Crowdsourced Dopplermetingen van tijdstandaardstations

In deel 1 van ons drieluik over zonnevlammen is te lezen dat deze een Dopplereffect veroorzaken in radiosignalen welke tegen de ionosfeer reflecteren. In dit tweede deel duiken we wat dieper in op de wetenschap. Het artikel “Crowdsourced Dopplermetingen van tijdstandaardstations die de variabiliteit van de ionosfeer aantonen” is hiervoor de basis. Hoofdauteur Dr. Kristina Collins, KD8OXT, publiceerde dit in het “Earth System Science Data” tijdschrift.

Voor haar onderzoek heeft ze gebruik gemaakt van het “Grape persoonlijk ruimteweerstation“. Dit is een goedkope ontvanger voor HF (3-30 MHz). Deze ontvanger is ontworpen om precisiemetingen te doen aan signalen die worden ontvangen van frequentiestandaardstations zoals WWV, WWVH en CHU.

Omdat deze standaardstations draaggolven uitzenden met een frequentiestabiliteit van atoomklokkwaliteit en de Grape-ontvanger een vergelijkbare frequentiestabiliteit bereikt door het gebruik van een GNSS Disciplined Oscillator, kunnen variaties in het ontvangen signaal worden toegeschreven aan veranderingen in de ionosfeer.

Variabiliteit van de ionosfeer

Het artikel toont de variabiliteit van de ionosfeer op meerdere manieren aan. Een daarvan is het registreren van veranderingen in de Doppler-frequentie door de overgangen als gevolg van dageraad en schemering. Maar ook de seizoensgebonden variaties zijn goed te detecteren. Daarnaast is de respons van de ionosfeer op zonnevlammen ook duidelijk waarneembaar.

Het artikel van Dr. Kristina Collins legt uit hoe je toegang krijgt tot de Grape-gegevens en de open-source software die gebruikt is om de analyse uit te voeren. Dus niets staat je in de weg om hier zelf mee aan de slag te gaan.

 

Het artikel in een notendop

De variabiliteit van de ionosfeer veroorzaakt meetbare effecten in de Dopplerverschuiving van HF signalen. Deze effecten zijn eenvoudig te registreren met goedkope apparatuur. En ze lenen zich goed voor burgerwetenschapscampagnes. Het goedkope persoonlijk ruimteweerstation (Personal Space Weather Station – PSWS) netwerk is een modulair netwerk van door de gemeenschap onderhouden, open-source ontvangers, die Dopplerverschuiving meten in de precieze draaggolfsignalen van tijdstandaardstations.

Het primaire doel van het artikel van Dr. Kristina Collins is het uitleggen van de soorten metingen die dit instrument kan doen. En daarbij worden enkele van de gebruikssituaties geschetst. Hierbij wordt de rol van dit instrument als bouwsteen voor een grootschalig ionosfeer en HF propagatiemeetnetwerk gedemonstreerd. Zo vult het de reeds bestaande professionele netwerken mooi aan.

Gegevens van het PSWS-netwerk worden gepresenteerd voor een periode van eind 2019 tot begin 2022. Softwaretools voor de visualisatie en analyse van deze actieve dataset worden ook besproken en beschikbaar gemaakt. Deze tools zijn bestendig tegen onderbrekingen in de continuïteit van de meetgegevens. En ze kunnen ook goed overweg met het gaandeweg toevoegen, verwijderen of wijzigen van ontvangststations. Hierdoor is visualisatie van data op zowel korte als lange termijn met een hogere dichtheid en snellere cadans mogelijk dan met andere technieken.

Deze gegevens kunnen worden gebruikt om waarnemingen aan te vullen die zijn gedaan met andere instrumenten en methodieken. Bijvoorbeeld betreffende propagerende verstoringen van de ionosfeer en zonnevlammen. En ook om de nauwkeurigheid van de schattingen van de onderkant van modellen van de ionosfeer te beoordelen. Dit laatste kan worden bereikt door de transmissiepaden verkregen met conventionele methodes te vergelijken met die verkregen door deze ontvangers. Al deze gegevens zijn hier gearchiveerd (Collins, 2022).

Wetenschappelijke radioamateurs

Het team van medeauteurs van Dr. Kristina Collins bestaat uit professionals, studenten en HamSCI-vrijwilligers. We noemen er een paar: John Gibbons N8OBJ, Nathaniel Frissell W2NAF, Aidan Montare KB3UMD, David Kazdan AD8Y, Darren Kalmbach KC0ZIE, David Swartz W0DAS, Robert Benedict KD8CGH, Veronica Romanek KD2UHN, Rachel Boedicker AC8XY, William Liles NQ6Z, William Engelke AB4EJ, David G. McGaw N1HAC, James Farmer K4BSE, Gary Mikitin AF8A, Joseph Hobart W7LUX, George Kavanagh KB1HFT, en Shibaji Chakraborty KN4BMT. Dit indrukwekkende lijstje leert ons dat er heel wat radioamateurs bij dit toonaangevende onderzoek betrokken zijn.

Grape-ontvangers

De Grape-ontvangers staan ook centraal in een door de Amerikaanse National Science Foundation (NSF) gefinancierd experiment om de komende ringvormige zonsverduisteringen van 14 oktober 2023 en de totale zonsverduistering van 8 april 2024 te bestuderen. Meer informatie over het bouwen van je eigen Grape-ontvanger is beschikbaar op hamsci.org/grape.

Voor aanvullende informatie

• The Correlation Of VLF Propagation Variations With Athmospheric Planetary-Scale Waves
• Learmonth Solar Observatory overview
• National Solar Observatory Global Oscillation Network Group
• Crowdsourced Doppler measurements of time standard stations demonstrating ionospheric variability

Drieluik zonnevlammen

• Deel 1 – Zonnevlammen detecteren via signalen van frequentiestandaardstations
• Deel 2 – Crowdsourced Dopplermetingen van tijdstandaardstations
• Deel 3 – Zonnevlammen en het Carrington-evenement

Met dank aan Ronny ON6CQ