Nadie tiene una comprensión firme de las dimensiones y la actividad de la parte más baja de nuestra atmósfera superior, conocida como la región D ionosférica, porque es literalmente un objetivo en movimiento. Ubicado a 40 a 60 millas sobre la superficie de la Tierra, la región se mueve hacia arriba y hacia abajo, dependiendo de la hora del día. Y es casi imposible de monitorear:es demasiado alto para aviones y globos de investigación, demasiado bajo para satélites, y no lo suficientemente denso para que suene la radio directa.

Comprender la región D hace más que beneficiar la investigación científica. También puede afectar a una amplia gama de tecnologías militares, incluida la mejora de la precisión y resolución de los sistemas de navegación de baja frecuencia. Estos sistemas pueden ser alternativas al GPS y son de creciente importancia para los militares.

La solución, los investigadores descubrieron, son tormentas eléctricas. Midiendo las ondas electromagnéticas producidas por los rayos, los investigadores pudieron rastrear el camino del rayo para diagnosticar la densidad electrónica de la región.

Escrito en coautoría por los estudiantes de ingeniería Sandeep Sarker (MS '17) y Chad Renick (BS '17, MS '18, actual Ph.D. candidato), el estudio fue publicado en diciembre en Cartas de investigación geofísica . El estudio fue apoyado por subvenciones de la National Science Foundation y el National Science Center, Polonia.

Invertir el camino del rayo para diagnosticar la atmósfera

Durante una tormenta, un relámpago envía una amplia gama de frecuencias electromagnéticas. La velocidad de esas ondas cambia según las condiciones de la atmósfera superior. Investigaciones teóricas anteriores midieron las ondas electromagnéticas para medir el origen del rayo.

"Como que revirtí el problema, "dice el autor del estudio Mark Golkowski, Doctor., profesor asociado de ingeniería eléctrica y bioingeniería en la Facultad de Ingeniería, Diseño y Computación. "Si supiera de dónde vienen los rayos, entonces podría diagnosticar con precisión la atmósfera superior a lo largo del camino que recorrió ".

Golkowski midió la velocidad de grupo del rayo, la velocidad a la que viaja la energía de una onda. Específicamente, Golkowski midió la velocidad del componente de frecuencia extremadamente baja (ELF) de las ondas. La velocidad de grupo de las ondas ELF es significativamente menor que la velocidad de la luz y las ondas se ven más afectadas por el perfil de densidad de electrones de la atmósfera. Al conocer su camino recorrido, Golkowski pudo diagnosticar la región D.

Usó datos de Vasaila, un proveedor global en medición ambiental e industrial, que rastrea el rango de baja frecuencia de aproximadamente el 80 por ciento de los rayos del mundo. Golkowski también aprovechó su asociación con Worldwide ELF Radiolocation Array (WERA), que opera tres receptores internacionales:en Colorado, Argentina y Polonia. Debido a que hay de 40 a 100 rayos por segundo, Golkowski pudo extraer cantidades masivas de datos globales.

Un cambio de juego para la seguridad militar y la investigación espacial

Midiendo ondas ELF, Golkowski pudo proporcionar un diagnóstico a gran escala de la región D, midiendo su densidad, altura y qué tan rápido cambia:un cambio de juego para la investigación espacial cercana a la Tierra, pero también seguridad militar.

La alta resolución y precisión de la navegación GPS actual, en nuestros automóviles, en nuestros teléfonos, en nuestras muñecas - se basa en satélites 12, 000 millas sobre la superficie de la Tierra. La distancia que tienen que recorrer estas señales de alta frecuencia las debilita y las hace vulnerables a interferencias o falsificaciones. engañar a un receptor transmitiendo señales falsas. Molesto para los viajeros por carretera, potencialmente catastrófico para las fuerzas terrestres.

Vieja escuela, navegación global de baja frecuencia, sin embargo, se basa en transmisores terrestres que hacen rebotar una señal desde la atmósfera superior inferior, ping-pong de todo el mundo a los usuarios. Tales sistemas evitan el 12, Viaje de 000 millas necesario para llegar a un satélite y son mucho más resistentes a interferencias y falsificaciones. Pero el estado y la actividad desconocidos de la atmósfera superior limitaron la precisión a aproximadamente un radio de una milla, lo cual estaba bien para los barcos y submarinos que lo usaban para navegar por el océano.

Ahora, los investigadores pueden utilizar los hallazgos de Golkowski para mejorar la resolución y precisión de la navegación de baja frecuencia, lo que podría convertirlo en una copia de seguridad fundamental de la tecnología actual.

Más allá de los avances en los sistemas de navegación de baja frecuencia, la investigación también afectará a una amplia gama de investigaciones espaciales cercanas a la Tierra.

"La región D es también donde comienza el estado de plasma del espacio exterior, "dice Golkowski." Esta técnica podría responder, en términos de ciencia básica, el efecto de una llamarada solar en nuestra atmósfera superior. Lo mismo ocurre con la física detrás de cualquier perturbación inesperada como una tormenta solar o un eclipse solar ".