Os distúrbios ionosféricos viajantes (TIDs) estão entre as irregularidades da ionosfera terrestre. Eles representam estruturas de densidade de elétrons semelhantes a ondas que se propagam na ionosfera. O movimento dos TIDs modula a distribuição da densidade eletrônica no espaço. Isso leva a uma modificação dos parâmetros do plasma, ou seja, o índice de refração, e afeta a propagação das ondas de rádio. Em casos particulares, as variações dos parâmetros do plasma afetam fortemente as ondas eletromagnéticas de baixa frequência que podem resultar na focalização ou amplificação da radiação incidente (Meyer-Vernet et al. 1981). O efeito de foco se manifesta na forma de distúrbios espectrais peculiares em intensidade com morfologia específica, os chamados cáusticos espectrais (SCs), ocasionalmente aparecendo em espectros dinâmicos de instrumentos de rádio solar operando na faixa de comprimento de onda metro-decâmetro.

Neste estudo, pela primeira vez, pesquisadores apresentam resultados de simulação do efeito de foco de distúrbios ionosféricos em viagem de média escala (MSTIDs) na emissão de rádio solar, aplicando um método de rastreamento de raios à ionosfera da Terra com MSTIDs. Para simular os MSTIDs diurnos, eles consideraram os parâmetros típicos de um TID com comprimento de onda horizontal λ de 300 km, e um período temporal T de 40 minutos (ver Figura 1). As trajetórias de raios de rádio na ionosfera modelada foram calculadas usando um algoritmo baseado na aproximação linear por partes da trajetória suave de um feixe no qual a ionosfera é dividida em camadas, e a direção do feixe refratado é encontrada com a lei de Snell.

Resultados simulados

Na Figura 1, dois exemplos representativos de refração de ondas de rádio (raios de rádio) em frequências 105 MHz (a) e 75 MHz (b) na ionosfera modelada são mostrados. Os raios emergem de pontos distribuídos entre 1600 e 2000 km com um passo de 4 km ao longo da distância horizontal e colocados a 450 km de altitude. O ângulo de elevação θ é igual a 8⁰. Cada painel apresenta uma imagem de raios de rádio no mesmo instante com a única diferença na freqüência das ondas de rádio. Em um ponto de recebimento localizado no nível do solo, o número de raios de rádio entrantes é contado. Na figura, o intervalo selecionado de distâncias (célula) - 700-704 km - é marcado por um asterisco roxo, enquanto as barras roxas do histograma indicam o número de raios que entram nesta faixa de distância. É registrado um aumento do número de feixes de rádio na célula de até 16 para 105 MHz e até 3 para 75 MHz.

A Figura 2 mostra o principal resultado de nossos cálculos. Aqui, a densidade do feixe foi aumentada reduzindo o espaçamento do feixe para 1 km. Portanto, o número de feixes de entrada em uma distância de 1 km na superfície do solo foi contado, enquanto a propagação de TIDs com o período espacial de 300 km é simulada movendo as estruturas a cada 1/300 do período temporal T, ou seja, 40/300 min =2/15 min. Ao mesmo tempo, alterando a frequência dos raios de rádio com um passo incremental de 1 MHz, eles registraram a intensidade do feixe no domínio da frequência do tempo. Os pesquisadores simularam os espectros dinâmicos solares para ângulos de elevação θ igual a 2 °, 8 °, 14 °, e 20 °. Cada espectro dinâmico inclui perturbação espectral distinta em intensidade que pode ser reconhecida como um SC.

Com a simulação, os pesquisadores identificaram quatro tipos de SCs entre os cinco declarados por um estudo anterior, incluindo o V invertido, Como X, e tipos de fibra (Koval et al. 2017). Isso prova a confiabilidade da classificação introduzida dos SCs; em segundo lugar, o correto tratamento numérico do problema; em terceiro lugar, mais estudos são necessários para explicação do último tipo de SCs, ou seja, o tipo franja.

A Figura 2 mostra que uma estrutura SC típica consiste em envelopes frontal e traseiro e um corpo entre eles. Os envoltórios possuem brilho maior que o interior e se aproximam em um determinado ponto convergente que se caracteriza pelo brilho máximo de toda a estrutura. A frequência do ponto convergente é a frequência de foco. Isso implica que, com os parâmetros atuais da ionosfera e da radiação solar, um observador terrestre está no foco de uma lente de plasma formada por TIDs. Na Figura 2 (a-d) isso acontece nas frequências de 125 MHz, 105 MHz, 73 MHz, 48 MHz, respectivamente. A dependência da frequência de foco no ângulo de elevação solar é apresentada na Figura 3.

A Figura 3 mostra que a frequência de foco cai rapidamente com o aumento do ângulo de elevação. Os baixos valores do ângulo de elevação correspondem às posições típicas do Sol no inverno e parcialmente nos meses de primavera e outono nas latitudes médias da Europa. Com base no resultado da simulação na Figura 2 (d) para θ =20⁰, um SC em θ maior seria parcial ou completamente danificado, ou não ser gerado. Assim, os pesquisadores inferem que os CSs podem ser observados apenas em determinados períodos, principalmente no final do outono, inverno, e início da primavera.

Conclusões

A simulação da propagação de uma onda eletromagnética plana através da ionosfera terrestre com TIDs tem sido realizada por aplicação de óptica geométrica. A principal vantagem dessa abordagem é obter uma imagem completa das trajetórias dos raios de rádio. Isso mostra visualmente uma formação de cáusticos no espaço sob diferentes condições de fonte de radiação ou / e ionosfera.

Os pesquisadores relatam que os SCs podem ser registrados em espectrogramas para certos ângulos de elevação do sol. Em ângulos de elevação solar relativamente baixos ( <25⁰), os SCs podem ser gerados. Esta faixa de ângulos de elevação corresponde ao final do outono, inverno e início da primavera. Isso fornece uma boa explicação da dependência sazonal na ocorrência de SC, que foi estabelecido em um artigo anterior (Koval et al. 2017). Os pesquisadores acreditam que este trabalho de modelagem, que também tem um caráter elucidativo, é necessário para obter uma melhor compreensão do efeito de foco que ainda é pouco conhecido pelas comunidades de cientistas solares e ionosféricos.