Piccoli sensori a basso costo sviluppati dagli scienziati spaziali dell'Università del Texas a Dallas per studiare l'atmosfera superiore della Terra hanno recentemente, e inaspettatamente, fornito informazioni sul sole, qualcosa per cui i dispositivi non sono stati progettati.
I dispositivi, chiamati monitor a scintillazione ionosferica o sensori ScintPi, saranno nuovamente sotto i riflettori quando i ricercatori dell'UT di Dallas li impiegheranno per raccogliere dati durante l'eclissi solare totale dell'8 aprile e renderli disponibili per progetti di scienza dei cittadini.
"I sensori ScintPi ricevono segnali radio dai satelliti, simili ai ricevitori GPS dei cellulari," ha detto il dottor Fabiano Rodrigues, professore associato di fisica e Fellow, Eugene McDermott Distinguished Professor presso la School of Natural Sciences and Mathematics dell'UT di Dallas.
"Possono essere facilmente implementati e mantenuti e la loro realizzazione ci costa circa 600 dollari, ovvero molto meno delle versioni commerciali che costano tra i 10.000 e i 15.000 dollari."
Sebbene i sensori ScintPi non siano destinati a sostituire completamente i monitor commerciali, possono essere utilizzati in molte applicazioni educative e scientifiche, ha affermato Rodrigues.
I segnali radio scambiati tra i dispositivi terrestri e i satelliti viaggiano attraverso una regione dell'atmosfera terrestre chiamata ionosfera. La radiazione solare crea la ionosfera sottraendo elettroni agli atomi atmosferici, creando un guscio di particelle cariche, o ioni, attorno alla Terra.
Disturbi e turbolenze nella ionosfera possono influenzare le comunicazioni radio e la qualità dei segnali radio GPS. Una migliore comprensione delle dinamiche della regione e dei fattori che la influenzano aiuta gli scienziati a sviluppare modelli per prevedere la variabilità in modo più accurato.
"Sul lato della Terra esposto alla luce del giorno, quando c'è più radiazione solare, c'è più ionosfera, una maggiore densità di elettroni. Di notte, la densità degli elettroni diminuisce e c'è meno ionosfera", ha detto Rodrigues, che utilizza un varietà di apparecchiature terrestri per studiare la ionosfera.
Nell’ambito dei suoi studi universitari, Josemaría Gómez Sócola, dottorando in ingegneria elettrica presso la Scuola di Ingegneria e Informatica Erik Jonsson, ha sviluppato i sensori ScintPi in modo che scienziati e scienziati cittadini di tutto il mondo potessero raccogliere dati sulla densità ionica. Il tempo impiegato dai segnali radio per viaggiare da e verso i satelliti viene utilizzato per determinare la densità ionica nella regione sopra la posizione del sensore. La ricerca è stata pubblicata sul Journal of Space Weather and Space Climate .
I sensori sono stati distribuiti in 23 siti in tutto l'emisfero occidentale, tra cui Brasile, Honduras, Perù, Porto Rico, Costa Rica, 12 stati degli Stati Uniti e Islanda, in modo che gli scienziati possano studiare la ionosfera a latitudini basse, medie e alte.
Isaac Wright BS, uno studente di dottorato in fisica, ha analizzato i dati dei sensori raccolti nel 2022 e ha notato qualcosa di insolito riguardo il 28 agosto 2022. I dati hanno mostrato una breve degradazione dei segnali radio, ma la causa non era un disturbo nella ionosfera.
I ricercatori hanno stabilito che il segnale era influenzato dal rumore derivante da un breve aumento del livello dei segnali radio di una certa frequenza provenienti dal sole. Il lampo radio solare (SRB) è durato circa 30 minuti.
"Questo non era quello che stavamo cercando", ha detto Wright. "I nostri sensori sono progettati per studiare la ionosfera, non gli eventi solari; tuttavia, abbiamo rilevato un lampo radio solare, il che dimostra che sensori a basso costo come il nostro potrebbero essere utilizzati per studi oltre la semplice ionosfera. Abbiamo dimostrato che possiamo quantificare quanto le esplosioni radio solari e i disturbi ionosferici influenzano segnali come il GPS."
Sono stati segnalati solo pochi lampi radio solari nella banda di frequenza utilizzata dal GPS.
"Questo evento è stato interessante perché è stato rilevato alla frequenza utilizzata dalla nostra rete di ricevitori GPS", ha detto Rodrigues. "E potrebbe essere sfuggito:uno dei principali radiotelescopi terrestri che rilevano e segnalano gli SRB non era operativo quel giorno."
"La nostra configurazione sperimentale per l'eclissi solare totale dell'8 aprile ha due obiettivi:aumentare l'alfabetizzazione sulla ionosfera terrestre e creare nuovi set di dati che quantifichino gli effetti delle eclissi sulla ionosfera", ha affermato Rodrigues, che dirige il Laboratorio di telerilevamento dell'atmosfera superiore in il Centro William B. Hanson per le scienze spaziali.
I sensori lungo il percorso dell'eclissi raccoglieranno dati dai siti che subiranno un'eclissi parziale nel New Hampshire, Pennsylvania e Illinois, nonché all'UT di Dallas, che si trova sul percorso della totalità.
I dati del sensore UTD vengono visualizzati su un sito Web che cattura e traccia la concentrazione di elettroni nella ionosfera nell'arco di 48 ore. Rodrigues prevede di proiettare la disposizione degli elettroni quasi in tempo reale su un grande schermo nel campus per mostrare agli spettatori i cambiamenti nella ionosfera durante l'eclissi solare totale.
Durante l’eclissi solare anulare del 14 ottobre 2023, avvenuta intorno a mezzogiorno su gran parte del Texas, i sensori ScintPi hanno misurato il calo della concentrazione di elettroni nella ionosfera quando la radiazione del sole è stata parzialmente bloccata dalla luna e la fotoionizzazione è diminuita. Dopo l'eclissi, è risalita di nuovo quando la radiazione solare è tornata alla normalità.
"Durante l'eclissi solare totale, ci aspettiamo che ci sia un calo ancora maggiore nella concentrazione ionosferica vicino a Dallas perché siamo sul percorso della totalità e la Terra riceverà molte meno radiazioni dal sole", ha detto Rodrigues.
"Abbiamo modelli della ionosfera, ma vogliamo sapere quanto questi modelli combaciano con le nostre osservazioni. La ricerca che stiamo facendo all'UT di Dallas e le misurazioni che effettuiamo possono aiutare a verificare e perfezionare tali modelli."
Ulteriori informazioni: Isaac G. Wright et al, Sulla rilevazione di un evento di scoppio radio solare avvenuto il 28 agosto 2022 e il suo effetto sui segnali GNSS osservati dai monitor a scintillazione ionosferica distribuiti nel settore americano, Journal of Space Weather and Space Climate (2023). DOI:10.1051/swsc/2023027
Fornito dall'Università del Texas a Dallas
