Niemand heeft een stevige greep op de afmetingen en activiteit van het laagste deel van onze bovenste atmosfeer, bekend als het ionosferische D-gebied, omdat het letterlijk een bewegend doelwit is. Gelegen 40 tot 60 mijl boven het aardoppervlak, de regio beweegt op en neer, afhankelijk van het tijdstip van de dag. En het is bijna onmogelijk om te controleren:het is te hoog voor vliegtuigen en onderzoeksballonnen, te laag voor satellieten, en niet compact genoeg voor direct radiogeluid.

Het begrijpen van de D-regio doet meer dan wetenschappelijk onderzoek ten goede komen. Het kan ook gevolgen hebben voor een breed scala aan militaire technologieën, waaronder het verbeteren van de nauwkeurigheid en resolutie van laagfrequente navigatiesystemen. Dergelijke systemen kunnen een alternatief zijn voor GPS en worden steeds belangrijker voor het leger.

De oplossing, onderzoekers ontdekten, zijn onweersbuien. Door de elektromagnetische golven te meten die door bliksem worden geproduceerd, onderzoekers waren in staat om het pad van de bliksem te volgen om de elektronendichtheid van het gebied te diagnosticeren.

Co-auteur van technische studenten Sandeep Sarker (MS '17) en Chad Renick (BS '17, MS '18, huidige doctoraat kandidaat), de studie werd in december gepubliceerd in Geofysische onderzoeksbrieven . De studie werd ondersteund door subsidies van de National Science Foundation en het National Science Centre, Polen.

Het pad van de bliksem omkeren om de atmosfeer te diagnosticeren

Tijdens een onweer, een bliksemflits zendt een breed scala aan elektromagnetische frequenties uit. De snelheid van die golven verandert op basis van de omstandigheden in de bovenste atmosfeer. Eerder theoretisch onderzoek heeft de elektromagnetische golven gemeten om de oorsprong van de bliksem te meten.

"Ik heb het probleem min of meer omgekeerd, " zegt studie auteur Mark Golkowski, doctoraat, universitair hoofddocent elektrotechniek en bio-engineering aan het College of Engineering, Ontwerp en computergebruik. "Als ik wist waar de bliksem vandaan kwam, dan kon ik de bovenste atmosfeer nauwkeurig diagnosticeren langs het pad dat het aflegde."

Golkowski mat de groepssnelheid van de bliksem - de snelheid waarmee de energie van een golf reist. specifiek, Golkowski mat de snelheid van de extreem lage frequentie (ELF) component van de golven. De groepssnelheid van ELF-golven is aanzienlijk minder dan de lichtsnelheid en de golven worden meer beïnvloed door het elektronendichtheidsprofiel van de atmosfeer. Door hun bereisde pad te kennen, Golkowski was in staat om de D-regio te diagnosticeren.

Hij gebruikte gegevens van Vasaila, een wereldwijde leverancier van milieu- en industriële metingen, die het laagfrequente bereik van ongeveer 80 procent van de bliksem in de wereld volgt. Golkowski maakte ook gebruik van zijn samenwerking met de Worldwide ELF Radiolocation Array (WERA), die drie internationale ontvangers exploiteert - in Colorado, Argentinië en Polen. Omdat er elke seconde 40 tot 100 blikseminslagen zijn, Golkowski was in staat om enorme hoeveelheden wereldwijde gegevens binnen te halen.

Een game changer voor militaire veiligheid en ruimteonderzoek

Door ELF-golven te meten, Golkowski was in staat om een ​​grootschalige diagnose te stellen van de D-regio, het meten van de dichtheid, hoogte en hoe snel het verandert - een gamechanger voor ruimteonderzoek nabij de aarde, maar ook militaire veiligheid.

De hoge resolutie en nauwkeurigheid van de huidige GPS-navigatie – in onze auto’s, op onze telefoons, om onze polsen – vertrouwt op satellieten 12, 000 mijl boven het aardoppervlak. De afstand die deze hoogfrequente signalen moeten afleggen, verzwakt ze en maakt ze kwetsbaar voor storing of spoofing, een ontvanger misleiden door valse signalen uit te zenden. Irritant voor roadtrippers, potentieel catastrofaal voor grondtroepen.

Ouderwets, laagfrequente wereldwijde navigatie, echter, vertrouwt op grondzenders die een signaal weerkaatsen uit de lagere bovenste atmosfeer, het over de hele wereld naar gebruikers pingpongen. Dergelijke systemen vermijden de 12, 000 mijl reis die nodig is om een ​​satelliet te bereiken en zijn veel beter bestand tegen storingen en spoofing. Maar de onbekende toestand en activiteit van de bovenste atmosfeer beperkte de nauwkeurigheid tot een straal van ongeveer een mijl, wat prima was voor de schepen en onderzeeërs die het gebruikten om de oceaan te bevaren.

Nutsvoorzieningen, onderzoekers kunnen de bevindingen van Golkowski gebruiken om de navigatieresolutie en nauwkeurigheid bij lage frequenties te verbeteren, waardoor het een cruciale back-up van de huidige technologie zou kunnen zijn.

Naast de vooruitgang naar laagfrequente navigatiesystemen, het onderzoek zal ook gevolgen hebben voor een breed scala aan ruimteonderzoek in de buurt van de aarde.

"Het D-gebied is ook waar de plasmatoestand van de ruimte begint, " zegt Golkowski. "Deze techniek zou kunnen antwoorden, in termen van fundamentele wetenschap, het effect van een zonnevlam op onze bovenste atmosfeer. Hetzelfde geldt voor de fysica achter elke onverwachte verstoring zoals een zonnestorm of zonsverduistering."