Forskere simulerer fokuseringseffekt af rejser i ionosfæriske forstyrrelser på solens dynamiske spektre

Rejsende ionosfæriske forstyrrelser (TID'er) er blandt Jordens ionosfæriske uregelmæssigheder. De repræsenterer bølgelignende elektrontæthedsstrukturer, der formerer sig i ionosfæren. Bevægelsen af ​​TID'er modulerer elektrontæthedsfordelingen i rummet. Det fører til en ændring af plasmaparametre, nemlig brydningsindekset, og påvirker udbredelsen af ​​radiobølger. I særlige tilfælde, variationerne af plasmaparametre påvirker stærkt de lavere frekvenser elektromagnetiske bølger, der kan resultere i fokusering eller forstærkning af den indfaldende stråling (Meyer-Vernet et al. 1981). Fokuseringseffekten manifesterer sig i form af særegne spektrale forstyrrelser i intensitet med specifik morfologi, såkaldt spectral caustics (SCs), forekommer lejlighedsvis i dynamiske spektre af solradioinstrumenter, der opererer i meter-dekameterbølgelængdeområdet.

I dette studie, for første gang, forskere præsenterer simuleringsresultater af fokuseringseffekten af ​​mellemstore rejsende ionosfæriske forstyrrelser (MSTID'er) på solradioemission ved at anvende en strålesporingsmetode til Jordens ionosfære med MSTID'er. For at simulere dagtidens MSTID'er, de overvejede de typiske parametre for et TID med vandret bølgelængde λ på 300 km, og en tidsperiode T på 40 minutter (se figur 1). Radiostrålebaner i den modellerede ionosfære blev beregnet ved hjælp af en algoritme baseret på den stykkevis lineære tilnærmelse af den glatte bane af en stråle, hvor ionosfæren er opdelt i lag, og retningen af ​​den brydte stråle findes med Snell's lov.

Simuleringsresultater

I figur 1, to repræsentative eksempler på brydning af radiobølger (radiostråler) ved frekvenser 105 MHz (a) og 75 MHz (b) i den modellerede ionosfære er vist. Strålerne kommer fra punkter fordelt mellem 1600 og 2000 km med et 4 km trin langs vandret afstand og placeret i 450 km i højden. Højdevinklen θ er lig med 8⁰. Hvert panel præsenterer et billede af radiostråler på samme øjeblik med den eneste forskel i radiobølgefrekvens. På et modtagelsespunkt, der er placeret på jorden, antallet af indgående radiostråler tælles. I figuren, den valgte afstand (celle)-700-704 km-er markeret med lilla stjerne, mens de lilla histogramlinjer angiver antallet af stråler, der kommer ind i dette afstandsområde. En stigning i antallet af radiostråler i cellen op til 16 for 105 MHz og op til 3 for 75 MHz registreres.

Figur 2 viser hovedresultatet af vores beregninger. Her er stråledensiteten blevet forøget ved at reducere stråleafstanden til 1 km. Derfor, antallet af indgående bjælker i 1 km afstand ved jordoverfladen blev talt, mens udbredelsen af ​​TID'er med den rumlige periode på 300 km simuleres ved at flytte strukturerne hver 1/300 af tidsperioden T, dvs. 40/300 min =2/15 min. På samme tid, ved at ændre frekvensen af ​​radiostråler med et trin på 1 MHz trinvist, de registrerede stråleintensiteten i tidsfrekvensdomænet. Forskerne simulerede solens dynamiske spektre for højdevinkler θ lig med 2 °, 8 °, 14 °, og 20 °. Hvert dynamisk spektrum indeholder karakteristisk spektral forstyrrelse i intensitet, der kan genkendes som en SC.

Med simuleringen, forskerne identificerede fire typer af SC'er blandt de fem erklærede af en tidligere undersøgelse, herunder den omvendte V-lignende, X-lignende, og fiberlignende typer (Koval et al. 2017). Dette beviser pålideligheden af ​​den indførte klassificering af SC'erne; for det andet, den korrekte numeriske behandling af spørgsmålet for det tredje, yderligere undersøgelser er nødvendige for at forklare den sidste type SC'er, dvs. den frynseagtige type.

Figur 2 viser, at en typisk SC -struktur består af forreste og bageste konvolutter og et legeme mellem dem. Konvolutterne har højere lysstyrke end interiøret og nærmer sig hinanden på et bestemt konvergent punkt, der er kendetegnet ved den maksimale lysstyrke for hele strukturen. Konvergenspunktets frekvens er fokusfrekvensen. Det indebærer, at med nuværende parametre for ionosfæren og solstråling, en jordobservatør er i fokus for en plasmalinse dannet af TID'er. I figur 2 (a-d) sker det ved frekvenser på 125 MHz, 105 MHz, 73 MHz, 48 MHz, henholdsvis. Fokusfrekvensens afhængighed af solens højdevinkel er vist i figur 3.

Figur 3 viser, at fokuseringsfrekvensen hurtigt falder med væksten af ​​højdevinklen. De lave værdier for højdevinklen svarer til typiske positioner for Solen om vinteren og delvist i foråret og efteråret på de mellemste breddegrader i Europa. Baseret på simuleringsresultatet i figur 2 (d) for θ =20⁰, en SC ved større θ ville være delvist eller fuldstændigt beskadiget, eller slet ikke genereres. Dermed, forskerne udleder, at SC'erne kun kan observeres i visse perioder, hovedsageligt sidst på efteråret, vinter, og tidligt forår.

Konklusioner

Simuleringen af ​​spredning af en plan elektromagnetisk bølge gennem den terrestriske ionosfære med TID'er er blevet udført ved anvendelse af geometrisk optik. Den største fordel ved denne tilgang er at få det fulde billede af radiostrålebaner. Dette viser visuelt en dannelse af kaustik i rummet under forskellige betingelser for strålingskilde eller/og ionosfære.

Forskerne rapporterer, at SC'erne kan registreres i spektrogrammer for bestemte højdevinkler af solen. Ved relativt lave solvinkler ( <25⁰), SC'erne kan genereres. Dette område af højdevinkler svarer til sent fald, vinter og tidligt forår. Dette giver en god forklaring på den sæsonbestemte afhængighed af SC -forekomst, som er blevet fastslået i et tidligere papir (Koval et al. 2017). Forskerne mener, at dette modelleringsarbejde, som også har en opklarende karakter, er påkrævet for at få en bedre forståelse af den fokuserende effekt, der stadig er lidt kendt for samfund af sol- og ionosfæriske forskere.