Personne n'a une idée précise des dimensions et de l'activité de la partie la plus basse de notre haute atmosphère, connue sous le nom de région D ionosphérique, car c'est littéralement une cible mouvante. Situé à 40 à 60 miles au-dessus de la surface de la Terre, la région monte et descend, selon l'heure de la journée. Et c'est presque impossible à surveiller :c'est trop haut pour les avions et les ballons de recherche, trop faible pour les satellites, et pas assez dense pour un sondage radio direct.

Comprendre la région D fait plus que profiter à la recherche scientifique. Il peut également affecter un large éventail de technologies militaires, y compris l'amélioration de la précision et de la résolution des systèmes de navigation à basse fréquence. De tels systèmes peuvent être des alternatives au GPS et sont d'une importance croissante pour les militaires.

La solution, les chercheurs ont découvert, est les orages. En mesurant les ondes électromagnétiques produites par la foudre, les chercheurs ont pu retracer le trajet de la foudre pour diagnostiquer la densité électronique de la région.

Co-écrit par les étudiants en ingénierie Sandeep Sarker (MS '17) et Chad Renick (BS '17, MS '18, doctorat actuel candidat), l'étude a été publiée en décembre dans Lettres de recherche géophysique . L'étude a été financée par des subventions de la National Science Foundation et du National Science Centre, Pologne.

Inverser le chemin de la foudre pour diagnostiquer l'atmosphère

Lors d'un orage, un éclair émet une large gamme de fréquences électromagnétiques. La vitesse de ces ondes change en fonction des conditions de la haute atmosphère. Des recherches théoriques antérieures ont mesuré les ondes électromagnétiques pour évaluer l'origine de la foudre.

"J'ai en quelque sorte inversé le problème, " dit l'auteur de l'étude Mark Golkowski, Doctorat., professeur agrégé de génie électrique et de bio-ingénierie au Collège d'ingénierie, Conception et informatique. "Si je savais d'où venait la foudre, alors j'ai pu diagnostiquer avec précision la haute atmosphère le long du chemin qu'elle a parcouru."

Golkowski a mesuré la vitesse de groupe de l'éclair - la vitesse à laquelle l'énergie d'une onde se déplace. Spécifiquement, Golkowski a mesuré la vitesse de la composante extrêmement basse fréquence (ELF) des ondes. La vitesse de groupe des ondes ELF est nettement inférieure à la vitesse de la lumière et les ondes sont plus affectées par le profil de densité électronique de l'atmosphère. En connaissant leur chemin parcouru, Golkowski a pu diagnostiquer la région D.

Il a utilisé les données de Vasaila, un fournisseur mondial de mesures environnementales et industrielles, qui suit la gamme de basses fréquences d'environ 80 pour cent de la foudre dans le monde. Golkowski a également tiré parti de son partenariat avec le Worldwide ELF Radiolocation Array (WERA) qui exploite trois récepteurs internationaux - dans le Colorado, Argentine et Pologne. Parce qu'il y a 40 à 100 coups de foudre chaque seconde, Golkowski a pu extraire des quantités massives de données mondiales.

Un changeur de jeu pour la sécurité militaire et la recherche spatiale

En mesurant les ondes ELF, Golkowski a pu fournir un diagnostic à grande échelle de la région D, mesurer sa densité, hauteur et à quelle vitesse elle change - un changeur de jeu pour la recherche spatiale proche de la Terre, mais aussi la sécurité militaire.

La haute résolution et la précision de la navigation GPS d'aujourd'hui - dans nos voitures, sur nos téléphones, sur nos poignets – s'appuie sur les satellites 12, 000 milles au-dessus de la surface de la Terre. La distance que ces signaux haute fréquence doivent parcourir les affaiblit et les rend vulnérables au brouillage ou à l'usurpation d'identité, tromper un récepteur en diffusant de faux signaux. Gênant pour les road tripers, potentiellement catastrophique pour les forces terrestres.

Vieille école, navigation globale basse fréquence, cependant, repose sur des émetteurs au sol qui renvoient un signal de la basse haute atmosphère, ping-pong autour du monde pour les utilisateurs. De tels systèmes évitent le 12, Voyage de 000 milles nécessaire pour atteindre un satellite et sont beaucoup plus résistants au brouillage et à l'usurpation d'identité. Mais l'état et l'activité inconnus de la haute atmosphère limitaient la précision à environ un mile de rayon, ce qui était bien pour les navires et les sous-marins qui l'utilisaient pour naviguer dans l'océan.

Maintenant, les chercheurs peuvent utiliser les découvertes de Golkowski pour améliorer la résolution et la précision de la navigation à basse fréquence, ce qui pourrait en faire un support essentiel à la technologie d'aujourd'hui.

Au-delà des avancées des systèmes de navigation basse fréquence, la recherche aura également un impact sur un large éventail de recherches spatiales proches de la Terre.

"La région D est également l'endroit où l'état de plasma de l'espace commence, " dit Golkowski. " Cette technique pourrait répondre, en termes de science fondamentale, l'effet d'une éruption solaire sur notre haute atmosphère. Il en va de même pour la physique derrière toute perturbation inattendue comme une tempête solaire ou une éclipse solaire."