Ionosfäärin tomografiamittauksiin uusia laitteistoja ja laskentamenetelmiä

Ilmatieteen laitoksen vetämässä TomoScand-ionosfääritomografiaprojektissa on kehitetty uudenaikaisia menetelmiä yläilmakehän eli noin 60-1000 kilometriä maan yläpuolella sijaitsevan, ionosfäärin elektronitiheyden kuvantamiseen. Menetelmä perustuu noin 1000 kilometrin korkeudella lentävien satelliittien lähettämien signaalien mittaamiseen ohjelmoitavalla radiotekniikalla sekä tilastollisiin inversiomenetelmiin.

Tomografiamittaukset perustuvat pääsääntöisesti venäläisiin Tsygada-satelliitteihin ja kanadalaiseen Cassiope(ePOP)-satelliiittiin, jotka lähettävät radiosignaaleja 150 ja 400MHz:n taajuudella.

Satelliittien lähettämien signaalien kantoaaltojen vaihesiirtymä mitataan maan pinnalla tätä tarkoitusta varten kehitetyillä, ohjelmoitavaan radiotekniikkaan pohjautuvilla vastaanottimilla. Mittauksista laskettu vaihekäyrä sisältää informaatiota ionosfäärin suhteellisesta elektronitiheydestä signaalin kulkemalla reitillä. Projektissa on rakennettu yhteensä kuusi uudentyyppistä vastaanotinasemaa Viroon, Suomeen ja Norjaan. Pohjoisin asema on Huippuvuorilla ja eteläisin Tartossa. Saatuja mittauksia hyväksikäyttämällä ionosfäärin elektronitiheys on mahdollista rekonstruoida tomografiamenetelmillä mittausasemien kattamalla alueella.

Laskennallisessa mielessä ionosfääritomografia on inversio-ongelma, jonka ratkaiseminen vaatii ennakkotietoa tutkittavasta kohteesta. TomoScandin käyttämässä menetelmässä ennakkotieto ionosfäärin elektronitiheydestä muodostetaan tilastollisena jakaumana. Tämän niin kutsutun priorijakauman muodostamiseen voidaan käyttää hyväksi muita mittauksia, mutta myös muuta informaatiota, kuten vuorokauden- ja vuodenajan keskimääräistä vaikutusta ionosfääriin. Priorijakauman tilastollinen luonne mahdollistaa käytössä olevan ennakkotiedon painottamisen sen luotettavuuden mukaan, antaen paremman käsityksen myös ratkaisun luotettavuudesta. Uusi menetelmä mahdollistaa priorijakauman muodostamisen aitona todennäköisyysjakaumana, pitäen ongelman kuitenkin laskennallisesti toteutettavana.

TomoScand-projektissa yhteistyökumppaneina ovat Oulun yliopiston Sodankylän geofysiikan observatorio ja yhdysvaltalainen Massachussetts Institute of Techonologyn Haystackin observatorio.

Lisätietoja:

Johannes Norberg, puh. 050 380 3297, johannes.norberg@fmi.fiLassi Roininen, puh.029 448 0713, lassi.roininen@sgo.fi

J. Norberg, L. Roininen, J. Vierinen, O. Amm, D. McKay-Bukowski, M. Lehtinen.Ionospheric tomography in Bayesian framework with Gaussian Markov random field priors.Radio Science 01/2015, DOI: 10.1002/2014RS005431.http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/2014RS005431/abstract

J. Vierinen, J. Norberg, M. S. Lehtinen, O. Amm, L. Roininen, A. Väänänen, P. J. Erickson, D. McKay‐Bukowski.Beacon satellite receiver for ionospheric tomography.Radio Science 10/2014, DOI: 10.1002/2014RS005434.http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/2014RS005434/abstract