Forsker bruger lynstorme til at måle tætheden af ​​Jordens øvre atmosfære

Ingen har et fast greb om dimensionerne og aktiviteten af ​​den laveste del af vores øvre atmosfære, kendt som den ionosfæriske D-region, fordi det bogstaveligt talt er et bevægeligt mål. Beliggende 40 til 60 miles over jordens overflade, regionen bevæger sig op og ned, afhængig af tidspunktet på dagen. Og det er næsten umuligt at overvåge:det er for højt til flyvemaskiner og forskningsballoner, for lav til satellitter, og ikke tæt nok til direkte radiolyd.

At forstå D-regionen gør mere end gavn for videnskabelig forskning. Det kan også påvirke en lang række militære teknologier, herunder forbedring af nøjagtighed og opløsning af lavfrekvente navigationssystemer. Sådanne systemer kan være alternativer til GPS og får stadig større betydning for militæret.

Løsningen, forskere opdagede, er tordenvejr. Ved at måle de elektromagnetiske bølger produceret af lynet, forskere var i stand til at spore lynets vej for at diagnosticere elektrontætheden i regionen.

Medforfatter af ingeniørstuderende Sandeep Sarker (MS '17) og Chad Renick (BS '17, MS '18, nuværende ph.d. kandidat), undersøgelsen blev offentliggjort i december i Geofysiske forskningsbreve . Undersøgelsen blev støttet af tilskud fra National Science Foundation og National Science Center, Polen.

Vende lynets vej for at diagnosticere atmosfæren

Under en storm, et lyn udsender en lang række elektromagnetiske frekvenser. Hastigheden af ​​disse bølger ændrer sig baseret på forholdene i den øvre atmosfære. Tidligere teoretisk forskning målte de elektromagnetiske bølger for at måle lynets oprindelse.

"Jeg vendte på en måde problemet, "siger studieforfatter Mark Golkowski, Ph.D., lektor i elektroteknik og bioteknik ved Ingeniørhøjskolen, Design og computing. "Hvis jeg vidste, hvor lynet kom fra, så kunne jeg nøjagtigt diagnosticere den øvre atmosfære langs stien, som den rejste."

Golkowski målte lynets gruppehastighed – den hastighed, hvormed energien i en bølge bevæger sig. Specifikt, Golkowski målte hastigheden af ​​den ekstremt lavfrekvente (ELF) komponent af bølgerne. Gruppehastigheden af ​​ELF-bølger er væsentligt mindre end lysets hastighed, og bølgerne er mere påvirket af atmosfærens elektrontæthedsprofil. Ved at kende deres tilbagelagte vej, Golkowski var i stand til at diagnosticere D-regionen.

Han brugte data fra Vasaila, en global udbyder inden for miljø- og industriel måling, der sporer lavfrekvensområdet på omkring 80 procent af verdens lyn. Golkowski udnyttede også sit partnerskab med Worldwide ELF Radiolocation Array (WERA), som driver tre internationale modtagere – i Colorado, Argentina og Polen. Fordi der er 40 til 100 lynnedslag hvert sekund, Golkowski var i stand til at trække enorme mængder af globale data ind.

En game changer for militær sikkerhed og rumforskning

Ved at måle ELF-bølger, Golkowski var i stand til at levere en storstilet diagnostik af D-regionen, måling af dens tæthed, højden og hvor hurtigt den ændrer sig - en game changer for nær-jordens rumforskning, men også militær sikkerhed.

Den høje opløsning og nøjagtighed af nutidens GPS-navigation – i vores biler, på vores telefoner, på vores håndled - er afhængig af satellitter 12, 000 miles over jordens overflade. Afstanden, disse højfrekvente signaler skal rejse, svækker dem og gør dem sårbare over for jamming eller spoofing, bedrager en modtager ved at udsende falske signaler. Irriterende for road trippers, potentielt katastrofal for landstyrker.

Gammeldags, lavfrekvent global navigation, imidlertid, er afhængig af jordsendere, der afviser et signal fra den nedre øvre atmosfære, ping-pong det rundt om i verden til brugere. Sådanne systemer undgår de 12, 000-mile tur nødvendig for at nå en satellit og er meget mere modstandsdygtig over for jamming og spoofing. Men den ukendte tilstand og aktivitet af den øvre atmosfære begrænsede nøjagtigheden til omkring en mile radius, hvilket var fint for de skibe og ubåde, der brugte det til at navigere i havet.

Nu, forskere kan bruge Golkowskis resultater til at forbedre lavfrekvent navigationsopløsning og nøjagtighed, hvilket kunne gøre det til en kritisk back-up til nutidens teknologi.

Ud over fremskridt inden for lavfrekvente navigationssystemer, forskningen vil også påvirke en bred vifte af nær-jordens rumforskning.

"D-regionen er også hvor plasmatilstanden i det ydre rum begynder, "siger Golkowski." Denne teknik kunne besvare, med hensyn til grundvidenskab, effekten af ​​et soludbrud på vores øvre atmosfære. Det samme gælder for fysikken bag enhver uventet forstyrrelse som en solstorm eller solformørkelse."