amount of total solar radiation reaching the Earth, the solar and magnetospheric activities are the main sources that cause variations in the ionization level in the ionosphere. Radio waves are the low frequency electromagnetic waves which do not harm living organisms. These waves can propagate in the atmosphere without any change in their speed and direction unless they encounter a serious number of electrons which is the case in the ionosphere. Ionosphere can affect both the speed of the radio wave and change its direction, as well as it can totally absorb the radio wave or just attenuate some. When, how and which one will take place require predictions of ionospheric density which is one of the branches of Space Weather. Ionosphere can be studied using VLF (Very Long Frequency) and HF (High Frequency) radio waves. While VLF waves are used to study the electron density variations in the lower ionosphere, D layer, HF waves are used to study the higher ionosphere, E and F layers. Ionosondes are very oldest radars, which use the time of flight of the radio signal with frequencies between 1-3 MHz, to determine the electron density. In addition to ionosonde, incoherent radars such as EISCAT and line of site radars such as SuperDARN are used in the measurements of the ionospheric electron density. Ionospheric electron densities are also studied using models. Several ionospheric models are available such as IRI, TIEGCM, etc. In this work, we study the electron density variations over İstanbul using SID-VLF and ionosonde-HF data. SID (Sudden Ionospheric Disturbances) are studed using VLF signatures received at İstanbul ITU station sent from different VLF stations spread over the globe. A SID monitor is located on the roof of ITU UUBF and records signals from several stations. By looking at the variations in the signal strength it is possible to detect the variations in the D-layer of the ionosphere and their sources. On the other hand, data from ionosonde established in the Ayazaga Campus of ITU is used to study the electron variations in the E and F layers of the ionosphere over Istanbul. In this study we present Case studies from selected events while we refer the statistical study to a extensive study. In Chapter 4 of this thesis, we present our results from SID-VLF data. We find that the general structure of the signal strength is in accordance with the daily solar radiation. We see the signatures of the solar activity such as solar flares. The signal rates during these times can be increased or decreased depending on the activity level. Also, we determine general types of variations associated with D region electron density. Four types of daily variations are detected for which some can be explained in presence of solar activity, some with the solar radiation but we also have variations not attributable to both. We give discussion on these in the presence of available literature. Ionosonde radar within the ITU campus is a type of Digisonde called Dynasonde or VIPIR (Vertically Incident Pulsed Radar). Dynasonde returns critical frequency of each ionospheric layer along with additional 79 additional ionospheric parameters including the total electron density and maximum height of the reflection. Dynasonde data collected since its establishment were used to determine the daily, seasonal and annual variation of the electron density over Istanbul. In addition to these statistics, solar activity and magnetospheric storm effects on ionospheric electron density were studied through selected events. Wave activities seen in the ionograms were studied in terms of magnetospheric and tropospheric effects. We find that the ionosphere is highly variable during the summer months with larger electron densities while it is less variable with lower electron densities during the winter. We see that the several types of daily variations were observed over Istanbul. While the electron density show its expected peak at noon time when the solar radiation is highest, we also see double peak structures again during the noon times but just before and after the noon time with a drop at the noon. Other variations include dusk events when we see higher electron densities during the evening time. In addition, we see wave structure during the early morning times, which are attributable to the gravity waves from the lower atmosphere. We also compare our observations with the current available models like International Reference Ionosphere (IRI) and TIEGCM. IRI model is dominantly driven by the solar radiation and does not have any solar and magnetospheric effects. TIEGCM, on the other hand, includes the solar and magnetospheric effects to some degree. In this thesis, Chapters 1, 2 and 3 contain the SID-VLF study while Chapters 4, 5, and 6 comprise the analysis and results related to the ionosonde. Chapter 7 gives a general discussion and a summary of our study. It also covers the suggestions and future work.