Mevsimsel Toplam Elektron Miktarı (Tem) Değişimlerinin Farklı Modellerle İrdelenmesi Samed İNYURT 1,*, Çetin MEKİK 1, Ömer YILDIRIM 2

Transkript

1 TMMOB Harita ve Kadastro Mühendisleri Odası, 16. Türkiye Harita Bilimsel ve Teknik Krltayı, 3-6 Mayıs 2017, Ankara. Mevsimsel Toplam Elektron Miktarı (Tem) Değişimlerinin Farklı Modellerle İrdelenmesi Samed İNYURT 1,*, Çetin MEKİK 1, Ömer YILDIRIM 2 1 Bülent Ecevit Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi Fakültesi, Geomatik Mühendisliği Bölümü, 67100, Zongldak. 2 Gaziosmanpaşa Üniversitesi, Mühendislik ve Doğa Bilimleri Fakültesi Fakültesi, Harita Mühendisliği Bölümü, 60250, Tokat. Özet İyonosfer; yüksekliği km arasında değişen içerisinde çok sayıda serbest halde elektron barındıran katman olarak ifade edilebilir. Çalışmada ZONG istasyonna ait 2014 yılının Ocak, Nisan, Ağstos ve Aralık aylarına ait Toplam Elektron Miktarı ( ) miktarı, Global Navigation Satellite System (GNSS) ve International Reference Ionosphere-2012 (IRI-2012) modeli kllanılarak bir saat çözünürlükle elde edilmiş, mevsimsel değişimi ortaya çıkarılmıştır. Bir saat çözünürlükle elde edilen değerlerinin aylara ilişkin değişiminin ortaya kondğ çalışmanın soncnda IRI-2012 modelinin ay içerisinde neredeyse aynı davranışı sergilediği gözlenirken, GNSS ölçülerinden elde edilen değerlerinde ise iyonosfer tabakasının sahip oldğ dinamik yapıyı daha iyi temsil ettiği anlaşılmıştır. İki yöntemden elde edilen değerlerine ilişkin regresyon analizi soncnda korelasyonlar Ocak ayında R²=0.895 Nisan ayında R² =0.838, Ağstos ayında R²=0.745 ve Kasım ayında R²= blnmştr. Analiz edilen aylara ilişkin her iki modelin birbiriyle ilişkisi yml görünmesine rağmen, IRI-2012 yönteminden elde edilen değerlerinin daha düşük kaldığı görülmüştür. Anahtar Sözcükler GNSS, İyonosfer, Toplam Elektron Miktarı () Abstract Ionosphere is a layer containing a large nmber of free electrons and positively charged ions, within the height between 60km and 1000 km. In this stdy, Total Electron Content (TEC) vales derived from GNSS and IRI-2012 were prodced with an hor timewise resoltion in October, April, Agst and November 2014 for ZONG station, and seasonal ionospheric variations were obtained sing these methods. While IRI-2012 model has almost same TEC vale in every hor for any analyzed months, TEC derived from GNSS measrements is a better indicator in terms of representing the behavior of ionosphere. As a reslt of regression analysis, the correlations R² was obtained 0.895, 0.838, and for Janary, April, Agst and November respectively. Althogh both model revealed good agreement with each other, IRI-2012 model nderestimated TEC vale for all analyzed days. Keywords GNSS, Ionosphere, Total Elektron Content (TEC) 1. Giriş İyonosfer yüksekliği km arasında değişen ve içerisinde çok sayıda serbest halde elektron blndran atmosferin en üst katmanı olarak ifade edilmektedir. Bilindiği üzere iyonosfer tabakası karmaşık bir yapıya sahiptir ve Chapman ın iyonlaşma teorisinden farklı davranabilmektedir. İyonosfer