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El investigador usa tormentas eléctricas para medir la densidad de la atmósfera superior de la Tierra


Nadie tiene una comprensión firme de las dimensiones y la actividad de la parte más baja de nuestra atmósfera superior, conocida como la región ionosférica D, porque es, literalmente, un objetivo en movimiento. 


University of Colorado Denver


Ubicada entre 40 y 60 millas sobre la superficie de la Tierra, la región se mueve hacia arriba y hacia abajo, dependiendo de la hora del día. Y es casi imposible de monitorear: es demasiado alto para aviones y globos de investigación, demasiado bajo para satélites, y no lo suficientemente denso para que suene la radio directamente.

Comprender la región D hace más que beneficiar la investigación científica. También puede afectar a una amplia gama de tecnologías militares, incluida la mejora de la precisión y la resolución de los sistemas de navegación de baja frecuencia. Tales sistemas pueden ser alternativas al GPS y son cada vez más importantes para los militares.

La solución, descubrieron los investigadores, es tormentas eléctricas. Al medir las ondas electromagnéticas producidas por los rayos, los investigadores pudieron seguir el camino de los rayos para diagnosticar la densidad electrónica de la región.

Coautor de los estudiantes de ingeniería Sandeep Sarker (MS ’17) y Chad Renick (BS ’17, MS ’18, candidato actual a Ph.D.), el estudio se publicó en diciembre en Geophysical Research Letters . El estudio fue apoyado por becas de la National Science Foundation y el National Science Center, Polonia.

Invirtiendo el camino de los rayos para diagnosticar la atmósfera.

Durante una tormenta, un relámpago envía una amplia gama de frecuencias electromagnéticas. La velocidad de esas ondas cambia según las condiciones de la atmósfera superior. La investigación teórica anterior midió las ondas electromagnéticas para medir el origen de los rayos.

«De alguna manera, revertí el problema», dice el autor del estudio Mark Golkowski, Ph.D., profesor asociado de ingeniería eléctrica y bioingeniería en la Facultad de Ingeniería, Diseño y Computación. «Si supiera de dónde venían los rayos, entonces podría diagnosticar con precisión la atmósfera superior a lo largo del camino que recorrió».

Golkowski midió la velocidad de grupo del rayo, la velocidad a la que viaja la energía de una onda. Específicamente, Golkowski midió la velocidad del componente de frecuencia extremadamente baja (ELF) de las ondas. La velocidad de grupo de las ondas ELF es significativamente menor que la velocidad de la luz y las ondas se ven más afectadas por el perfil de densidad electrónica de la atmósfera. Al conocer su ruta recorrida, Golkowski pudo diagnosticar la región D.

Utilizó datos de Vasaila, un proveedor global en medición ambiental e industrial, que rastrea el rango de baja frecuencia de alrededor del 80 por ciento de los rayos del mundo. Golkowski también aprovechó su asociación con el Worldwide ELF Radiolocation Array (WERA), que opera tres receptores internacionales, en Colorado, Argentina y Polonia. Debido a que hay de 40 a 100 rayos cada segundo, Golkowski pudo extraer cantidades masivas de datos globales.

Un cambio de juego para la seguridad militar y la investigación espacial.

Al medir las ondas ELF, Golkowski pudo proporcionar un diagnóstico a gran escala de la región D, midiendo su densidad, altura y la rapidez con que cambia, un cambio de juego para la investigación espacial cerca de la Tierra, pero también la seguridad militar.

La alta resolución y precisión de la navegación GPS de hoy en día en nuestros automóviles, en nuestros teléfonos, en nuestras muñecas se basa en satélites a 12,000 millas sobre la superficie de la Tierra. La distancia que deben recorrer estas señales de alta frecuencia las debilita y las hace vulnerables a interferencias o falsificaciones, engañando a un receptor mediante la transmisión de señales falsas. Molesto para los excursionistas, potencialmente catastróficos para las fuerzas terrestres.

Sin embargo, la navegación global de baja frecuencia de la vieja escuela se basa en transmisores terrestres que hacen rebotar una señal desde la atmósfera superior inferior, y la utilizan como ping-pong en todo el mundo para los usuarios. Dichos sistemas evitan el viaje de 12,000 millas necesario para alcanzar un satélite y son mucho más resistentes al bloqueo y la suplantación de identidad. Pero el estado y la actividad desconocidos de la atmósfera superior limitaban la precisión a un radio de aproximadamente una milla, lo que estaba bien para los barcos y submarinos que lo utilizaban para navegar por el océano.

Ahora, los investigadores pueden usar los hallazgos de Golkowski para mejorar la resolución y precisión de la navegación de baja frecuencia, lo que podría hacer que sea una copia de seguridad crítica de la tecnología actual.

Más allá de los avances a los sistemas de navegación de baja frecuencia, la investigación también afectará una amplia gama de investigaciones espaciales cercanas a la Tierra .

«La región D también es donde comienza el estado de plasma del espacio exterior», dice Golkowski. «Esta técnica podría responder, en términos de la ciencia básica, el efecto de una erupción solar en nuestra atmósfera superior . Lo mismo ocurre con la física detrás de cualquier perturbación inesperada como una tormenta solar o un eclipse solar».


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