Nessuno ha una solida conoscenza delle dimensioni e dell'attività della parte più bassa della nostra atmosfera superiore, nota come regione ionosferica D, perché è letteralmente un bersaglio mobile. Situato da 40 a 60 miglia sopra la superficie terrestre, la regione si muove su e giù, a seconda dell'ora del giorno. Ed è quasi impossibile da monitorare:è troppo alto per aeroplani e palloni da ricerca, troppo basso per i satelliti, e non abbastanza denso per il suono radio diretto.

Comprendere la regione D non è solo vantaggioso per la ricerca scientifica. Può anche influenzare una vasta gamma di tecnologie militari, compreso il miglioramento della precisione e della risoluzione dei sistemi di navigazione a bassa frequenza. Tali sistemi possono essere alternativi al GPS e sono di crescente importanza per i militari.

La soluzione, ricercatori hanno scoperto, sono i temporali. Misurando le onde elettromagnetiche prodotte dai fulmini, i ricercatori sono stati in grado di ripercorrere il percorso del fulmine per diagnosticare la densità elettronica della regione.

Co-autore degli studenti di ingegneria Sandeep Sarker (MS '17) e Chad Renick (BS '17, MS '18, attuale dottorato di ricerca candidato), lo studio è stato pubblicato a dicembre in Lettere di ricerca geofisica . Lo studio è stato sostenuto da sovvenzioni della National Science Foundation e del National Science Centre, Polonia.

Invertire il percorso del fulmine per diagnosticare l'atmosfera

Durante una tempesta, un lampo emette un'ampia gamma di frequenze elettromagnetiche. La velocità di queste onde cambia in base alle condizioni dell'alta atmosfera. Precedenti ricerche teoriche hanno misurato le onde elettromagnetiche per misurare l'origine del fulmine.

"Ho in qualche modo invertito il problema, " dice l'autore dello studio Mark Golkowski, dottorato di ricerca, professore associato di ingegneria elettrica e bioingegneria presso il College of Engineering, Progettazione e informatica. "Se sapessi da dove viene il fulmine, quindi ho potuto diagnosticare con precisione l'atmosfera superiore lungo il percorso che ha percorso."

Golkowski misurò la velocità di gruppo del fulmine, la velocità con cui viaggia l'energia di un'onda. Nello specifico, Golkowski ha misurato la velocità della componente a frequenza estremamente bassa (ELF) delle onde. La velocità di gruppo delle onde ELF è significativamente inferiore alla velocità della luce e le onde sono maggiormente influenzate dal profilo di densità elettronica dell'atmosfera. Conoscendo il loro percorso percorso, Golkowski è stato in grado di diagnosticare la regione D.

Ha usato i dati di Vasaila, un fornitore globale nella misurazione ambientale e industriale, che tiene traccia della gamma a bassa frequenza di circa l'80% dei fulmini del mondo. Golkowski ha anche sfruttato la sua partnership con il Worldwide ELF Radiolocation Array (WERA) che gestisce tre ricevitori internazionali:in Colorado, Argentina e Polonia. Perché ci sono da 40 a 100 fulmini ogni secondo, Golkowski è stato in grado di raccogliere enormi quantità di dati globali.

Un punto di svolta per la sicurezza militare e la ricerca spaziale

Misurando le onde ELF, Golkowski è stato in grado di fornire una diagnostica su larga scala della regione D, misurandone la densità, altezza e quanto velocemente cambia:un punto di svolta per la ricerca spaziale vicino alla Terra, ma anche sicurezza militare.

L'alta risoluzione e la precisione della navigazione GPS odierna - nelle nostre auto, sui nostri telefoni, ai nostri polsi – si basa sui satelliti 12, 000 miglia sopra la superficie terrestre. La distanza che devono percorrere questi segnali ad alta frequenza li indebolisce e li rende vulnerabili a jamming o spoofing, ingannare un ricevitore trasmettendo falsi segnali. Fastidioso per i viaggiatori su strada, potenzialmente catastrofico per le forze di terra.

Vecchia scuola, navigazione globale a bassa frequenza, però, si basa su trasmettitori di terra che rimbalzano un segnale dall'alta atmosfera inferiore, ping-pong in tutto il mondo agli utenti. Tali sistemi evitano il 12, 000 miglia di viaggio necessarie per raggiungere un satellite e sono molto più resistenti a jamming e spoofing. Ma lo stato e l'attività sconosciuti dell'alta atmosfera limitavano la precisione a circa un miglio di raggio, che andava bene per le navi e i sottomarini che lo usavano per navigare nell'oceano.

Ora, i ricercatori possono utilizzare i risultati di Golkowski per migliorare la risoluzione e l'accuratezza della navigazione a bassa frequenza, che potrebbe renderlo un supporto fondamentale per la tecnologia odierna.

Oltre ai progressi nei sistemi di navigazione a bassa frequenza, la ricerca avrà anche un impatto su un'ampia gamma di ricerche spaziali vicine alla Terra.

"La regione D è anche il punto in cui inizia lo stato di plasma dello spazio esterno, " dice Golkowski. "Questa tecnica potrebbe rispondere, in termini di scienze di base, l'effetto di un brillamento solare sulla nostra atmosfera superiore. Lo stesso vale per la fisica dietro qualsiasi disturbo imprevisto come una tempesta solare o un'eclissi solare".