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Observation of eclipse shadow bands using high altitude balloon and ground-based photodiode arrays
Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics ( IF 1.9 ) Pub Date : 2020-12-01 , DOI: 10.1016/j.jastp.2020.105420
Janvi P. Madhani , Grace E. Chu , Carlos Vazquez Gomez , Sinjon Bartel , Russell J. Clark , Lou W. Coban , Marshall Hartman , Edward M. Potosky , Sandhya M. Rao , David A. Turnshek

Abstract The results of an investigation into whether or not eclipse shadow bands have an atmospheric origin are presented. Using high altitude balloon and ground-based photodiode arrays during the August 21, 2017 total solar eclipse, data revealing the light patterns before and after totality were collected at 600 Hz. These data were then analyzed using spectrograms, which provide information on intensity fluctuations in the frequency space time domain. Both at the altitude of the balloon ( ~ 25 km) and on the ground, a sustained ~ 4.5 Hz signal was detected a few minutes before and after totality. This signal was coherent over a scale greater than 10 cm and detected in four separate balloon photodiodes and 16 separate ground photodiodes. At higher frequencies, up to at least 30 Hz, brief chaotic signals that were disorganized as a function of time were detected on the ground, but not at the altitude of the balloon. These higher frequency signals, which we attribute to atmospheric scintillation, appeared mostly uncorrelated over a length scale of 10 cm. Some of our ground arrays utilized red and blue filters, but neither the sustained 4.5 Hz signal nor the chaotic higher frequency signals showed a strong dependence on filter color. On the ground we made a video of the shadow bands on a scaled white screen. We judged that the bands were roughly parallel to the orientation of the bright thin crescent Sun before and after totality. Thus, if the ν ≈ 4.5 Hz frequency signal is identified with the peak-to-peak shadow band wavelength of λ ≈ 13 cm measured in the video, it can be inferred that their propagation velocity was about v ≈ 59 cm s − 1 ( ≈ 2.1 km h r − 1 ). Shadow band signals other than the sustained signal at ~ 4.5 Hz are consistent with atmospheric scintillation theory. These results are surprising. Based on accounts in the literature we expected to confirm the atmospheric scintillation theory of eclipse shadow bands, but instead we detected a sustained ~ 4.5 Hz signal at both high altitude and on the ground, consistent with the type of shadow band signal visual observers often report before and after totality. This signal cannot be due to atmospheric scintillation and we ran a check to make sure this signal is not an artifact of our electronics. We recommend that additional searches for eclipse shadow bands be made at high altitude in the future.

中文翻译:

使用高空气球和地面光电二极管阵列观测日食阴影带

摘要 介绍了日食阴影带是否起源于大气层的调查结果。在 2017 年 8 月 21 日日全食期间使用高空气球和地面光电二极管阵列,以 600 Hz 的频率收集了揭示全食前后光模式的数据。然后使用频谱图对这些数据进行分析,频谱图提供有关频率空间时域中强度波动的信息。在气球的高度(~25 公里)和地面上,在全食前后几分钟检测到持续的~4.5 Hz 信号。该信号在大于 10 厘米的尺度上是相干的,并在四个独立的气球光电二极管和 16 个独立的地面光电二极管中检测到。在更高的频率下,至少高达 30 Hz,在地面上检测到了随着时间的推移而杂乱无章的短暂混乱信号,但在气球的高度没有检测到。我们将这些高频信号归因于大气闪烁,在 10 厘米的长度范围内似乎大多不相关。我们的一些地面阵列使用了红色和蓝色滤光片,但持续的 4.5 Hz 信号和混沌的高频信号都没有表现出对滤光片颜色的强烈依赖。在地面上,我们在缩放的白色屏幕上制作了阴影带的视频。我们判断这些带在整体前后大致平行于明亮的薄月牙形太阳的方向。因此,如果 ν ≈ 4.5 Hz 频率信号与视频中测量的 λ ≈ 13 cm 峰峰值阴影带波长识别,可以推断出它们的传播速度约为 v ≈ 59 cm s − 1 (≈ 2.1 km hr − 1 )。4.5 Hz 处持续信号以外的阴影带信号与大气闪烁理论一致。这些结果令人惊讶。根据文献中的描述,我们希望证实日食阴影带的大气闪烁理论,但我们在高空和地面上都检测到了持续的 ~ 4.5 Hz 信号,这与目视观察者经常报告的阴影带信号类型一致在全食之前和之后。该信号不可能是由于大气闪烁引起的,我们进行了检查以确保该信号不是我们电子设备的人工制品。我们建议将来在高海拔地区进行额外的日食阴影带搜索。4.5 Hz 处持续信号以外的阴影带信号与大气闪烁理论一致。这些结果令人惊讶。根据文献中的描述,我们希望证实日食阴影带的大气闪烁理论,但我们在高空和地面上都检测到了持续的 ~ 4.5 Hz 信号,这与目视观察者经常报告的阴影带信号类型一致在全食之前和之后。该信号不可能是由于大气闪烁引起的,我们进行了检查以确保该信号不是我们电子设备的人工制品。我们建议将来在高海拔地区进行额外的日食阴影带搜索。4.5 Hz 处持续信号以外的阴影带信号与大气闪烁理论一致。这些结果令人惊讶。根据文献中的描述,我们希望证实日食阴影带的大气闪烁理论,但我们在高空和地面上都检测到了持续的 ~ 4.5 Hz 信号,这与目视观察者经常报告的阴影带信号类型一致在全食之前和之后。该信号不可能是由于大气闪烁引起的,我们进行了检查以确保该信号不是我们电子设备的人工制品。我们建议将来在高海拔地区进行额外的日食阴影带搜索。根据文献中的描述,我们希望证实日食阴影带的大气闪烁理论,但我们在高空和地面上都检测到了持续的 ~ 4.5 Hz 信号,这与目视观察者经常报告的阴影带信号类型一致在全食之前和之后。该信号不可能是由于大气闪烁引起的,我们进行了检查以确保该信号不是我们电子设备的人工制品。我们建议将来在高海拔地区进行额外的日食阴影带搜索。根据文献中的描述,我们希望证实日食阴影带的大气闪烁理论,但我们在高空和地面上都检测到了持续的 ~ 4.5 Hz 信号,这与目视观察者经常报告的阴影带信号类型一致在全食之前和之后。该信号不可能是由于大气闪烁引起的,我们进行了检查以确保该信号不是我们电子设备的人工制品。我们建议将来在高海拔地区进行额外的日食阴影带搜索。该信号不可能是由于大气闪烁引起的,我们进行了检查以确保该信号不是我们电子设备的人工制品。我们建议将来在高海拔地区进行额外的日食阴影带搜索。该信号不可能是由于大气闪烁引起的,我们进行了检查以确保该信号不是我们电子设备的人工制品。我们建议将来在高海拔地区进行额外的日食阴影带搜索。
更新日期:2020-12-01
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