Ingen har ett fast grepp om dimensionerna och aktiviteten för den lägsta delen av vår övre atmosfär, känd som den jonosfäriska D -regionen, för det är bokstavligen ett rörligt mål. Ligger 40 till 60 miles över jordens yta, regionen rör sig upp och ner, beroende på tid på dagen. Och det är nästan omöjligt att övervaka:det är för högt för flygplan och forskningsballonger, för låg för satelliter, och inte tillräckligt tät för direktradio.

Att förstå D -regionen gör mer än att gynna vetenskaplig forskning. Det kan också påverka ett brett spektrum av militär teknik, inklusive att förbättra noggrannheten och upplösningen för lågfrekventa navigationssystem. Sådana system kan vara alternativ till GPS och är av växande betydelse för militären.

Lösningen, forskare upptäckte, är åskväder. Genom att mäta de elektromagnetiska vågorna som produceras av blixtnedslag, forskare kunde spåra blixtens väg för att diagnostisera elektrontätheten i regionen.

Medförfattare av ingenjörsstudenterna Sandeep Sarker (MS '17) och Chad Renick (BS '17, MS '18, nuvarande doktorsexamen kandidat), studien publicerades i december i Geofysiska forskningsbrev . Studien stöddes av bidrag från National Science Foundation och National Science Center, Polen.

Omvänd blixtens väg för att diagnostisera atmosfären

Under en storm, ett blixtnedslag sänder ut ett brett spektrum av elektromagnetiska frekvenser. Hastigheterna på dessa vågor ändras baserat på förhållandena i den övre atmosfären. Tidigare teoretisk forskning mätte de elektromagnetiska vågorna för att mäta blixtens ursprung.

"Jag vände på något sätt problemet "säger studieförfattaren Mark Golkowski, Ph.D., docent i elektroteknik och bioteknik vid College of Engineering, Design och beräkning. "Om jag visste var blixten kom ifrån, då kunde jag noggrant diagnostisera den övre atmosfären längs vägen som den färdades. "

Golkowski mätte blixtens grupphastighet - hastigheten med vilken en vågs energi färdas. Specifikt, Golkowski mätte hastigheten för den extremt lågfrekventa (ELF) komponenten i vågorna. Grupphastigheten för ELF -vågor är betydligt lägre än ljusets hastighet och vågorna påverkas mer av atmosfärens elektrontäthetsprofil. Genom att känna till deras färdväg, Golkowski kunde diagnostisera D -regionen.

Han använde data från Vasaila, en global leverantör inom miljö- och industriell mätning, som spårar lågfrekvensområdet på cirka 80 procent av världens blixtnedslag. Golkowski utnyttjade också sitt partnerskap med Worldwide ELF Radiolocation Array (WERA) som driver tre internationella mottagare - i Colorado, Argentina och Polen. Eftersom det är 40 till 100 blixtnedslag varje sekund, Golkowski kunde dra in massiva mängder global data.

En spelväxlare för militär säkerhet och rymdforskning

Genom att mäta ELF -vågor, Golkowski kunde tillhandahålla en storskalig diagnostik av D-regionen, mäter dess densitet, höjd och hur snabbt det ändras-en spelväxlare för rymdforskning nära jorden, men också militär säkerhet.

Den höga upplösningen och noggrannheten i dagens GPS -navigering - i våra bilar, på våra telefoner, på våra handleder - förlitar sig på satelliter 12, 000 miles över jordens yta. Avståndet som dessa högfrekventa signaler måste färdas försvagar dem och gör dem sårbara för störningar eller spoofing, lura en mottagare genom att sända falska signaler. Irriterande för road tripers, potentiellt katastrofal för markstyrkor.

Old-school, lågfrekvent global navigering, dock, förlitar sig på marksändare som studsar en signal från den nedre övre atmosfären, pingisar det runt om i världen för användare. Sådana system undviker 12, 000 mils resa nödvändig för att nå en satellit och är mycket mer motståndskraftig mot störningar och spoofing. Men det okända tillståndet och aktiviteten i den övre atmosfären begränsade noggrannheten till cirka en mils radie, vilket var bra för fartygen och ubåtarna som använde den för att navigera i havet.

Nu, forskare kan använda Golkowskis resultat för att förbättra lågfrekvent navigationsupplösning och noggrannhet, vilket kan göra det till en kritisk back-up till dagens teknik.

Utöver framsteg för lågfrekventa navigationssystem, forskningen kommer också att påverka ett brett spektrum av rymdforskning nära jorden.

"D -regionen är också där plasmatillståndet i yttre rymden börjar, "säger Golkowski." Denna teknik kan svara på, när det gäller grundvetenskap, effekten av en soluppblåsning på vår övre atmosfär. Detsamma gäller fysiken bakom alla oväntade störningar som en solstorm eller solförmörkelse. "