Ionospheric scintillation in GNSS signals: a tool for earth observation

Abstract

(English) This PhD thesis is intended to study ionospheric scintillation and its relationship with some of its sources, in particular the observed correlation between the ionospheric perturbation and the lithosphere. However, before addressing this topic, some simulators and models have been developed.

A trans-ionospheric ray tracer has been developed in this thesis in order to simulate the effects of an electromagnetic wave traveling through the Earth's ionosphere. It consists of an updated version of an old algorithm that has been provided with the most recent models of the ionospheric density, geomagnetic field, and atmospheric composition, in addition to a model for equatorial plasma bubbles.Ionospheric scintillation is the term used to describe a phenomenon affecting electromagnetic waves traveling through the ionosphere which suffer from rapid changes in its intensity and phase. It is motivated by the turbulent electron density fluctuations within the ionosphere in different temporal and spatial scales.

Ionospheric scintillation is more probable to occur in equatorial regions after the sunset, and in polar regions, but it is highly related to external perturbations from the space weather. Its complex behavior is studied by mathematical models such us the Rino's model, which uses a phase screen to derive the phase and intensity changes of the waves crossing it. This model is capable of estimating the scintillation indices ($S_4$, and $\sigma_\phi$) for any ray geometry, but it needs some inputs characterizing the ionospheric conditions. These inputs refer to the intensity and spectral distribution of the fluctuations ($C_kL$, and $q$), and its shape and velocity.

The WBMOD model is one of the climatological models widely utilized to provide the ionospheric scintillation parameters globally as a function of the date, time, location, and geomagnetic/solar conditions. However, this model is not freely available. The work presented in this PhD thesis is the development of an approximated twin model of WBMOD based on neural networks trained with available WBMOD data.

Ionospheric scintillation can be estimated from GNSS signals, through different techniques. First, by direct measurement of the GNSS signal in ground stations. Second, by using the GNSS Reflectometry technique, which senses from LEO satellites the wave reflected over the ocean. Third, by employing the GNSS radio occultation technique, which studies the signal coming from GNSS satellites near the horizon, crossing the ionosphere tangentially. These three techniques together allow a wider coverage of the Earth, particularly, over regions where the traditional ground stations do not exist, i.e. oceans.

Many studies in the last decades have evidenced a coupling between the lithosphere, the atmosphere, and the ionosphere, the so-called LAIC. These studies report changes in the ionosphere total electron content, perturbation in the magnetic field, or detection of extremely low frequency radiation, among other phenomena, both before and after seismic events. In this thesis, the relationship between the ionospheric scintillation detected by the three methods mentioned before, and seismic events has been studied, focusing on the precursory signatures. For this, a preliminary study to assess the effectiveness of the GNSS Reflectometry to detect ionospheric scintillation has been performed using CYGNSS GNSS-R data.

Finally, this PhD thesis presents the statistical study on the relationship between ionospheric scintillation anomalies and earthquakes globally, and in a second step, related to the localized seismic activity produced by a volcanic eruption in La Palma in 2021. The results of these parts found a small signature of the ionospheric scintillation anomalies as earthquake's precursory signals. However, this evidence is so small that it does not allow its straightforward use as an early alarm system for seismic activity.

(Català) Aquesta tesi doctoral pretén estudiar el centelleig ionosfèric i la seva relació amb algunes de les seves fonts, en particular la correlació observada entre la pertorbació ionosfèrica i la litosfera. No obstant això, abans d'abordar aquest tema, s'han desenvolupat alguns simuladors i models.

En aquesta tesi s'ha desenvolupat un traçador de raigs transionosfèric per a simular els efectes d'una ona electromagnètica que viatja a través de la ionosfera terrestre. Consisteix en una versió actualitzada d'un antic algorisme incloent els models més recents de densitat ionosfèrica, camp geomagnètic i composició atmosfèrica, a més d'un model de bombolles ionosfèriques.

El centelleig ionosfèric és el canvi ràpid d'intensitat i fase sofert per les ones electromagnètiques travessant la ionosfera. Està motivat per les fluctuacions turbulentes de densitat d'electrons en la ionosfera en diferents escales temporals i espacials. El centelleig ionosfèric és més probable a les regions equatorials després de la posta de sol i en els pols, però es veu també afectat per la meteorologia espacial. El seu comportament s'estudia mitjançant models matemàtics com el de Rino, que utilitza una pantalla de fase per a calcular els canvis de fase i intensitat. Aquest model és capaç d'estimar els índexs de centelleig (S4, i sigma phi) per a qualsevol geometria de raig, però necessita unes certes entrades que caracteritzin les condicions ionosfèriques. Aquestes entrades es refereixen a la intensitat i la distribució espectral de les fluctuacions (CkL, i q), i a la seva forma i velocitat.

El model WBMOD és un dels models climatològics àmpliament fets servir per a proporcionar globalment els paràmetres de centelleig ionosfèric en funció de la data, l'hora, el lloc i les condicions geomagnètiques/solars. No obstant això, aquest model no és de lliure accés. El treball presentat en aquesta tesi doctoral és el desenvolupament d'un model bessó aproximat de WBMOD basat en xarxes neuronals entrenades amb les dades disponibles de WBMOD.

El centelleig ionosfèric pot estimar-se a partir de senyals GNSS, mitjançant diferents tècniques. En primer lloc, mitjançant el mesurament directe del senyal GNSS en estacions terrestres. Segon, mitjançant la tècnica de reflectometria GNSS, que usa l'ona reflectida sobre l'oceà. Tercer, emprant la tècnica de ràdio-ocultació GNSS, que estudia el senyal procedent dels satèl·lits GNSS prop de l'horitzó, travessant tangencialment la ionosfera. Aquestes tres tècniques juntes permeten una cobertura sobre regions en les quals no existeixen les estacions terrestres tradicionals, és a dir, els oceans.

