電離層擾動對太陽能動態光譜有何效應？

流動電離層擾動(TIDs)是地球電離層不規則現象之一。它們表示在電離層中傳播的波狀電子密度結構。TIDs的運動調節了空間中電子密度分布。它導致等離子體參數的改變，即折射率的改變，影響無線電波的傳播。在特殊情況下，等離子體參數的變化會強烈影響低頻電磁波，從而導致入射輻射的聚焦或放大(Meyer-Vernet et al. 1981)。聚焦效應表現為具有特定形態的特殊強度光譜擾動，即所謂的光譜焦散(SCs)，偶爾出現在運行在米- 10米波長範圍內的太陽射電儀器動態光譜中。

博科園-科學科普：在研究中研究人員首次將射線追蹤方法應用於攜帶MSTIDs的地球電離層，給出了中尺度流動電離層擾動(MSTIDs)對太陽輻射聚焦效應的模擬結果。模擬白天MSTIDs，典型參數橫向波長λ的TID 300公里和一段時間T的40分鐘(見圖1)。無線電射線軌跡的建模計算電離層通過使用一個演算法基於分段線性近似平滑軌跡的電離層分層和折射光束的方向發現斯涅爾定律。

（圖1）模擬無線電波(綠線)在105mhz (a)和75mhz (b)透過擾動電離層傳播的例子。射線分布均勻，距離1600 ~ 2000公里，間距4公里。起點海拔450公里。仰角等於8?。兩個面板中的直方圖顯示了落在地面4公里距離內的梁的數量。直方圖庫寬度為4km。圖片：Koval (2018)

模擬結果

在圖1中，顯示了兩個典型的例子：在模擬電離層中，頻率為105兆赫(a)和75兆赫(b)的無線電波(射電射線)的折射。射線從分布在1600到2000千米之間的點出來，沿水平距離4千米，高度450千米。高度角θ= 8?。每個面板顯示的是同一時刻無線電波圖像，只有無線電波頻率不同。在位於地面的接收點，接收到的射電射線數量被計算在內。在圖中，選擇距離範圍(cell) - 700-704 km -用紫色星號標記，紫色直方圖柱表示進入該距離範圍的射線數量。圖2顯示了計算的主要結果，這裡的光束密度已經增加，通過減少光束間距到1公里。

（圖2）在時間-頻率平面(即動態譜)中，通過計算在地球表面(假定的觀測地點)的固定1公里距離內接收到的射電射線的數量而得到的波束強度。模擬頻率解析度為1 MHz，時間解析度為2/15 min。動態光譜產生在不同太陽高度角:(一)2?,(b) 8?, (c) 14?20?(d)。顏色標度表示在假定觀測地點記錄的光束數。圖片：Koval (2018)

因此計算地表1km距離內入射波束的數量，模擬空間周期為300km的TIDs的傳播，每隔1/300時移動結構，即40/ 300min = 2/ 15min，同時以1mhz增量步長改變射電射線的頻率，在時頻域中記錄波束強度。研究人員模擬太陽動態光譜高度角θ等於2°,8°,14°,20°。每一個動態光譜都包括強度上的獨特光譜擾動，這種擾動可以被識別為SC。通過模擬，研究人員在之前的一項研究中確定了五種SCs中的四種類型，包括倒v型、x型和纖維型(Koval et al. 2017)。這證明了所引入的SCs分類的可靠性；其次，正確處理數值問題；第三，最後一種SCs需要進一步的研究來解釋，即，邊緣型。圖2顯示了一個典型的SC結構，它由前後信封和它們之間的主體組成。

（圖3）聚焦頻率與太陽仰角的關係，聚焦頻率的值(橙色方塊)每2?決定。圖片：Koval (2018)

圍護結構具有比內部更高的亮度，在某一收斂點相互靠近，以整個結構的峰值亮度為特徵。收斂點的頻率就是聚焦頻率。這意味著，利用電離層和太陽輻射的電流參數，地面觀測者處於TIDs形成的等離子體透鏡的焦點。在圖2 (a-d)中，頻率分別為125 MHz、105 MHz、73 MHz、48 MHz。聚焦頻率與太陽仰角的關係如圖3所示。從圖3可以看出，隨著仰角的增大，聚焦頻率迅速下降。高程角的低值與歐洲中緯度冬季太陽的典型位置相對應，部分時間為春季和秋季。基於模擬結果如圖2所示(d)θ= 20?,SC在大θ將部分或全部損壞或不生成。因此，研究人員推斷SCs可能只在某些特定時期被觀察到，主要在晚秋、冬季和早春。

結論

用幾何光學方法模擬平面電磁波通過電離層的傳播過程。這種方法的主要優點是能得到射電軌跡全貌。這直觀地顯示了在不同輻射源或/和電離層條件下，空間中苛性物質的形成。研究人員報告說：SCs可以用光譜圖記錄太陽的某些仰角。在太陽高度角較低(

博科園-科學科普｜by A. Koval, Cesra, Community of European Solar Radio Astronomers

研究/來自：歐洲太陽射電天文學家社區

參考期刊文獻:《地球物理研究》

論文DOI：doi.org/10.1029/2018JA025584

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