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    电离层扰动对太阳能动态光谱有何效应?

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      流动电离层扰动(TIDs)是地球电离层不规则现象之一。它们表示在电离层中传播的波状电子密度结构。TIDs的运动调节了空间中电子密度分布。它导致等离子体参数的改变,即折射率的改变,影响无线电波的传播。在特殊情况下,等离子体参数的变化会强烈影响低频电磁波,从而导致入射辐射的聚焦或放大(Meyer-Vernet et al. 1981)。聚焦效应表现为具有特定形态的特殊强度光谱扰动,即所谓的光谱焦散(SCs),偶尔出现在运行在米- 10米波长范围内的太阳射电仪器动态光谱中。

      电离层扰动对太阳能动态光谱有何效应?

      博科园-科学科普:在研究中研究人员首次将射线追踪方法应用于携带MSTIDs的地球电离层,给出了中尺度流动电离层扰动(MSTIDs)对太阳辐射聚焦效应的模拟结果。模拟白天MSTIDs,典型参数横向波长λ的TID 300公里和一段时间T的40分钟(见图1)。无线电射线轨迹的建模计算电离层通过使用一个算法基于分段线性近似平滑轨迹的电离层分层和折射光束的方向发现斯涅尔定律。

      电离层扰动对太阳能动态光谱有何效应?

      (图1)模拟无线电波(绿线)在105mhz (a)和75mhz (b)透过扰动电离层传播的例子。射线分布均匀,距离1600 ~ 2000公里,间距4公里。起点海拔450公里。仰角等于8⁰。两个面板中的直方图显示了落在地面4公里距离内的梁的数量。直方图库宽度为4km。图片:Koval (2018)

      模拟结果

      在图1中,显示了两个典型的例子:在模拟电离层中,频率为105兆赫(a)和75兆赫(b)的无线电波(射电射线)的折射。射线从分布在1600到2000千米之间的点出来,沿水平距离4千米,高度450千米。高度角θ= 8⁰。每个面板显示的是同一时刻无线电波图像,只有无线电波频率不同。在位于地面的接收点,接收到的射电射线数量被计算在内。在图中,选择距离范围(cell) – 700-704 km -用紫色星号标记,紫色直方图柱表示进入该距离范围的射线数量。图2显示了计算的主要结果,这里的光束密度已经增加,通过减少光束间距到1公里。

      电离层扰动对太阳能动态光谱有何效应?

      (图2)在时间-频率平面(即动态谱)中,通过计算在地球表面(假定的观测地点)的固定1公里距离内接收到的射电射线的数量而得到的波束强度。模拟频率分辨率为1 MHz,时间分辨率为2/15 min。动态光谱产生在不同太阳高度角:(一)2⁰,(b) 8⁰, (c) 14⁰20⁰(d)。颜色标度表示在假定观测地点记录的光束数。图片:Koval (2018)

      因此计算地表1km距离内入射波束的数量,模拟空间周期为300km的TIDs的传播,每隔1/300时移动结构,即40/ 300min = 2/ 15min,同时以1mhz增量步长改变射电射线的频率,在时频域中记录波束强度。研究人员模拟太阳动态光谱高度角θ等于2°,8°,14°,20°。每一个动态光谱都包括强度上的独特光谱扰动,这种扰动可以被识别为SC。通过模拟,研究人员在之前的一项研究中确定了五种SCs中的四种类型,包括倒v型、x型和纤维型(Koval et al. 2017)。这证明了所引入的SCs分类的可靠性;其次,正确处理数值问题;第三,最后一种SCs需要进一步的研究来解释,即,边缘型。图2显示了一个典型的SC结构,它由前后信封和它们之间的主体组成。

      电离层扰动对太阳能动态光谱有何效应?

      (图3)聚焦频率与太阳仰角的关系,聚焦频率的值(橙色方块)每2⁰决定。图片:Koval (2018)

      围护结构具有比内部更高的亮度,在某一收敛点相互靠近,以整个结构的峰值亮度为特征。收敛点的频率就是聚焦频率。这意味着,利用电离层和太阳辐射的电流参数,地面观测者处于TIDs形成的等离子体透镜的焦点。在图2 (a-d)中,频率分别为125 MHz、105 MHz、73 MHz、48 MHz。聚焦频率与太阳仰角的关系如图3所示。从图3可以看出,随着仰角的增大,聚焦频率迅速下降。高程角的低值与欧洲中纬度冬季太阳的典型位置相对应,部分时间为春季和秋季。基于模拟结果如图2所示(d)θ= 20⁰,SC在大θ将部分或全部损坏或不生成。因此,研究人员推断SCs可能只在某些特定时期被观察到,主要在晚秋、冬季和早春。

      结论

      电离层扰动对太阳能动态光谱有何效应?

      用几何光学方法模拟平面电磁波通过电离层的传播过程。这种方法的主要优点是能得到射电轨迹全貌。这直观地显示了在不同辐射源或/和电离层条件下,空间中苛性物质的形成。研究人员报告说:SCs可以用光谱图记录太阳的某些仰角。在太阳高度角较低(< 25⁰),SCs可以生成。这个仰角范围对应于晚秋、冬季和早春。这为SC发生的季节依赖性提供了一个很好的解释,这在之前的一篇论文(Koval et al. 2017)中已经建立。研究人员认为,这种模型工作也具有解释性,需要更好地理解太阳和电离层科学家群体仍然知之甚少的聚焦效应。

      博科园-科学科普|by A. Koval, Cesra, Community of European Solar Radio Astronomers

      研究/来自:欧洲太阳射电天文学家社区

      参考期刊文献:《地球物理研究》

      论文DOI:doi.org/10.1029/2018JA025584

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