Resande jonosfäriska störningar (TID) är bland jordens jonosfäroregelbundenheter. De representerar vågliknande elektrondensitetsstrukturer som fortplantar sig i jonosfären. Rörelsen hos TIDs modulerar elektrondensitetsfördelningen i rymden. Det leder till en modifiering av plasmaparametrar, nämligen brytningsindex, och påverkar utbredningen av radiovågor. I särskilda fall, variationerna av plasmaparametrar påverkar starkt de lågfrekventa elektromagnetiska vågorna som kan resultera i fokusering eller förstärkning av den infallande strålningen (Meyer-Vernet et al. 1981). Fokuseringseffekten manifesterar sig i form av märkliga spektrala störningar i intensitet med specifik morfologi, så kallade spektralkaustik (SCs), förekommer ibland i dynamiska spektra av solradioinstrument som arbetar i våglängdsområdet meter-dekameter.

I den här studien, för första gången, forskare presenterar simuleringsresultat av den fokuserande effekten av medelskaliga jonosfäriska störningar (MSTID) på solarradioemission genom att tillämpa en strålspårningsmetod på jordens jonosfär med MSTID. För att simulera MSTID dagtid, de övervägde de typiska parametrarna för en TID med horisontell våglängd λ på 300 km, och en tidsperiod T på 40 minuter (se figur 1). Radiostrålningsbanor i den modellerade jonosfären beräknades genom att använda en algoritm baserad på den bitvis linjära approximationen av den jämna banan för en stråle där jonosfären är uppdelad i lager, och riktningen för den brutna strålen hittas med Snells lag.

Simuleringsresultat

I figur 1, Två representativa exempel på brytning av radiovågor (radiostrålar) vid frekvenserna 105 MHz (a) och 75 MHz (b) i den modellerade jonosfären visas. Strålarna kommer från punkter fördelade mellan 1600 och 2000 km med ett steg på 4 km längs horisontellt avstånd och placerade på 450 km höjd. Höjdvinkeln θ är lika med 8⁰. Varje panel presenterar en bild av radiostrålar i samma ögonblick med den enda skillnaden i radiovågsfrekvens. Vid en mottagningspunkt på marknivå, antalet inkommande radiostrålar räknas. I figuren, det valda avståndsintervallet (cell) – 700-704 km – markeras med en lila asterisk, medan de lila histogramstaplarna indikerar antalet strålar som når in i detta avståndsområde. En ökning av antalet radiostrålar i cellen upp till 16 för 105 MHz och upp till 3 för 75 MHz registreras.

Figur 2 visar huvudresultatet av våra beräkningar. Här har stråltätheten ökats genom att reducera strålavståndet till 1 km. Därför, antalet inkommande strålar på 1 km avstånd vid markytan räknades, medan utbredningen av TID med den rumsliga perioden på 300 km simuleras genom att flytta strukturerna var 1/300:e av tidsperioden T, dvs 40/300 min =2/15 min. På samma gång, genom att ändra frekvensen för radiostrålar med ett steg på 1 MHz, de registrerade strålens intensitet i tids-frekvensdomänen. Forskarna simulerade soldynamiska spektra för höjdvinklar θ lika med 2°, 8°, 14°, och 20°. Varje dynamiskt spektrum inkluderar distinkt spektral störning i intensitet som kan kännas igen som en SC.

Med simuleringen, forskarna identifierade fyra typer av SCs bland de fem deklarerade av en tidigare studie, inklusive den inverterade V-liknande, X-liknande, och fiberliknande typer (Koval et al. 2017). Detta bevisar tillförlitligheten av den införda klassificeringen av SCs; för det andra, korrekt numerisk behandling av problemet; för det tredje, ytterligare studier krävs för att förklara den sista typen av SCs, dvs. den fransliknande typen.

Figur 2 visar att en typisk SC-struktur består av främre och bakre kuvert och en kropp mellan dem. Kuverten har högre ljusstyrka än interiören och närmar sig varandra vid en viss konvergent punkt som kännetecknas av den maximala ljusstyrkan för hela strukturen. Konvergentpunktens frekvens är fokuseringsfrekvensen. Det innebär att med nuvarande parametrar för jonosfären och solstrålning, en markobservatör är i fokus för en plasmalins som bildas av TID. I figur 2 (a-d) sker det vid frekvenser på 125 MHz, 105 MHz, 73 MHz, 48 MHz, respektive. Fokuseringsfrekvensens beroende av solhöjdsvinkeln visas i figur 3.

Figur 3 visar att fokuseringsfrekvensen snabbt faller med ökningen av höjdvinkeln. De låga värdena för höjdvinkeln motsvarar typiska positioner för solen på vintern och delvis under vår- och höstmånaderna på Europas mellersta breddgrader. Baserat på simuleringsresultatet i figur 2(d) för θ =20⁰, en SC vid större θ skulle vara delvis eller helt skadad, eller inte genereras alls. Således, forskarna drar slutsatsen att SCs endast kan observeras under vissa perioder, främst på senhösten, vinter, och tidig vår.

Slutsatser

Simuleringen av utbredningen av en plan elektromagnetisk våg genom den terrestra jonosfären med TID har utförts genom tillämpning av geometrisk optik. Den största fördelen med detta tillvägagångssätt är att få hela bilden av radiostrålars banor. Detta visar visuellt en bildning av kaustik i rymden under olika förhållanden för strålkällan eller/och jonosfären.

Forskarna rapporterar att SCs kan registreras i spektrogram för vissa höjdvinklar av solen. Vid relativt låga solhöjdsvinklar ( <25⁰), SC:erna kan genereras. Detta område av höjdvinklar motsvarar sen höst, vinter och tidig vår. Detta ger en bra förklaring av det säsongsberoende vid SC-förekomst, vilket har fastställts i en tidigare uppsats (Koval et al. 2017). Forskarna tror att detta modelleringsarbete, som också har en klargörande karaktär, krävs för att få en bättre förståelse av fokuseringseffekten som fortfarande är lite känd för samhällen av sol- och jonosfärforskare.