Climatologia delle scintillazioni ionosferiche su segnali GPS nelle regioni nord europee

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1 Climatologia delle scintillazioni ionosferiche su segnali GPS nelle regioni nord europee Luca Spogli 1, Lucilla Alfonsi 1, Giorgiana De Franceschi 1, Vincenzo Romano 1, Marcio Aquino 2, Alan Dodson 2 1 Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia (INGV), Rome, Italy 2 Institute of Engineering Surveying and Space Geodesy (IESSG), University of Nottingham, Nottingham, UK 1

2 Sommario Introduzione Dati Metodo Discussione dei risultati Scintillazione di fase σ φ Scintillazione di ampiezza S 4 Conclusioni 2

3 Introduzione (I) Accoppiamento Vento Solare-Magnetosfera Perturbazione della Ionosfera Variazioni (+/-) della ρ elettr Fluttuazioni dell indice di rifrazione Poli ed equatore magnetici Effetti di diffrazione sui segnali Corruzione del segnale SCINTILLAZIONE: fluttuazione nel segnale portante Fase Ampiezza Meccanismi fisici che causano scintillazione Forecast (Space Weather) Mitigazione 3

4 Introduzione (II) SCOPO Sviluppare una climatologia delle scintillazioni ionosferiche su segnali GPS nel Nord Europa Combinare dati in un ampio intervallo di latitudine (dalle sub-aurorali fino alla cappa polare) DATI Dati di scintillazione da 4 ricevitori GISTM (GPS Ionospheric Scintillation and TEC Monitor) NovAtel OEM4 dual-frequency 50 Hz DOVE Intervallo di latitudine geografica: N Nuova ed originale statistica per segnali GPS su un ampio intervallo di latitudine. QUANDO Ottobre, novembre, dicembre intense tempeste geomagnetiche: ott. e nov. Importanti eventi di scintillazione METODO Mappe di occorrenza di scintillazione Station ID Lat ( ) Lon ( ) Ny-Ålesund NYA 78.9 N 11.9 E Hammerfest HAM 70.7 N 23.7 E Brønnøysund BRO 65.5 N 12.2 E Nottingham NOT 52.9 N 1.2 W 4

5 Dati Indici di scintillazione a 60 secondi da L1 (1.57 GHz) Fase σ φ Ampiezza S 4 Riduzione degli errori di tracciamento α elev > 15 per entrambi gli indici. Quantità verticali effetti dovuti alla geometria ~10 9 misure per ciascun ricevitore Significativo gap di dati in dicembre per BRO e HAM ID NYA HAM BRO NOT Giorni Dati (%)

6 Metodo Mappe di occorrenza percentuale degli indici di scintillazione Mlat vs MLT Punto sub-ionosferico (350 km) Occorrenza percentuale ID Mlat ( ) Mlat Range ( ) NYA HAM BRO Calcolata bin per bin 1 bin = 3h MLT x 2 Mlat Soglia 0.25 radianti per σ φ 0.25 per S 4 Taglio in accuratezza statistica R % < 2.5% NOT Mappe realizzate per differenti condizioni geomagnetiche Caratterizzazione geomagnetica: indice K p Giorno è quieto se K p <5 e se 50% dei valori Kp 4. ~½ dei giorni in ciascun mese è disturbato. 6

7 Risultati e Discussione Quieti + Disturbati Maggiore sensibilità alla scintillazione di fase Picco: 2.8% fase 0.16% ampiezza Scale differenti! Comportamento generale significativamente differente: σ φ : caratterizzazione sia in M lat che in MLT S 4 : occorrenza localizzata in regioni definite Differenza: scala delle irregolarità Dipende dall anisotropia dovuta all allineamento delle discontinuità lungo le linee di campo Studio dedicato, non in questo lavoro Posizione dell ovale aurorale (Feldstein) Ionosfera quieta IQ=3 (grigio) Ionosfera disturbata IQ=6 (rosso) 7

8 8 Scintillazione di Fase Dimensioni irregolarità: ~100m - ~<10km 2 regioni: mezzogiorno magnetico (NYA) mezzanotte magnetica (HAM & BRO) Giorni disturbati Occorrenza maggiore Regioni di scint. migrano verso latitudini più basse Caratterizzazione in MLT bordi ovale aurorale Quieti e disturbati Ionosfera molto disturbata: modello Feldstein non riproduce le condizioni Asimmetria probabilmente dovuta alla trough depressione nella ρ elettr Asimmetria ad alta latitudine favorito il settore pre-mezzanotte polar cap patches importante ruolo nella scintillazione

9 9 Scintillazione di Ampiezza Dimensioni irregolarità <R Fresnel (~100m) Aumento occorrenza mezzogiorno (NYA & HAM) mezzanotte Bordi ovale bordo N: NYA and HAM bordo S: BRO siti privilegiati per scintillazione Regione ~55 (NOT) ulteriori studi mid-latitude trough (?)

10 Conclusioni Caratterizzazione dell occorrenza di scintillazione: da latitudini di cusp/cap fino alle regioni sub-aurorali Nuova e originale statistica Ampio intervallo di latitudine Maggiore sensibilità scint.fase che di ampiezza della ionosfera polare. Le regioni di scintillazione si muovono verso latitudini più basse in condizioni disturbate. Scintillazione di fase Occorrenza maggiore nei giorni disturbati stesso ordine di grandezza Sovrapposizione di tre effetti: Caratterizzazione principale: posizione dei bordi dell ovale aurorale Asimmetria sembra seguire il profilo della trough Asimmetria in cappa: polar cap patches Scintillazione di Ampiezza Occorrenza maggiore nei giorni disturbati 1 ordine di grandezza Bordi dell ovale (mezzogiorno e mezzanotte) Contributo a media latitudine Mid-latitude trough(?) 10

11 Prossimi passi Framework bi-polare Studio di un periodo quieto Occorrenza di scintillazione di ionosfera quieta 2008 (attualmente in sviluppo) Separare contributi differenti periodi Stagioni Equinozi/Solstizi Contributi Anisotropia TEC Forecast per Space Weather Altra strumentazione SuperDARN Ionosondes Spogli et al., Climatology of GPS ionospheric scintillations over high and mid-latitude European regions, Ann. Geophys., 27, ,

12 12 Grazie per l attenzione luca.spogli@ingv.it