tabakasının yapısı ve davranışı hakkında çok sayıda çalışma yapılmıştır (Alizadeh vd., 2011; Namgaladze vd., 2012; Pajares vd., 2011; Petrie vd., 2011; Sardon vd., 1994; vd., Li vd., 2009; Withers ve Mendillo, 2005; Afraimovich ve Astafyeva, 2008; Yildirim vd., 2016). Yapılan çalışmalar göz önüne alındığında iyonosfer tabakasının sürekli olarak değişim içerisinde oldğ ve birtakım etkilere karşı dyarlı oldğ anlaşılmaktadır. İyonosfer içerisinde barındırdığı elektron yoğnlğnn her yerde aynı olmaması nedeniyle farklı katmanlardan olşmaktadır. Bnlar sırasıyla D, E, F (F 1, F 2) olarak ifade edilmektedir. B katmanlar arasında iyonlaşmanın en fazla oldğ üst iyonosfer katmanı olan F 2 katmanıdır. Sinyal bazlı yglamaların giderek yaygınlaştığı günümüzde iyonosferin karmaşık yapısının çözülmesi önem kazanmıştır. İyonosfer tabakasının bir fonksiyon olan Toplam Elektron Miktarı () iyonosonda, geri saçılım radarı, TOPEX/Poseidon yds gibi çeşitli yollarla belirlenebilmektedir. Fakat son yıllarda Global Navigation Satellite System (GNSS) ile miktarı çalışmaları oldkça hız kazanmıştır. Bnn sebebi diğer yöntemlere göre GNSS sistemlerinin maliyetinin az olmasının yanı sıra kesintisiz olarak iyonosferin izlenebilmesine olanak sağlaması düşünülebilir. GNSS ydları yerden yaklaşık km ykarıda blnması yddan çıkan sinyal iyonosferin tüm tabakalarından geçmesine olanak sağlamaktadır. B drm iyonosfer tabakasının davranışının doğr bir şekilde belirlenmesi çalışmalarına önemli avantaj sağlamaktadır. İyonosfer, GNSS ile konm belirleme çalışmalarından üst atmosfer çalışmalarına kadar en önemli engel olarak karşımıza çıkmaktadır. Söz kons sinyal yddan alıcıya varana kadar izlediği yolda elektronlardan etkilenir. B etkinin giderilmesi günümüzün vazgeçilmez gereksinimi haline gelen yüksek doğrlğn elde edilmesi açısından önemlidir. * Sorml Yazar E-posta: samed_inyrt@hotmail.com (Samed İnyrt)

2 Mevsimsel Toplam Elektron Miktarı (Tem) Değişimlerinin Farklı Modellerle İrdelenmesi 2. Yöntem İyonosfer tabakası coğrafi konm, mevsimsel değişim, jeomanyetik etki, solar aktivite, deprem vs. gibi etkilere karşı değişim göstermektedir (Namgaladze vd., 2012). B sebeple iyonosferin doğr şekilde modellenmesi önem arz etmektedir. Bnlardan ilki sadece kod ölçüleri kllanılarak in elde edilmesidir. Çift frekanslı GNSS alıcıları L1 ve L2 frekansları bünyesinde hem kod hem de faz ölçülerini barındırmaktadır Bilindiği üzere ön-znlk (psedorange) yd-alıcı arasındaki kesin mesafedir ve dolayısıyla 1-5 TECU doğrlğnda değeri elde etmede kllanılabilir (Li vd., 2005). Fakat psedorange znlkları çok fazla gürültü ve sinyal yansıması (mltipath) etkisine marz kaldığından dolayı elde edilecek değerinin doğrlğnn düşük olmasına sebep olacaktır. değerinin elde edilmesinde kllanılan bir diğer yöntem ise sadece faz ölçüleri kllanılarak elde edilmesidir. B yöntem sadece kod ölçüleri kllanılarak elde edilen değerine göre doğrlğ daha yüksektir. Fakat b yöntemin kllanılmamasının en büyük dezavantajı tamsayı faz belirsizliğinin doğr