Reizende ionosfeerstoringen (TID's) behoren tot de onregelmatigheden in de ionosfeer van de aarde. Ze vertegenwoordigen golfachtige elektronendichtheidsstructuren die zich in de ionosfeer voortplanten. De beweging van TID's moduleert de verdeling van de elektronendichtheid in de ruimte. Het leidt tot een wijziging van plasmaparameters, namelijk de brekingsindex, en beïnvloedt de voortplanting van radiogolven. In bepaalde gevallen, de variaties van plasmaparameters hebben een sterke invloed op de laagfrequente elektromagnetische golven die kunnen leiden tot focussering of versterking van de invallende straling (Meyer-Vernet et al. 1981). Het focusseringseffect manifesteert zich in de vorm van eigenaardige spectrale verstoringen in intensiteit met een specifieke morfologie, zogenaamde spectrale logen (SC's), af en toe verschijnend in dynamische spectra van zonne-radio-instrumenten die werken in het golflengtebereik van een meter-decameter.

In dit onderzoek, Voor de eerste keer, onderzoekers presenteren simulatieresultaten van het focusserende effect van middelgrote reizende ionosferische storingen (MSTID's) op zonne-radio-emissie door een ray-tracing-methode toe te passen op de ionosfeer van de aarde met MSTID's. Om de MSTID's overdag te simuleren, ze beschouwden de typische parameters van een TID met een horizontale golflengte λ van 300 km, en een tijdsperiode T van 40 minuten (zie figuur 1). Radiostraaltrajecten in de gemodelleerde ionosfeer werden berekend met behulp van een algoritme gebaseerd op de stuksgewijze lineaire benadering van het vloeiende traject van een bundel waarin de ionosfeer is verdeeld in lagen, en de richting van de gebroken bundel wordt gevonden met de wet van Snellius.

Simulatie resultaten

In figuur 1 twee representatieve voorbeelden van breking van radiogolven (radiostralen) bij frequenties 105 MHz (a) en 75 MHz (b) in de gemodelleerde ionosfeer worden getoond. De stralen komen uit punten verdeeld tussen 1600 en 2000 km met een stap van 4 km langs horizontale afstand en geplaatst op 450 km hoogte. De elevatiehoek is gelijk aan 8⁰. Elk paneel geeft een beeld van radiostralen op hetzelfde moment met het enige verschil in radiogolffrequentie. Op een ontvangstpunt op de begane grond, het aantal inkomende radiostralen wordt geteld. In de figuur, het geselecteerde afstandsbereik (cel) – 700-704 km – is gemarkeerd met een paars sterretje, terwijl de paarse histogrambalken het aantal stralen aangeven dat binnen dit afstandsbereik valt. Een toename van het aantal radiostralen in de cel tot 16 voor 105 MHz en tot 3 voor 75 MHz wordt geregistreerd.

Figuur 2 toont het belangrijkste resultaat van onze berekeningen. Hier is de bundeldichtheid verhoogd door de bundelafstand te verkleinen tot 1 km. Daarom, het aantal inkomende stralen op 1 km afstand aan het grondoppervlak werd geteld, terwijl de voortplanting van TID's met een ruimtelijke periode van 300 km wordt gesimuleerd door de structuren elke 1/300 van de tijdsperiode T te verplaatsen, d.w.z. 40/300 min =2/15 min. Tegelijkertijd, door de frequentie van radiostralen te veranderen met een incrementele stap van 1 MHz, ze registreerden de bundelintensiteit in het tijdfrequentiedomein. De onderzoekers simuleerden de zonne-dynamische spectra voor elevatiehoeken θ gelijk aan 2°, 8°, 14°, en 20°. Elk dynamisch spectrum omvat een kenmerkende spectrale verstoring in intensiteit die kan worden herkend als een SC.

Met de simulatie, de onderzoekers identificeerden vier soorten SC's onder de vijf die in een eerdere studie waren aangegeven, inclusief de omgekeerde V-achtige, X-achtig, en vezelachtige typen (Koval et al. 2017). Dit bewijst de betrouwbaarheid van de ingevoerde classificatie van de SC's; ten tweede, de juiste cijfermatige behandeling van de problematiek; ten derde, verdere studies zijn nodig voor de verklaring van het laatste type SC's, d.w.z., het franjeachtige type.

Figuur 2 laat zien dat een typische SC-structuur bestaat uit voor- en achterenveloppen en een lichaam ertussen. De enveloppen hebben een hogere helderheid dan het interieur en naderen elkaar op een bepaald convergerend punt dat wordt gekenmerkt door de piekhelderheid van de hele structuur. De frequentie van het convergente punt is de focusfrequentie. Het impliceert dat met de huidige parameters van de ionosfeer en zonnestraling, een grondwaarnemer staat in het brandpunt van een plasmalens gevormd door TID's. In figuur 2 (a-d) gebeurt het bij frequenties van 125 MHz, 105 MHz, 73 MHz, 48 MHz, respectievelijk. De afhankelijkheid van de focusfrequentie van de elevatiehoek van de zon wordt weergegeven in figuur 3.

Figuur 3 laat zien dat de focusfrequentie snel daalt met de groei van de elevatiehoek. De lage waarden van de elevatiehoek komen overeen met typische posities van de zon in de winter en gedeeltelijk in de lente- en herfstmaanden op de middelste breedtegraden van Europa. Gebaseerd op het simulatieresultaat in figuur 2(d) voor θ =20⁰, een SC bij grotere θ zou gedeeltelijk of volledig beschadigd zijn, of helemaal niet worden gegenereerd. Dus, de onderzoekers concluderen dat de SC's alleen in bepaalde perioden kunnen worden waargenomen, vooral in de late herfst, winter, en het vroege voorjaar.

conclusies

De simulatie van de voortplanting van een vlakke elektromagnetische golf door de terrestrische ionosfeer met TID's is uitgevoerd door toepassing van geometrische optica. Het belangrijkste voordeel van deze benadering is het verkrijgen van een volledig beeld van de banen van radiostralen. Dit toont visueel een vorming van bijtende stoffen in de ruimte onder verschillende omstandigheden van stralingsbron en/en ionosfeer.

De onderzoekers melden dat de SC's kunnen worden vastgelegd in spectrogrammen voor bepaalde elevatiehoeken van de zon. Bij relatief lage zonne-elevatiehoeken ( <25⁰), de SC's kunnen worden gegenereerd. Dit bereik van elevatiehoeken komt overeen met late herfst, winter en vroege lente. Dit geeft een goede verklaring voor de seizoensafhankelijkheid in het optreden van SC, die is vastgesteld in een eerder artikel (Koval et al. 2017). De onderzoekers geloven dat dit modelleren werkt, dat ook een verhelderend karakter heeft, is nodig om een ​​beter begrip te krijgen van het focusseringseffect dat nog weinig bekend is bij gemeenschappen van zonne- en ionosferische wetenschappers.