Untersuchungen zu Signaturen planetarischer Wellen in der Ionosphäre

Abstract

Untersuchungsgegenstand sind periodische Variationen der Elektronendichte in der Ionosphäre, die als Signaturen planetarischer Wellen (engl.: planetary wave type oscillations, PWTO) bezeichnet werden. Sie besitzen Perioden zwischen 2 und 30 Tagen und eine horizontalen Ausdehnung, die 10.000km überschreiten kann. Aufgrund ihrer Ähnlichkeit zu planetarischen Wellen (PW) der unteren und mittleren Atmosphäre wird ein Zusammenhang mit diesen vermutet. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Untersuchung der möglichen Kopplung zwischen unterer Atmosphäre und Ionosphäre durch PW. Zur Beschreibung der ionosphärischen PWTO werden Karten des Gesamtelektronengehalts (TEC) der Ionosphäre genutzt, die die nördliche Hemisphäre von 50°N bis zur Polkappe abdecken und operationell im DLR mit einer stündlichen Auflösung hergestellt werden. Die Berechnung relativer Differenzen zum laufenden 27-tägigen Median ($\Delta TEC_{rel}$) wird als Bandpassfilter verwendet, um Variationen außerhalb des Periodenbereichs von PW zu minimieren. Zudem wird ein neuer auf der Wavelettransformation basierender Filteransatz angewendet, der solar gesteuerte Variationen im $\Delta TEC_{rel}$-Signal bestmöglich minimiert. Mit Hilfe geeigneter Analysemethoden wird der Datensatz spektral in die Wellenkomponenten der stehenden und wandernden Wellen zerlegt. Der Vergleich der Energie des gefilterten Signals $\Delta TEC_{rel,filter}$ und des relativen TEC $\Delta TEC_{rel}$ zeigt einen Unterschied von bis zu 50\%. Das heißt, dass ein großer Teil der Energie der PWTO in der Ionosphäre durch Variationen der solaren Strahlung, des Sonnenwinds und damit verbundenen geomagnetischen Störungen erzeugt wird. Eine signifikannte Abhängigkeit der PWTO-Aktivität von der solaren Aktivität kann nicht festgestellt werden. Die spektrale Analyse des $\Delta TEC_{rel,filter}$ zeigt sowohl zahlreiche Gemeinsamkeiten als auch deutliche Unterschiede der charakteristischen Eigenschaften von PWTO gegenüber den PW. Besonders kennzeichnend ist die Dominanz der Zonalmittelvariationen und stark ausgeprägte PWTO mit Perioden kleiner als 10 Tage in der Ionosphäre. Die aufgezeigten Unterschiede schließen jedoch den Zusammenhang zu PW nicht aus. Einige Erklärungsansätze für die Kopplung zwischen unterer und mittlerer Atmosphäre und Ionosphäre werden in der vorliegenden Arbeit empirisch beleuchtet. Die Ergebnisse belegen, dass die nichtlineare Interaktion von atmosphärischen Wellen ein möglicher Bestandteil der Kopplung zwischen der mittleren Atmosphäre und der Ionosphäre ist. Es wird davon ausgegangen, dass die entstehenden Sekundärwellen die untere Thermosphäre erreichen, wo sie entweder die thermosphärische Zusammensetzung oder die Winde und das dynamoinduzierte E-Feld beeinflussen, wodurch ihre Signaturen in der Ionosphäre sichtbar werden. Dagegen erscheint anhand der Analyseergebnisse der Einfluss der Modulation von atmosphärischen Schwerewellen auf die Kopplung des Atmosphären-Ionosphären-Systems als unwahrscheinlich.

Signatures of planetary waves in the electron density in the ionosphere (usually named planetary wave type oscillations, PWTO) are the object of investigation in this work. These PWTO are periodic variations with periods between 2 und 30 days and a horizontal extension which can exceed 10.000km. Because their properties often agree with atmospheric planetary waves (PW) in the lower and middle atmosphere, they are suggested to be correlated. The PWTO are described on the basis of maps of the total electron content (TEC), which cover the northern hemisphere from 50°N to the polar cap and are operationally produced in the DLR with a temporal resolution of 1 hour. The calculation of relative differences to a running 27-day median ($\Delta TEC_{rel}$) is used as a band pass filter to avoid variations beyond the period range of PW. Appropriate sprectral analysis methods are used to decompose the data set into the wave components of standing and propagating waves. Furthermore, a new filter method based on the wavelet transformation is used to minimize solar forced variations in the signal as good as possible. The comparison of the power of the filtered signal $\Delta TEC_{rel,filter}$ and the relative TEC $\Delta TEC_{rel}$ shows a difference of up to 50\%. Thus, a major part of the power of the PWTO in the ionosphere occur due to variations of the solar radiation, the solar wind and the corresponding geomagnetic perturbations. A significant correlation to the solar activity cycle cannot be found. The spectral analyses of $\Delta TEC_{rel,filter}$ show a number of similarities as well as some differences in the characteristic properties of PWTO and PW. Quite characteristic is the dominance of the zonal mean oscillation and the strength of PWTO with periods below 10 days in the ionosphere. However, these differences do not exclude a correlation to PW. A few suggestions for the coupling of the lower and middle atmosphere with the ionosphere mentioned in the literature are addressed empirically in this work. The achieved results indicate that the nonlinear interaction of atmospheric waves is a possible part of the mechanism coupling the atmosphere and ionosphere. It is assumed that the resulting secondary waves reach the lower thermosphere, where they influence the thermospheric composition or the winds and the dynamo induced electric field by what their signatures become visible in the ionosphere. Against this, the analysis results indicate that the modulation of atmospheric gravity waves is unlikely to take part in the coupling of the atmosphere and ionosphere.