World-wide analysis and modelling of the ionospheric and plasmaspheric electron contents by means of radio occultations

Abstract

The research of this dissertation is studying the ionosphere by GPS radio occultation (RO) techniques. It is mainly divided into two parts. The first part focuses on the methodology in electron density profile retrievals from RO measurements. It aims to get more precise profiles from measured data. Classic Abel inversion is a methodology widely used in RO retrievals, and the error introduced by the spherical symmetry assumption is also well recognised. Separability Method (SM) was developed to eliminate this error in previous studies. In this work, the improvement brought by SM corresponding to classic method is checked and validated. The SM does have better performance excluding the Lack of Collocation (LoC) error. The precision of the results is also shown to depend on the accuracy of the supported GIMs, i.e., the more accurate GIMs are used, the better results can be obtained. The error in SM, introduced by the mis-modelling of using the Vertical Total Electron Content (VTEC) instead of ECLEO, the electron content below LEO height, is also checked. The result shows that it has only minor impact on the retrievals. The second part is the climatological study of topside ionosphere/bottomside plasmasphere based on the RO retrievals using SM, and aims to give a general picture of characteristics and features of these two regions in different solar periods, 2007 -- solar minimum, and 2014 – solar maximum. The empirical two-components models of topside profiles, STIP model and CPDH model, used to separate the ionospheric and plasmaspheric contribution to the VTEC measured from ground to global positioning system (GPS) satellite altitudes, are studied and validated. The conditions of applicability of the STIP model are also discussed. The same as other existing empirical models, it shows the picture of topside ionosphere till some limited altitude, which is decided by the Low Earth Orbit (LEO) satellite height used to observe the RO. The model is used to derive transition height hu and scale height hs during these two years. Generally, hu and hs show the clear diurnal, seasonal, solar cycle dependencies. The concept of IONf, the ionospheric fractional contribution to VTEC, is introduced and studied. The ionospheric features are shown and most of the ionospheric anomalies have been analyzed through this quantity. Compared to the other ionospheric related parameters, such as Ecion and Ecpl, electron content of ionosphere and plasmasphere, IONf is more stable. Hence, it is more suitable for ionosphere modelling. The Capacitor Model is used to model the consistent ‘ionospheric charging process’ during the period of the day between sunrise and midday/afternoon. The model shows a good performance to reproduce real data in different circumstances and for the maximum and minimum solar activity years analyzed.

La recerca feta en aquesta dissertació consisteix en l'estudi de la ionosfera mitjançant tècniques d'Ocultació Ràdio (RO) de GPS. La primera part s'enfoca en la metodologia d'extracció de perfils de les mesures RO. L'objectiu és l'obtenció de perfils més precisos mesurats a partir de les dades. La inversió clàssica d'Abel és una metodologia emprada àmpliament en l'obtenció de RO, tant mateix l'error introduït per l'assumpció de simetria també és reconegut. En ordre d'eliminar aquest error en estudis previs el Separability Method (SM) va ser desenvolupat. En el present treball es revisa i es valida la millora en el mètode clàssic aportada per SM. SM té un millor comportament inclús quan s'exclou l'error de Lack of Collocation (CoL). La precisió dels resultats depenen també de l'exactitud del GIM's suportats (p.ex. Com més exacte són els GIM's emprats millor són els resultats obtinguts). L'error de SM introduït pel modelatge incorrecte en utilitzar el Vertical Total Electron Content (VTEC) en lloc del ECLEO (el contingut d'electrons per sota de l'altura LEO) també és revisat. Els resultats mostren que només tenen un impacte mínim en les mesures extretes de RO. La segona part és un estudi de la climatologia de la part superior de la ionosfera I la part inferior de la plasmaesfera basat en l'extracció RO mitjançant SM amb l'objectiu de donar una imatge general de les característiques I tres d'aquestes dues regions en diferents períodes solars; el mínim solar de 2007 i el màxim solar de 2014. Dos models empírics bi-component, el model STIP i el model CPD, utilitzats per separar la contribució de la ionosfera i la plasmaesfera al VTEC, s?han estudiat i validat. Addicionalment també es discuteix sobre les condicions de l'aplicació de STIP. També es fa el mateix amb altres models empírics. Es mostra la imatge de la part superior de la ionosfera fins a un límit definit d'altitud el qual és determinat per l'altitud de satèl·lit Low Earth Orbit (LEO) que s?ha utilitzat per observar les RO. S'utilitza el model per derivar les transicions d'altitud hu I l'escala d'altitud hs durant aquests dos anys. Generalment, hu i hs mostren clarament dependències cícliques diürnals, estacionals i solars. És introduït i estudiat el concepte d'IONf, la fracció de contribució de la ionosfera al VTEC. Es mostren els atributs ionosfèrics i la majoria d'anomalies ionosfèriques es veuen plasmaesfera a través d'aquest mesura. En comparació amb altres paràmetres ionosfèrics, com ara Ecion i Ecpl, el contingut d'electrons de la ionosfera i la plasmaesfera IONf, és més estable. Degut això és més idoni pel modelatge de la ionosfera. El Model del Capacitador és emprat per modelar congruentment el procés de càrrega ionosfèrica' durant el sector de l'alba fins al migdia, mostrant que el model representa de manera bastant fidedigna les dades reals en diferents circumstàncies i durant els periodes de màxima i mínima activitat solar