Små, billiga sensorer utvecklade av rymdforskare vid University of Texas i Dallas för att studera jordens övre atmosfär nyligen – och oväntat – gav information om solen, något som enheterna inte var designade för att göra.
Enheterna, kallade jonosfäriska scintillationsmonitorer, eller ScintPi-sensorer, kommer att vara i rampljuset igen när forskare från UT Dallas använder dem för att samla in data under den totala solförmörkelsen den 8 april och göra dem tillgängliga för medborgarvetenskapliga projekt.
"ScintPi-sensorerna tar emot radiosignaler från satelliter, liknande GPS-mottagarna i mobiltelefoner", säger Dr Fabiano Rodrigues, docent i fysik och stipendiat, Eugene McDermott Distinguished Professor vid School of Natural Sciences and Mathematics vid UT Dallas.
"De kan enkelt distribueras och underhållas och kostar cirka 600 USD för oss att bygga, vilket är mycket mindre än kommersiella versioner som kostar mellan 10 000 och 15 000 USD."
Även om ScintPi-sensorer inte är avsedda att helt ersätta kommersiella monitorer, kan de användas i många pedagogiska och vetenskapliga tillämpningar, sa Rodrigues.
Radiosignaler som utbyts mellan markbaserade enheter och satelliter färdas genom en region av jordens atmosfär som kallas jonosfären. Solstrålning skapar jonosfären genom att strippa elektroner från atmosfäriska atomer, vilket resulterar i ett skal av laddade partiklar, eller joner, runt jorden.
Störningar och turbulens i jonosfären kan påverka radiokommunikation och kvaliteten på GPS-radiosignaler. En bättre förståelse för dynamiken i regionen och de faktorer som påverkar den hjälper forskare att utveckla modeller för att förutsäga variationer mer exakt.
"På dagsljussidan av jorden, när det är mest solstrålning, finns det mer jonosfär - en större täthet av elektroner. På natten minskar elektrontätheten och det finns mindre jonosfär", säger Rodrigues, som använder en olika markbaserad utrustning för att studera jonosfären.
Som en del av sina forskarstudier utvecklade Josemaría Gómez Sócola, doktorand i elektroteknik vid Erik Jonsson School of Engineering and Computer Science, ScintPi-sensorerna så att forskare och medborgarforskare runt om i världen kunde samla in data om jondensitet. Tiden det tar för radiosignaler att resa till och från satelliter används för att bestämma jontätheten i området ovanför sensorns plats. Forskningen publicerades i Journal of Space Weather and Space Climate .
Sensorerna har utplacerats på 23 platser över västra halvklotet, inklusive i Brasilien, Honduras, Peru, Puerto Rico, Costa Rica, 12 delstater i USA och Island, så att forskare kan studera jonosfären på låga, medelhöga och höga breddgrader.
Isaac Wright BS, doktorand i fysik, analyserade data från sensorerna som samlades in 2022 och märkte något ovanligt den 28 augusti 2022. Uppgifterna visade en kort degradering av radiosignaler, men orsaken var inte en störning i jonosfären.
Forskarna fastställde att signalen påverkades av brus som härrörde från en kort ökning av nivån av radiosignaler med en viss frekvens från solen. Solar radio burst (SRB) varade cirka 30 minuter.
"Det här var inte vad vi letade efter," sa Wright. "Våra sensorer är designade för att studera jonosfären, inte solhändelser; ändå upptäckte vi en solradioskur, som visar att billiga sensorer som vår kan användas för studier utöver bara jonosfären. Vi har visat att vi kan kvantifiera hur mycket solradioskurar och jonosfäriska störningar påverkar signaler som GPS."
Endast ett fåtal solradioskurar har rapporterats på det frekvensband som används av GPS.
"Den här händelsen var intressant eftersom den upptäcktes vid den frekvens som används av vårt nätverk av GPS-mottagare," sa Rodrigues. "Och det kan ha missats – ett av de viktigaste markbaserade radioteleskopen som upptäcker och rapporterar att SRB inte var i drift denna dag."
"Vår experimentella uppsättning för den totala solförmörkelsen den 8 april har två mål:att öka läskunnigheten om jordens jonosfär och att skapa nya datauppsättningar som kvantifierar effekterna av förmörkelser på jonosfären", säger Rodrigues, som leder Upper Atmosphere Remote Sensing Lab i William B. Hanson Center for Space Sciences.
Sensorer längs vägen för förmörkelsen kommer att samla in data från platser som kommer att uppleva en partiell förmörkelse i New Hampshire, Pennsylvania och Illinois, såväl som vid UT Dallas, som är i vägen för helheten.
Data från UTD-sensorn visas på en webbplats som fångar och plottar koncentrationen av elektroner i jonosfären under 48 timmar. Rodrigues planerar att projicera elektronernas layout i nästan realtid på en stor skärm på campus för att visa tittarna förändringarna i jonosfären under den totala solförmörkelsen.
Under den ringformade solförmörkelsen den 14 oktober 2023, som inträffade runt middagstid över stora delar av Texas, mätte ScintPi-sensorer nedgången i elektronkoncentrationen i jonosfären eftersom strålning från solen delvis blockerades av månen och fotojoniseringen minskade. Efter förmörkelsen gick den upp igen när solstrålningen återgick till det normala.
"Under den totala solförmörkelsen förväntar vi oss att det kommer att bli en ännu större nedgång i jonosfärkoncentrationen nära Dallas eftersom vi är på vägen till helheten, och jorden kommer att få mycket mindre strålning från solen," sa Rodrigues.
"Vi har modeller av jonosfären, men vi vill veta hur väl dessa modeller matchar våra observationer. Forskningen vi gör på UT Dallas och de mätningar vi gör kan hjälpa till att verifiera och förfina dessa modeller."
Mer information: Isaac G. Wright et al, Om detektionen av en solradioskurhändelse som inträffade den 28 augusti 2022 och dess effekt på GNSS-signaler som observerats av jonosfäriska scintillationsmonitorer fördelade över den amerikanska sektorn, Journal of Space Weather and Space Climate (2023). DOI:10.1051/swsc/2023027
Tillhandahålls av University of Texas i Dallas
