Deriving vertical total electron content maps from SMOS full polarimetric data to compensate the Faraday rotation effect
Authors:   , Rubino Roselena 
Published: October 2023

The Faraday rotation is a geophysical effect that causes a rotation of the electromagnetic field components emitted by the Earth when it propagates through the ionosphere. It depends on the vertical total electron content (VTEC) of the ionosphere, the geomagnetic field, and the frequency. For satellite measurements at the L band, this effect is not negligible and must be compensated for. This is the case of the Soil Moisture and Ocean Salinity (SMOS) mission, where the measured polarimetric brightness temperature must be corrected from the Faraday rotation effect before the retrieval of the geophysical parameters.
The Faraday rotation angle (FRA) can be estimated using a theoretical formulation that makes use of external sources for the VTEC and the geomagnetic field. Alternatively, it can be continuously retrieved from the SMOS full-polarimetric data. However, this is not straightforward due to the relatively poor radiometric sensitivity (thermal noise) and accuracy (spatial bias) of its payload MIRAS (Microwave Interferometer Radiometer by Aperture Synthesis).
In this thesis, a methodology for estimating the total electron content of the ionosphere by using an inversion procedure from the measured rotation angle has been developed. These SMOS VTEC maps are derived from SMOS measurements in the Extended Alias-Free Field of View (EAF-FoV) by applying spatio-temporal filtering techniques to mitigate the radiometric errors present in the full-polarimetric measured brightness temperatures. Systematic error patterns found in the Faraday rotation angle retrieval have been characterized along the mission and corrected. The methodology is independent, not only of external databases and forward models, but also of the target that is being measured.
Eventually, these SMOS-derived VTEC maps can then be used in the SMOS level 2 processors to improve the geophysical retrievals. The impact of using these SMOS VTEC maps to correct the FRA in the SMOS mission instead of the commonly used VTEC data from GPS has also been assessed, particularly over ocean, where the ionospheric effect is stronger. This assessment has demonstrated improvements in the spatial biases, in the stability of the brightness temperatures (especially in the third Stokes parameter), and in the reduction of the latitudinal gradient present in the third Stokes parameters. All these quality indicators point to a better quality of the geophysical retrievals.

La rotación de Faraday es un efecto geofísico que causa un giro en las componentes del campo electromagnético emitido por la Tierra cuando éste se propaga a través de la ionosfera. Ésta depende del contenido vertical total de electrones (VTEC) en la ionosfera, el campo geomagnético y la frecuencia. En las medidas de los satélites que operan en banda L, este efecto no es despreciable y se debe compensar. Este es el caso de la misión SMOS (Soil Moisture and Ocean Salinity), por lo que el efecto de Faraday se tiene que corregir en las medidas polarimétricas captadas por el instrumento antes de obtener parámetros geofísicos. El ángulo de rotación de Faraday (FRA) se puede estimar con una fórmula teórica que usa bases de datos externas para el VTEC y el campo geomagnético. Alternativamente, se puede obtener de una manera continua a partir de los datos polarimétricos de SMOS. Sin embargo, esto no se logra con un cálculo directo debido a la pobre sensibilidad radiométrica (ruido térmico) y a la baja precisión (sesgos espaciales) que presenta el instrumento MIRAS (Microwave Interferometer Radiometer by apertura Synthesis), que se encuentra a bordo del satélite. En esta tesis, se desarrolla una metodología para estimar el VTEC de la ionosfera usando un proceso inverso a partir del ángulo de rotación medido. Estos mapas de VTEC se derivan de medidas en todo el campo de visión extendido en donde no hay aliasing. Para mitigar los errores radiométricos en las temperaturas de brillo polarimétricas, se aplican técnicas de filtrados temporales y espaciales. En el ángulo de rotación de Faraday recuperado se detectaron errores sistemáticos. Estos se caracterizaron a lo largo de la misión y se corrigieron. La metodología es independiente, no solo de bases de datos externas y modelos de océano, sino también de la superficie medida. Estos mapas de VTEC derivados de los datos SMOS se pueden usar en el procesador de nivel 2 para mejorar las recuperaciones geofísicas. Se ha evaluado el impacto de usar estos mapas para corregir el FRA en la misión, en vez de los datos de VTEC que comúnmente se emplean (mapas provenientes de datos de GPS), particularmente sobre océano, en donde los efectos de la ionosfera son más críticos. Esta verificación ha demostrado mejoras en el sesgo espacial, en la estabilidad de las temperaturas de brillo (especialmente en el tercer parámetro de Stokes) y en la reducción del gradiente latitudinal presente en el tercer parámetro de Stokes. Todos estos indicadores de calidad apuntan a la obtención de parámetros geofísicos de mejor calidad.