şekilde giderilmesi zornllğdr. Dolayısıyla kllanım pratikliği açısından tercih edilmemektedir. Son yöntem ise kod ölçülerinin faz ölçüsü yardımıyla ymşatılarak ymşatılmış kod ölçülerinin kllanılmasıdır. Elde edilen doğrlğ sadece faz ölçüleri kllanılarak elde edilen doğrlğndan daha düşük olmasına rağmen kllanım pratikliği açısından bakımından en avantajlı yöntemdir (Li vd., 2005; Yildirim vd., 2016). B çalışmada GNSS bazlı değeri elde etmede ymşatılmış kod ölçüleri kllanılmıştır. Çift frekanslı GPS alıcısı kllanılarak in elde edilmesinde kod ve faz denklemleri aşağıdaki gibidir. P 1,a =ρ a +c(δt -δt a )+d trop,a +d ion1,a + d 1 + d 1,a + ε 1,a (1) P 2,a =ρ a +c(δt -δt a )+d trop,a +d ion2,a + d 2 + d 2,a + ε 2,a (2) P 1,a, P 2,a ; Psedorange gözlemi, ρ a ; yd-alıcı çifti arasındaki gerçek zaklığı, d trop,a, d ion1,2,a ; troposfer ve iyonosfer hataları, d 1,2 d 1,2,a ; yd ve alıcı donanım kod gecikmelerini ε 1,2a ;artık hataları ifade etmektedir. Psedorange ölçülerinde geometriden bağımsız doğrsal kombinasyon ( L4) yglandığında troposferik hata, yd-alıcı arası gerçek znlk, ydalıcı saat hataları elimine olr. Dolayısıyla yeni denklem; P 4,a =P 1,a -P 2,a =d ion1,a d ion2,a + DCB + DCB a (3) Denklem faz ölçüleri için yazılacak olrsa; L 1,a =ρ a + c(δt -δt a ) d ion1,a + d trop1,a ƛ(b 1,a + N 1,a ) (4) L 2,a =ρ a + c(δt -δt a ) d ion2,a + d trop2,a ƛ(b 2,a + N 2,a ) (5) b 1,2,a ; yd ve alıcı kaynaklı faz donanım ilerlemesini, N 1,2,a ; tamsayı faz belirsizliğini göstermektedir. L 4,a = (d ion1,a d ion2,a ) ƛ(b 1,a b 2,a ) ƛ(N 1,a N 2,a ) (6) Brada N m ; N m = ƛ 1 N 1 ƛ 2 N 2 (7) Uyddan çıkan sinyalin kod ve faz ölçüleri yaklaşık olarak eşit ve zıt yönde etkilenir. Matematiksel ifadesi; d ion,a ~A STEC a (8) f 2 Brada A= 40.3 m 3 /sn 2 ve STEC a yd-alıcı arasındaki eğik toplam elektron miktarını ifade eder. Sonç eşitlik kod ve faz ölçüleri için aşağıdaki gibi olmaktadır. P 4,a = A ( f 2 2 f 1 2 f 1 2 f 2 2 ) S a + (DCB + DCB a ) (9) STEC = f 1 2 f 2 2 P 40.3(f 2 1 f 2 2 ) 4,a c(dcb + DCB a ) (10) STEC değeri her bir yd-alıcı çifti arasındaki eğik toplam elektron miktarını ifade ettiği için haritalama amaçlı kllanılmamaktadır. Bir iyonosfer haritası olştrabilmek için elde edilen STEC değerlerinin düşeye çevrilmesi gerekmektedir. Düşeydeki toplam elektron miktarına VTEC adı verilmektedir. VTEC değeri; VTEC = MF(z) STEC (11) MF(z) = cos (arcsin ( R sin(αz))) (12) R+H (11) ve (12) denklemlerindeki z yd elevasyon açısını, R dünya yarıçapını, H elektronların en yoğn blndğ yüksekliği (aslında b yükseklik F2 tabakasının en üst noktasıdır) ve α= H= 450 km değerini ifade etmektedir. Küresel harmonik fonksiyonlar küresel ve bölgesel iyonosfer modellemesi için kllanılabilmektedir (Haines, 1985; Alizadeh vd., 2011) n VTEC = E v (β, s) = max n n=0 m=0 Ṕ nm (sinβ) (a nm cos(ms) + b nm sin (ms)) (13) Brada (n,m) derece ve mertebeyi, β iyonosfer kesişim noktasının jeosantrik enlemini, s=ƛ-ƛ 0 iyonosfer kesişim noktasının güneş merkezli boylamını, ƛ ve ƛ 0 ; sırasıyla iyonosfer kesişim noktasının boylamı ve görünür güneş zamanı boylamını, a nm ve b nm küresel veya bölgesel iyonosfer model katsayılarını, Ṕ nm = P nm Ʌ(n, m) normalize edilmiş Legendre polinomlarını, Ʌ normalizasyon fonksiyonn, P nm normalize edilmemiş Legendre polinomlarını ifade eder. Ʌ normalizasyon fonksiyon; Ʌ = 2 2n+1(n m)! 1+δ 0m (n+m)! δ Kronecker Deltayı ifade etmektedir. (10) ve (12) nmaralı denklemleri (13) nmaralı denkleme eşitlenirse; (14)

