Variations of the ionospheric total electron content over Continental Portugal and islands

Abstract

Space weather (SW) refers to a range of phenomena that occur in the vicinity of Earth driven by the Sun. These phenomena are linked to solar activity events, such as solar flares, coronal mass ejections, and interplanetary medium conditions. The ionosphere, the upper part of the atmosphere ionised by the solar ultraviolet radiation (UV), X-ray (XR) fluxes and energetic particles, is strongly affected by SW. The changes in the ionisation rate and, consequently, of the electron density affect the conditions for the radio wave propagation and, therefore, influence the quality of the electromagnetic signal propagating between a ground-based device and a satellite (for example, a navigation or communication satellite systems). The understanding of processes causing variations of the electron density and forecasting of the total electron content (TEC) variations during SW events is crucial for enhancing the reliability and effectiveness of, for example, GNSS-based services. The primary objective of this master's thesis is to study variations of the ionospheric TEC in the regions of Portugal's mainland and its insular territories during geomagnetically quiet and disturbed conditions. The performance of the principal component analysis (PCA) for obtaining daily TEC variations was studied, and this method was confirmed to be a useful tool. Eleven geomagnetic storms were analysed between 2015 and 2018. The results show synchronous TEC variations in the different locations for most of the analysed cases. Secondly, observational data was compared with simulations from two ionospheric models: IRI and PCA-NN. Both models demonstrate an adequate performance during quiet geomagnetic periods; their performance during geomagnetically disturbed periods is poorer but comparable with the performances of other state-of-the-art TEC models.

Meteorologia espacial (ME) refere-se a fenómenos que ocorrem nas proximidades da Terra controlados pelo Sol. Esses fenómenos estão relacionados com eventos oriundos da atividade solar, como erupções solares, ejeções de massa coronal e condições do meio interplanetário. A Ionosfera, parte superior da atmosfera, ionizada pela radiação solar ultravioleta, fluxos de raios-x e partículas energéticas, é fortemente afetada por ME. As alterações à taxa de ionização e, consequentemente, à densidade eletrónica alteram as condições para a propagação de ondas de rádio e desse modo, influenciam a qualidade do sinal eletromagnético que se propaga entre um dispositivo terrestre e um satélite (por exemplo, um satélite de um sistema de comunicação ou navegação). A compreensão dos processos que causam variações na densidade eletrónica e a previsão das variações do conteúdo total de eletrões (TEC) durante eventos de ME é crucial para melhorar a eficácia dos serviços dependentes de satélites. O objetivo principal desta dissertação é o estudo das variações do TEC ionosférico nas regiões de Portugal continental e insular, em condições geomagneticamente calmas e perturbadas. Estudou-se o desempenho da análise de componentes principais na obtenção do TEC diário, confirmando-se que este método é uma ferramenta útil. Onze tempestades geomagnéticas foram analisadas no entre 2015 e 2018. Os resultados mostram variações de TEC síncronas nas diferentes localizações, para grande parte dos casos analisados. Dados observacionais foram também comparados com simulações feitas por dois modelos ionosféricos: IRI e PCA-NN. Ambos os modelos demonstraram ser adequados durante os períodos geomagnéticamnete calmos: o seu desempenho é mais fraco durante períodos geomagnéticamnete ativos, mas comparável com o desempenho de outros modelos atuais de TEC.