I disturbi ionosferici in viaggio (TID) sono tra le irregolarità della ionosfera terrestre. Rappresentano strutture di densità elettronica simili a onde che si propagano nella ionosfera. Il movimento dei TID modula la distribuzione della densità elettronica nello spazio. Porta ad una modifica dei parametri plasmatici, vale a dire l'indice di rifrazione, e influenza la propagazione delle onde radio. In casi particolari, le variazioni dei parametri del plasma influenzano fortemente le onde elettromagnetiche a frequenza più bassa che possono provocare focalizzazione o amplificazione della radiazione incidente (Meyer-Vernet et al. 1981). L'effetto di focalizzazione si manifesta sotto forma di peculiari disturbi spettrali di intensità con morfologia specifica, le cosiddette caustiche spettrali (SC), che appare occasionalmente negli spettri dinamici di strumenti radio solari che operano nella gamma di lunghezze d'onda metro-decametro.

In questo studio, per la prima volta, i ricercatori presentano i risultati della simulazione dell'effetto di focalizzazione dei disturbi ionosferici viaggianti su media scala (MSTID) sull'emissione radio solare applicando un metodo di ray-tracing alla ionosfera terrestre con gli MSTID. Per simulare gli MSTID diurni, hanno considerato i parametri tipici di un TID con lunghezza d'onda orizzontale di 300 km, e un periodo temporale T di 40 minuti (vedi Figura 1). Le traiettorie dei raggi radio nella ionosfera modellata sono state calcolate utilizzando un algoritmo basato sull'approssimazione lineare a tratti della traiettoria regolare di un fascio in cui la ionosfera è divisa in strati, e la direzione del fascio rifratto si trova con la legge di Snell.

Risultati della simulazione

Nella figura 1, sono mostrati due esempi rappresentativi di rifrazione delle onde radio (raggi radio) alle frequenze 105 MHz (a) e 75 MHz (b) nella ionosfera modellata. I raggi emergono da punti distribuiti tra 1600 e 2000 km con un passo di 4 km lungo la distanza orizzontale e posti a 450 km di altitudine. L'angolo di elevazione θ è uguale a 8⁰. Ogni pannello presenta un'immagine dei raggi radio nello stesso istante con l'unica differenza nella frequenza delle onde radio. In un punto di ricezione situato a livello del suolo, viene conteggiato il numero di raggi radio in arrivo. Nella figura, l'intervallo di distanze selezionato (cella) – 700-704 km – è contrassegnato da un asterisco viola, mentre le barre dell'istogramma viola indicano il numero di raggi che entrano in questo intervallo di distanza. Si registra un aumento del numero di raggi radio nella cella fino a 16 per 105 MHz e fino a 3 per 75 MHz.

La Figura 2 mostra il risultato principale dei nostri calcoli. Qui la densità del fascio è stata aumentata riducendo la spaziatura del fascio a 1 km. Perciò, è stato contato il numero di raggi in arrivo a 1 km di distanza sulla superficie del suolo, mentre la propagazione dei TID con il periodo spaziale di 300 km viene simulata spostando le strutture ogni 1/300 del periodo temporale T, cioè 40/300 min =2/15 min. Allo stesso tempo, modificando la frequenza dei raggi radio con un passo incrementale di 1 MHz, hanno registrato l'intensità del fascio nel dominio tempo-frequenza. I ricercatori hanno simulato gli spettri dinamici solari per angoli di elevazione pari a 2°, 8°, 14°, e 20°. Ogni spettro dinamico include una perturbazione spettrale distintiva di intensità che può essere riconosciuta come una SC.

Con la simulazione, i ricercatori hanno identificato quattro tipi di SC tra i cinque dichiarati da uno studio precedente, compreso il tipo di V invertito, a forma di X, e tipi simili a fibre (Koval et al. 2017). Ciò dimostra l'attendibilità della classificazione introdotta delle SC; in secondo luogo, la corretta trattazione numerica del problema; in terzo luogo, sono necessari ulteriori studi per la spiegazione dell'ultimo tipo di SC, cioè., il tipo a frangia.

La Figura 2 mostra che una tipica struttura SC è costituita da inviluppi anteriori e posteriori e un corpo tra di essi. Gli involucri hanno una luminosità maggiore rispetto all'interno e si avvicinano l'uno all'altro in corrispondenza di un certo punto di convergenza che è caratterizzato dal picco di luminosità dell'intera struttura. La frequenza del punto di convergenza è la frequenza di focalizzazione. Implica che con i parametri attuali della ionosfera e della radiazione solare, un osservatore terrestre è nel fuoco di una lente al plasma formata da TID. Nella Figura 2 (a-d) avviene a frequenze di 125 MHz, 105MHz, 73MHz, 48MHz, rispettivamente. La dipendenza della frequenza di messa a fuoco dall'angolo di elevazione solare è presentata nella Figura 3.

La figura 3 mostra che la frequenza di focalizzazione diminuisce rapidamente con la crescita dell'angolo di elevazione. I bassi valori dell'angolo di elevazione corrispondono a posizioni tipiche del Sole in inverno e parzialmente nei mesi primaverili e autunnali alle medie latitudini europee. Sulla base del risultato della simulazione in Figura 2(d) per =20⁰, una SC a θ maggiore sarebbe parzialmente o completamente danneggiata, o non essere generato affatto. Così, i ricercatori ne deducono che le SC possono essere osservate solo in determinati periodi, principalmente nel tardo autunno, inverno, e all'inizio della primavera.

Conclusioni

La simulazione della propagazione di un'onda elettromagnetica piana attraverso la ionosfera terrestre con TID è stata eseguita mediante l'applicazione di ottiche geometriche. Il vantaggio principale di questo approccio è ottenere il quadro completo delle traiettorie dei raggi radio. Ciò mostra visivamente una formazione di sostanze caustiche nello spazio in diverse condizioni di sorgente di radiazioni e/o ionosfera.

I ricercatori riferiscono che le SC possono essere registrate negli spettrogrammi per determinati angoli di elevazione del sole. Ad angoli di elevazione solare relativamente bassi ( <25⁰), le SC possono essere generate. Questa gamma di angoli di elevazione corrisponde al tardo autunno, inverno e all'inizio della primavera. Ciò fornisce una buona spiegazione della dipendenza stagionale nell'occorrenza di SC, che è stato stabilito in un precedente documento (Koval et al. 2017). I ricercatori ritengono che questo lavoro di modellazione, che ha anche un carattere elucidativo, è necessario per ottenere una migliore comprensione dell'effetto di focalizzazione che è ancora poco noto alle comunità di scienziati solari e ionosferici.