3 Samed İnyrt, Çetin Mekik, Ömer Yıldırım n VTEC = E v (β, s) = max n n=0 m=0 Ṕ nm (sinβ) (a nm cos(ms) + b nm sin (ms)) = [ f 1 2 f 2 2 P 40.3(f 2 1 f 2 2 ) 4,a c(dcb + DCB a )] cos (arcsin ( R sin(αz))) (15) R+H İfadesi elde edilir. Brada P 4,a ölçüleri ymşatılmış kod ölçülerini ifade etmektedir. Denkleme bakıldığında a nm, b nm, DCB a ve DCB bilinmeyen olarak karşımıza çıkmaktadır. Küresel harmoniklerin katsayısı çalışma bölgesinin yerine göre değişiklik göstermektedir. Global çalışmalarda derece ve mertebe genellikle (15,15) kllanılmaktadır. Çalışmada (n,m) (6,6) alınmıştır. (15) denklemindeki bilinmeyen sayısı ölçü sayısından daha az oldğ için en küçük kareler ilkesiyle a nm, b nm, DCB ve DCB a kestirilebilir. (15) denklemi tekil bir denklem oldğndan dolayı yd ve alıcı donanım gecikmelerini( DCB ve DCB a ) birbirinden ayırmak için bir dış kısıt getirilmesi gerekmektedir. B dış kasıt tüm GPS ydlarına ait donanım gecikmesi toplamının 0 olacağı düşünülür DCB T =0. B aşamadan sonra rahatlıkla tüm bilinmeyenlerin çözümü sağlanmış olr. International Union of Radio Science (URSI) ve Committee on Space Research (COSPAR) tarafından geliştirilen IRI- 2012, iyonosonda istasyonlarından faydalanılarak iyonosferin sıcaklık ve yoğnlğnn belirlenmesinde kllanılan lslararası bir modeldir. Yerden 50 km ile km arasında var olan elektron miktarı IRI-2012 programı sayesinde online olarak hesaplanabilmektedir. Model temel anlamda altı farklı parametre üzerinden hesaplama yapmaktadır; bnlar, elektron yoğnlğ, elektron sıcaklığı, iyonn içeriği, iyon sıcaklığı, iyon sürüklenmesi ve toplam elektron miktarıdır. Programda miktarı bir saat zamansal çözünürlükle elde edilmiştir. 3. Uyglama Zongldak ta blnan ZONG istasyonna ait mevsimsel değişimleri her mevsime ait bir aylık (Ocak, Nisan, Ağstos ve Kasım) değerleri elde edilerek izlenmiştir. GNSS ölçüleri ve IRI-2012 modeli üzerinden ayrı ayrı incelenen değişimlerin birbirleriyle olan ilişkisi regresyon analizi ile ortaya çıkarılmıştır. GNSS ölçülerinden faydalanılarak elde edilen değerleri Bernese 5.0v akademik yazılımı kllanılarak elde edilmiştir (Dach vd., 2007). Şekil 1: Analizde Kllanılan İstasyonlar Şekil 1 de analizde kllanılan TUSAGA-Aktif, EPN (EUREF Permanent Network) ve IGS (International GNSS Service) istasyonları genel olarak gösterilmiştir. Toplam 41 istasyonn kllanıldığı çalışmada, istasyonların 16 tanesi TUSAGA-Aktif istasyon olp diğerleri EPN ve IGS istasyonlarıdır. TUSAGA-Aktif istasyon verileri URL-1, IGS ve EPN istasyonlarına ait veriler URL-2 ve URL-3 adreslerinden elde edilmiştir. Verilerin analizinde H= 450 km alınmış olp elevasyon açısı 10 derece, veri kayıt aralığı 30 saniyedir. Diğer yandan IRI-2012 online hesaplayıcı verilerine adresinden URL-4 adresinden laşılmıştır. Brada da yine H= 450 km alınmıştır. Her iki modelden bir saat zamansal çözünürlükle Ocak, Nisan, Ağstos ve Kasım aylarına ilişkin değerleri bir saat aralıkla üretilmiştir. Şekil 1: Ocak Ayı Değişimi

