Las perturbaciones ionosféricas viajeras (TID) se encuentran entre las irregularidades de la ionosfera de la Tierra. Representan estructuras onduladas de densidad de electrones que se propagan en la ionosfera. El movimiento de los TID modula la distribución de la densidad de electrones en el espacio. Conduce a una modificación de los parámetros plasmáticos, a saber, el índice de refracción, y afecta la propagación de ondas de radio. En casos particulares, las variaciones de los parámetros del plasma afectan fuertemente las ondas electromagnéticas de baja frecuencia que pueden resultar en el enfoque o amplificación de la radiación incidente (Meyer-Vernet et al. 1981). El efecto de enfoque se manifiesta en forma de perturbaciones espectrales peculiares en intensidad con morfología específica, los llamados cáusticos espectrales (SC), apareciendo ocasionalmente en espectros dinámicos de instrumentos de radio solares que operan en el rango de longitud de onda metro-decámetro.

En este estudio, por primera vez, Los investigadores presentan resultados de simulación del efecto de enfoque de las perturbaciones ionosféricas viajeras de mediana escala (MSTID) en la emisión de radio solar mediante la aplicación de un método de trazado de rayos a la ionosfera de la Tierra con MSTID. Para simular los MSTID diurnos, consideraron los parámetros típicos de un TID con longitud de onda horizontal λ de 300 km, y un período temporal T de 40 minutos (ver Figura 1). Las trayectorias de los rayos de radio en la ionosfera modelada se calcularon utilizando un algoritmo basado en la aproximación lineal por partes de la trayectoria suave de un haz en el que la ionosfera se divide en capas, y la dirección del haz refractado se encuentra con la ley de Snell.

Resultados de la simulación

En la Figura 1, Se muestran dos ejemplos representativos de refracción de ondas de radio (rayos de radio) en las frecuencias de 105 MHz (a) y 75 MHz (b) en la ionosfera modelada. Los rayos emergen de puntos distribuidos entre 1600 y 2000 km con un paso de 4 km a lo largo de la distancia horizontal y colocados a 450 km de altitud. El ángulo de elevación θ es igual a 8⁰. Cada panel presenta una imagen de rayos de radio en el mismo instante con la única diferencia en la frecuencia de las ondas de radio. En un punto de recepción ubicado a nivel del suelo, se cuenta el número de rayos de radio entrantes. En la figura, el rango de distancias seleccionado (celda) - 700-704 km - está marcado con un asterisco púrpura, mientras que las barras de histograma de color púrpura indican el número de rayos que entran en este rango de distancia. Se registra un aumento del número de haces de radio en la celda hasta 16 para 105 MHz y hasta 3 para 75 MHz.

La Figura 2 muestra el resultado principal de nuestros cálculos. Aquí, la densidad del haz se ha incrementado reduciendo el espaciado del haz a 1 km. Por lo tanto, se contó el número de haces entrantes en una distancia de 1 km en la superficie del suelo, mientras que la propagación de TID con el período espacial de 300 km se simula moviendo las estructuras cada 1/300 del período temporal T, es decir, 40/300 min =2/15 min. Al mismo tiempo, cambiando la frecuencia de los rayos de radio con un paso incremental de 1 MHz, registraron la intensidad del haz en el dominio de tiempo-frecuencia. Los investigadores simularon los espectros dinámicos solares para ángulos de elevación θ igual a 2 °, 8 °, 14 °, y 20 °. Cada espectro dinámico incluye una perturbación espectral distintiva en intensidad que puede reconocerse como un SC.

Con la simulación, los investigadores identificaron cuatro tipos de SC entre los cinco declarados por un estudio anterior, incluyendo la forma de V invertida, Como X, y tipos de fibras (Koval et al. 2017). Esto prueba la fiabilidad de la clasificación introducida de los SC; en segundo lugar, el correcto tratamiento numérico del problema; en tercer lugar, se requieren más estudios para explicar el último tipo de SC, es decir., el tipo de flecos.

La Figura 2 muestra que una estructura SC típica consta de sobres delanteros y traseros y un cuerpo entre ellos. Las envolventes tienen un brillo más alto que el interior y se acercan entre sí en un cierto punto de convergencia que se caracteriza por el brillo máximo de toda la estructura. La frecuencia del punto convergente es la frecuencia de enfoque. Implica que con los parámetros actuales de la ionosfera y la radiación solar, un observador terrestre está en el foco de una lente de plasma formada por TID. En la Figura 2 (a-d) sucede a frecuencias de 125 MHz, 105 MHz, 73 MHz, 48 MHz, respectivamente. La dependencia de la frecuencia de enfoque del ángulo de elevación solar se presenta en la Figura 3.

La figura 3 muestra que la frecuencia de enfoque cae rápidamente con el crecimiento del ángulo de elevación. Los valores bajos del ángulo de elevación corresponden a posiciones típicas del Sol en invierno y parcialmente en los meses de primavera y otoño en latitudes medias de Europa. Basado en el resultado de la simulación en la Figura 2 (d) para θ =20⁰, un SC de mayor θ estaría parcial o completamente dañado, o no generarse en absoluto. Por lo tanto, los investigadores infieren que los SC pueden observarse solo en ciertos períodos, principalmente a finales del otoño, invierno, y principios de la primavera.

Conclusiones

La simulación de la propagación de una onda electromagnética plana a través de la ionosfera terrestre con TID se ha realizado mediante la aplicación de óptica geométrica. La principal ventaja de este enfoque es obtener una imagen completa de las trayectorias de los rayos de radio. Esto muestra visualmente una formación de cáusticos en el espacio bajo diferentes condiciones de fuente de radiación y / e ionosfera.

Los investigadores informan que los SC pueden registrarse en espectrogramas para ciertos ángulos de elevación del sol. En ángulos de elevación solar relativamente bajos ( <25⁰), se pueden generar los SC. Este rango de ángulos de elevación corresponde a finales del otoño, invierno y principios de primavera. Esto proporciona una buena explicación de la dependencia estacional en la ocurrencia de SC, que se ha establecido en un artículo anterior (Koval et al.2017). Los investigadores creen que este trabajo de modelado, que tiene también un carácter elucidativo, es necesario para obtener una mejor comprensión del efecto de enfoque que aún es poco conocido por las comunidades de científicos solares e ionosféricos.