Molts estudis realitzats en les últimes dècades han posat de manifest un acoblament entre la litosfera, l'atmosfera i la ionosfera, el denominat LAIC. Aquests estudis informen de canvis en el contingut total d'electrons de la ionosfera, de pertorbacions en el camp magnètic o de la detecció de radiacions de freqüència extremadament baixa, entre altres fenòmens, tant abans com després dels fenòmens sísmics. En aquesta tesi s'ha estudiat la relació entre el centelleig ionosfèric detectat pels tres mètodes abans esmentats i els fenòmens sísmics, centrant-se en les signatures precursores. Per a això, s'ha dut a terme un estudi preliminar per a avaluar l'eficàcia de la reflectometria GNSS per a detectar el centelleig ionosfèric utilitzant dades GNSS-R de CYGNSS.

Finalment, aquesta tesi doctoral presenta l'estudi estadístic sobre la relació entre les anomalies de centelleig ionosfèric i els terratrèmols a escala global i, en un segon pas, en relació amb l'activitat sísmica localitzada produïda per una erupció volcànica a la Palma en 2021. Els resultats d'aquestes parts van trobar una petita signatura de les anomalies de centelleig ionosfèric com a senyals precursors de terratrèmols. No obstant això, aquesta evidència és tan petita que no permet el seu ús directe com a sistema d'alarma primerenca de l'activitat sísmica.

(Español) Esta tesis doctoral pretende estudiar el centelleo ionosférico y su relación con algunas de sus fuentes, en particular la correlación observada entre la perturbación ionosférica y la litosfera. Sin embargo, antes de abordar este tema, se han desarrollado algunos simuladores y modelos.

En esta tesis se ha desarrollado un trazador de rayos transionosférico para simular los efectos de una onda electromagnética que viaja a través de la ionosfera terrestre. Consiste en una versión actualizada de un antiguo algoritmo incluyendo los modelos más recientes de densidad ionosférica, campo geomagnético y composición atmosférica, además de un modelo de burbujas ionosféricas.

El centelleo ionosférico es el cambio rápido de intensidad y fase sufrido por las ondas electromagnéticas atravesando la ionosfera. Está motivado por las fluctuaciones turbulentas de densidad de electrones en la ionosfera en diferentes escalas temporales y espaciales. El centelleo ionosférico es más probable en las regiones ecuatoriales tras la puesta de sol y en los polos, pero se ve también afectado por la meteorología espacial. Su comportamiento se estudia mediante modelos matemáticos como el de Rino, que utiliza una pantalla de fase para calcular los cambios de fase e intensidad. Este modelo es capaz de estimar los índices de centelleo (S4, y sigma_phi) para cualquier geometría de rayo, pero necesita ciertas entradas que caractericen las condiciones ionosféricas. Estas entradas se refieren a la intensidad y la distribución espectral de las fluctuaciones (CkL, y q), y a su forma y velocidad.

El modelo WBMOD es uno de los modelos climatológicos ampliamente utilizados para proporcionar globalmente los parámetros de centelleo ionosférico en función de la fecha, la hora, el lugar y las condiciones geomagnéticas/solares. Sin embargo, este modelo no es de libre acceso. El trabajo presentado en esta tesis doctoral es el desarrollo de un modelo gemelo aproximado de WBMOD basado en redes neuronales entrenadas con los datos disponibles de WBMOD.

El centelleo ionosférico puede estimarse a partir de señales GNSS, mediante diferentes técnicas. En primer lugar, mediante la medición directa de la señal GNSS en estaciones terrestres. Segundo, mediante la técnica de reflectometría GNSS, que usa la onda reflejada sobre el océano. Tercero, empleando la técnica de radioocultación GNSS, que estudia la señal procedente de los satélites GNSS cerca del horizonte, atravesando tangencialmente la ionosfera. Estas tres técnicas juntas permiten una cobertura sobre regiones en las que no existen las estaciones terrestres tradicionales, es decir, los océanos.

Muchos estudios realizados en las últimas décadas han puesto de manifiesto un acoplamiento entre la litosfera, la atmósfera y la ionosfera, el denominado LAIC. Estos estudios informan de cambios en el contenido total de electrones de la ionosfera, de perturbaciones en el campo magnético o de la detección de radiaciones de frecuencia extremadamente baja, entre otros fenómenos, tanto antes como después de los fenómenos sísmicos. En esta tesis se ha estudiado la relación entre el centelleo ionosférico detectado por los tres métodos antes mencionados y los fenómenos sísmicos, centrándose en las firmas precursoras. Para ello, se ha realizado un estudio preliminar para evaluar la eficacia de la Reflectometría GNSS para detectar el centelleo ionosférico utilizando datos GNSS-R de CYGNSS.

Por último, esta tesis doctoral presenta el estudio estadístico sobre la relación entre las anomalías de centelleo ionosférico y los terremotos a nivel global y, en un segundo paso, en relación con la actividad sísmica localizada producida por una erupción volcánica en La Palma en 2021. Los resultados de estas partes encontraron una pequeña firma de las anomalías de centelleo ionosférico como señales precursoras de terremotos. Sin embargo, esta evidencia es tan pequeña que no permite su uso directo como sistema de alarma temprana de la actividad sísimca.