4 Mevsimsel Toplam Elektron Miktarı (Tem) Değişimlerinin Farklı Modellerle İrdelenmesi Şekil 2: Nisan Ayı Değişimi Şekil 3: Ağstos Ayı Değişimi Şekil 4: Ağstos Ayı Değişimi Şekil 1, Şekil 2, Şekil 3 ve Şekil 4 sırasıyla 2014 yılı Ocak, Nisan, Ağstos ve Kasım aylarına ilişkin her iki yöntemden elde edilen ZONG istasyonna ilişkin değişimlerini göstermektedir. Mavi renk yapmış oldğmz analiz sonçlarını gösterirken, trnc renk IRI-2012 online hesaplayıcısından elde edilen değerlerini ifade etmektedir. Analizi yapılan tüm aylar incelendiğinde IRI-2012 kestiriminin analiz sonçlarına göre daha düşük kestirimler yaptığı açıkça görülmektedir. Analiz sonçları ile IRI-2012 modelinden elde edilen sonçların birbirleriyle olan ilişkisinin araştırılması için regresyon analizi yapılmıştır. Yapılan analiz soncnda aralarındaki ilişki (korelasyonlar) Ocak ayında R² = Nisan ayında R²=0.838, Ağstos ayında R² =0.745 ve Kasım ayında R²= blnmştr. İlgili aylara ilişkin minimm, maksimm, ortalama ve standart sapma değişimleri Tablo 1 ve Tablo 2 de snlmştr. Tablo 1: GNSS Ölçülerinden Elde Edilen Değerlerine İlişkin İstatistiki Değerler AY MİN. MAK. ORTALAMA STANDART SAPMA OCAK NİSAN AĞUSTOS 6,2 44, ,07 KASIM 6,8 45, ,67

5 Samed İnyrt, Çetin Mekik, Ömer Yıldırım Tablo 2: IRI-2012 Modelinden Elde Edilen Değerlerine İlişkin İstatistiki Değerler MİN. MAK. ORTALAMA STANDART SAPMA AY OCAK NİSAN 4,6 27, ,91 AĞUSTOS 4,6 20,2 12,39 4,79 KASIM ,1 11,48 9,10 Aralarındaki ilişki genel anlamda iyi görünmesine rağmen, IRI-2012 den elde edilen değerlere bakıldığında analiz edilen ayda her günün aynı saati için neredeyse aynı değere sahip oldğ görülmektedir. Bilindiği üzere iyonosfer dinamik bir yapıya sahiptir. Her günün aynı saati için aynı değeri alması beklenmez. Tablo 1 ve tablo 2 incelendiğinde her iki modelden elde edilen değerlerinin özellikle maksimm değerlerinde ciddi farklar ortaya çıktığı anlaşılmıştır. 4. Sonçlar 2014 yılının Ocak, Nisan, Ağstos ve Kasım aylarındaki ZONG istasyonna ait mevsimsel değişimi toplam 46 istasyondan olşan GNSS ağı kllanılarak Bernese 5.0v akademik yazılımı ve IRI-2012 internet tabanlı hesaplayıcı üzerinden analiz edilmiştir. Sonbahar, kış, ilkbahar ve yaz aylarından birer ay alınarak yapılan analiz soncnda her aya ilişkin farklı değerleri elde edilmiştir. Her iki modelden elde edilen veri setlerinin ilişkisinin saptanması amacıyla regresyon analizi yapılmıştır. Analiz soncnda Ocak ayında R²=0.895 Nisan ayında R²=0.838, Ağstos ayında R²=0.745 ve Kasım ayında R²=0.936 lineer ilişki blnmştr. Fakat IRI-2012 modelinden analiz edilen günlerin aynı saati için neredeyse aynı değerlerinin elde edildiği soncna