Ninguém tem um domínio firme sobre as dimensões e atividades da parte mais baixa de nossa atmosfera superior, conhecida como a região ionosférica D, porque é literalmente um alvo em movimento. Localizado 40 a 60 milhas acima da superfície da Terra, a região se move para cima e para baixo, dependendo da hora do dia. E é quase impossível de monitorar:é muito alto para aviões e balões de pesquisa, muito baixo para satélites, e não é denso o suficiente para som de rádio direto.

Compreender a região D faz mais do que beneficiar a pesquisa científica. Também pode afetar uma ampla gama de tecnologias militares, incluindo a melhoria da precisão e resolução dos sistemas de navegação de baixa frequência. Esses sistemas podem ser alternativas ao GPS e são de importância crescente para os militares.

A solução, pesquisadores descobriram, são tempestades com raios. Ao medir as ondas eletromagnéticas produzidas por raios, os pesquisadores foram capazes de refazer o caminho do relâmpago para diagnosticar a densidade de elétrons da região.

Co-autoria dos estudantes de engenharia Sandeep Sarker (MS '17) e Chad Renick (BS '17, MS '18, atual Ph.D. candidato), o estudo foi publicado em dezembro em Cartas de pesquisa geofísica . O estudo foi financiado por doações da National Science Foundation e do National Science Center, Polônia.

Revertendo o caminho do relâmpago para diagnosticar a atmosfera

Durante uma tempestade, um relâmpago envia uma ampla gama de frequências eletromagnéticas. A velocidade dessas ondas muda com base nas condições da alta atmosfera. Pesquisas teóricas anteriores mediram as ondas eletromagnéticas para avaliar a origem do raio.

"Eu meio que reverti o problema, "diz o autor do estudo Mark Golkowski, Ph.D., professor associado de engenharia elétrica e bioengenharia na Faculdade de Engenharia, Design e computação. "Se eu soubesse de onde os relâmpagos estão vindo, então eu poderia diagnosticar com precisão a atmosfera superior ao longo do caminho que ela viajou. "

Golkowski mediu a velocidade de grupo do raio - a velocidade na qual a energia de uma onda viaja. Especificamente, Golkowski mediu a velocidade do componente de frequência extremamente baixa (ELF) das ondas. A velocidade de grupo das ondas ELF é significativamente menor do que a velocidade da luz e as ondas são mais afetadas pelo perfil de densidade de elétrons da atmosfera. Conhecendo o caminho percorrido, Golkowski foi capaz de diagnosticar a região D.

Ele usou dados de Vasaila, um fornecedor global em medição ambiental e industrial, que rastreia a faixa de baixa frequência de cerca de 80% dos relâmpagos do mundo. Golkowski também alavancou sua parceria com a Worldwide ELF Radiolocation Array (WERA), que opera três receptores internacionais - no Colorado, Argentina e Polônia. Porque há 40 a 100 relâmpagos a cada segundo, Golkowski conseguiu extrair grandes quantidades de dados globais.

Uma virada de jogo para segurança militar e pesquisa espacial

Medindo ondas ELF, Golkowski foi capaz de fornecer um diagnóstico em grande escala da região D, medindo sua densidade, altura e a rapidez com que muda - uma virada de jogo para pesquisas espaciais próximas à Terra, mas também segurança militar.

A alta resolução e precisão da navegação GPS atual - em nossos carros, em nossos telefones, em nossos pulsos - depende dos satélites 12, 000 milhas acima da superfície da Terra. A distância que esses sinais de alta frequência têm que percorrer os enfraquece e os torna vulneráveis ​​a interferência ou falsificação, enganar um receptor transmitindo sinais falsos. Irritante para os viajantes, potencialmente catastrófico para as forças terrestres.

Moda antiga, navegação global de baixa frequência, Contudo, depende de transmissores terrestres que refletem um sinal da baixa atmosfera superior, ping-pong em todo o mundo para os usuários. Esses sistemas evitam os 12, São necessários mil quilômetros de viagem para alcançar um satélite e são muito mais resistentes a interferência e falsificação. Mas o estado desconhecido e a atividade da atmosfera superior limitaram a precisão a um raio de cerca de um quilômetro, o que era bom para os navios e submarinos que o usavam para navegar no oceano.

Agora, os pesquisadores podem usar as descobertas de Golkowski para melhorar a resolução e a precisão da navegação de baixa frequência, o que poderia torná-lo um backup crítico para a tecnologia de hoje.

Além dos avanços para sistemas de navegação de baixa frequência, a pesquisa também impactará uma ampla gama de pesquisas espaciais próximas à Terra.

"A região D também é onde o estado de plasma do espaço sideral começa, "diz Golkowski." Esta técnica poderia responder, em termos de ciência básica, o efeito de uma explosão solar em nossa atmosfera superior. O mesmo vale para a física por trás de qualquer perturbação inesperada, como uma tempestade solar ou eclipse solar. "