[論文レビュー] A LOFAR Observation of Ionospheric Scintillation from Two Simultaneous Travelling Ionospheric Disturbances

R. A. Fallows, Biagio Forte+56 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2020

GNSS positioning and interference参考文献 15被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、LOFARを用いて、F層（200–700 km）およびD層（60–70 km）のプラズマ層からの散乱を検出する、2つの異なる移動性電離圏乱高（TID）が引き起こす電離圏 scintillation の同時観測を初めて実施した。遅延ドップラースペクトルとコアアレイデータの相互相関を用い、それぞれのTIDに対応する2つの速度成分（20–40 m s⁻¹ NW–SEおよび110 m s⁻¹ NE–SW）を特定した。後者のTIDは大気重力波によって駆動されている可能性が高い。

ABSTRACT

This paper presents the results from one of the first observations of ionospheric scintillation taken using the Low-Frequency Array (LOFAR). The observation was of the strong natural radio source Cas A, taken overnight on 18-19 August 2013, and exhibited moderately strong scattering effects in dynamic spectra of intensity received across an observing bandwidth of 10-80MHz. Delay-Doppler spectra (the 2-D FFT of the dynamic spectrum) from the first hour of observation showed two discrete parabolic arcs, one with a steep curvature and the other shallow, which can be used to provide estimates of the distance to, and velocity of, the scattering plasma. A cross-correlation analysis of data received by the dense array of stations in the LOFAR "core" reveals two different velocities in the scintillation pattern: a primary velocity of ~30m/s with a north-west to south-east direction, associated with the steep parabolic arc and a scattering altitude in the F-region or higher, and a secondary velocity of ~110m/s with a north-east to south-west direction, associated with the shallow arc and a scattering altitude in the D-region. Geomagnetic activity was low in the mid-latitudes at the time, but a weak sub-storm at high latitudes reached its peak at the start of the observation. An analysis of Global Navigation Satellite Systems (GNSS) and ionosonde data from the time reveals a larger-scale travelling ionospheric disturbance (TID), possibly the result of the high-latitude activity, travelling in the north-west to south-east direction, and, simultaneously, a smaller--scale TID travelling in a north-east to south-west direction, which could be associated with atmospheric gravity wave activity. The LOFAR observation shows scattering from both TIDs, at different altitudes and propagating in different directions. To the best of our knowledge this is the first time that such a phenomenon has been reported.

研究の動機と目的

• LOFARの高時間分解能・広帯域観測（10–80 MHz）を用いて、中緯度電離圏の scintillation を調査すること。
• 1回のLOFAR観測で得られた電離圏 scintillation パatters の原因と特徴を特定すること。
• 異なる高度および速度で伝播する複数のTIDを同定・特徴づけ、それらを scintillation 特徴と関連付けること。
• scintillation を引き起こす小スケール密度構造の生成に寄与する不安定性メカニズム（例：パーマンス不安定性）の役割を評価すること。
• GNSS観測を補完する形で、LOFARが同時に複数高度の電離圏をモニタリングする能力を示すこと。

提案手法

• 2013年8月18日から19日にかけてのカシオペアAの観測中に、LOFARコアステーションが10–80 MHz帯で取得した強度のダイナミックスペクトルを取得した。
• ダイナミックスペクトルに2次元高速フーリエ変換（FFT）を適用し、電離圏プラズマ層からの散乱を示すパラボリックアークを特定する遅延ドップラースペクトルを生成した。
• コアLOFARステーションの強度時間系列に対する相互相関解析を実施し、scintillation パatters の位相速度を抽出した。
• 遅延ドップラースペクトルにおけるパラボリックアークの曲率と速度を用いて、散乱層の高度および伝播方向を推定した。
• GNSSおよびイオンオンドールデータと照合し、大規模および小規模なTIDを同定し、観測されたscintillation特徴と関連付けた。
• 理論的枠組みとしてパーマンス不安定性メカニズムを適用し、大規模なTID駆動型密度ゆらぎから小スケール構造が生成される過程を解釈した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LOFARは、同時に複数の異なるTIDに起因する電離圏 scintillation ソースを検出・分解能をもって特定できるか？
• RQ2 共存する2つのTIDの伝播速度および方向は何か？また、それらは散乱層の高度とどのように関係しているか？
• RQ3 観測されたscintillation特徴（例：遅延ドップラースペクトルにおけるパラボリックアーク）は、GNSSおよびイオンオンドールデータから得られるTID特性とどのように相関しているか？
• RQ4 観測されたscintillationを生成する電離圏不安定性メカニズムは何か？F層およびD層の間でそれらはどのように異なるか？
• RQ5 GNSSの能力を超えて、LOFARはどの程度、複数高度・複数周波数の電離圏モニタリングを可能にするか？

主な発見

• LOFARは、遅延ドップラースペクトルに2つの明確なパラボリックアークを検出した：F層（200–700 km高度）では急勾配で変化する曲率、D層（60–70 km高度）では緩やかで固定された曲率を示した。
• 相互相関解析により、主なscintillation速度として20–40 m s⁻¹のNW–SE方向成分が特定され、F層散乱層に関連していた。
• 二次的なscintillation速度として110 m s⁻¹のNE–SW方向成分が特定され、D層散乱層に関連し、高周波数帯域に位置する二次的な強度の隆起とも関連していた。
• 主な速度に関連するF層TIDは、高緯度の地磁気活動によって駆動されており、NW–SE方向に伝播していると推定された。
• 二次的速さに関連するD層TIDは、大気重力波によって生成されており、NE–SW方向に伝播していると推定された。
• 本研究は、1台の装置を用いて、異なる高度で、異なる速度および伝播方向を持つ2つのTIDが同時に電離圏 scintillation を引き起こす現象を報告した初の事例である。