varılmıştır. B sebeple IR-I2012 modelinin iyonosfer tabakasındaki değişimleri yeterince iyi izleyemediği düşünülmektedir. Diğer yandan yine her iki model kıyaslandığında IRI-2012 den elde edilen değerlerinin tüm aylarda daha düşük kaldığı gözlenmiştir.. Kaynaklar Afraimovich, E. L., Astafyeva, E. I., (2008), TEC anomalies Local TEC changes prior to earthqakes or TEC response to solar and geomagnetic activity changes?. Earth, planets and space, 60(9), Alizadeh M. M., Schh H., Todorova S., Schmidt M., (2011), Global ionosphere maps of VTEC from GNSS, satellite altimetry, and formosat-3/cosmic data. J Geod, 85(12):975e87. Dach R., Hgentobler U., Fridez P. and Meindl M., (2007), Bernese GPS Software Version 5.0, Astronomical Institte, University of Bern, Switzerland s: Li, Z., Gao, Y., Skone, S., (2005), A stdy of smoothed TEC precision inferred from GPS measrements. Earth, planets and space, 57(11), Li, J. Y., Chen, Y. I., Chen, C. H., Li, C. Y., Chen, C. Y., Nishihashi, M., Lin, C. H., (2009), Seismoionospheric GPS total electron content anomalies observed before the 12 May 2008 Mw7. 9 Wenchan earthqake. Jornal of Geophysical Research: Space Physics, 114(A4). Withers, P., Mendillo, M., (2005), Response of peak electron densities in the Martian ionosphere to day-to-day changes in solar flx de to solar rotation. Planetary and Space Science, 53(14), Namgaladze A. A, Zolotov O. V., Karpov M. I. and Romanovskaya Y. V., (2012) Manifestations of the Earthqake Preparations in the Ionosphere Total Electron Content Variations, Natral Science, Vol.4, No.11, Petrie E. J., Hernandes-Pajares M., Spalla P., Moore P. and King M. A., (2011) A Review of Higher Order Ionospheric Refraction Effects on Dal Freqency GPS, Srv Geophys 32: Pajares, M. H., Jan J. M., Sanz., Angel A. A., Rigo A. G., Salazar D. and Escdero M., (2011), the Ionosphere: Effects, GPS Modeling and the Benefits for Space Geodetic Techniqes J Geod, doi: /s Sardon E., Ris A. and Zarraoa N., (1994) Estimation Of The Transmitter And Receiver Differential Biases And The Ionospheric Total Electron Content From Global Positioning System Observations. Radio Sci 29(3):

6 Mevsimsel Toplam Elektron Miktarı (Tem) Değişimlerinin Farklı Modellerle İrdelenmesi Saroso S., Li J. Y., Hattori K. and Chen C. H., (2008), Ionospheric GPS TEC Anomalies and M 5.9 Earthqakes in Indonesia dring , Terr. Atmos. Ocean. Sci., Vol. 19, No. 5, Yildirim, O., Inyrt, S., Mekik, C. (2016). Review of variations in M w< 7 earthqake motions on position and TEC (M w= 6.5 Aegean Sea earthqake sample). Natral Hazards and Earth System Sciences, 16(2), Zhao, B., Wan, W., Li, L., Ren, Z., (2009), Characteristics of the ionospheric total electron content of the eqatorial ionization anomaly in the Asian-Astralian region dring In Annales Geophysicae,Vol. 27, No. 10, pp , Copernics GmbH. URL-1 (2014) (Erişim Tarihi: ). URL-2 (2014) ftp://igs.bkg.bnd.de/igs/obs/, (Erişim Tarihi: ). URL-3 (2014) ftp://igs.bkg.bnd.de/euref/obs/, (Erişim Tarihi: ). URL-4 (2014) (Erişim Tarihi: )