Слева направо: Исаак Райт BS'22, доктор Фабиано Родригес и Хосемария Гомес Сокола изучают верхние слои атмосферы Земли с помощью ионосферных сцинтилляционных мониторов или датчиков ScintPi. 8 апреля исследователи будут использовать датчики, чтобы узнать больше о влиянии затмений на ионосферу. Фото: Техасский университет в Далласе.
Небольшие недорогие датчики, разработанные космическими учеными из Техасского университета в Далласе для изучения верхних слоев атмосферы Земли, недавно (и неожиданно) предоставили информацию о Солнце, для чего устройства не были предназначены.
Устройства, называемые ионосферными сцинтилляционными мониторами, или датчиками ScintPi, снова окажутся в центре внимания, поскольку исследователи UT в Далласе развернут их для сбора данных во время полного солнечного затмения 8 апреля и сделают их доступными для гражданских научных проектов.
«Датчики ScintPi принимают радиосигналы со спутников, подобно GPS-приемникам в мобильных телефонах», — сказал доктор Фабиано Родригес, доцент кафедры физики и научный сотрудник, заслуженный профессор Юджина Макдермотта Школы естественных наук и математики Университетского университета в Далласе.
«Их можно легко развернуть и обслуживать, а их создание обходится нам примерно в 600 долларов, что намного меньше, чем коммерческие версии, которые стоят от 10 000 до 15 000 долларов».
По словам Родригеса, хотя датчики ScintPi не предназначены для полной замены коммерческих мониторов, их можно использовать во многих образовательных и научных приложениях.
Радиосигналы, которыми обмениваются наземные устройства и спутники, проходят через область земной атмосферы, называемую ионосферой. Солнечное излучение создает ионосферу, отрывая электроны от атомов атмосферы, в результате чего вокруг Земли образуется оболочка из заряженных частиц или ионов.
Помехи и турбулентность в ионосфере могут повлиять на радиосвязь и качество радиосигналов GPS. Лучшее понимание динамики региона и факторов, влияющих на нее, помогает ученым разрабатывать модели для более точного прогнозирования изменчивости.
«На дневной стороне Земли, когда солнечной радиации больше всего, там больше ионосферы — большая плотность электронов. Ночью плотность электронов уменьшается, и ионосферы меньше», — сказал Родригес, который использует разнообразное наземное оборудование для исследования ионосферы.
В рамках своей аспирантуры Хосемария Гомес Сокола, аспирант по электротехнике Школы инженерии и компьютерных наук Эрика Йонссона, разработал датчики ScintPi, чтобы ученые и гражданские ученые по всему миру могли собирать данные о плотности ионов. Время, необходимое радиосигналам для прохождения до спутников и обратно, используется для определения плотности ионов в области над местоположением датчика. Исследование было опубликовано в Журнале космической погоды и космического климата.
Датчики были развернуты на 23 объектах в Западном полушарии, в том числе в Бразилии, Гондурасе, Перу, Пуэрто-Рико, Коста-Рике, 12 штатах США и Исландии, чтобы ученые могли изучать ионосферу в низких, средних и высоких широтах.
Солнечная наука
Исаак Райт, докторант физики, проанализировал данные датчиков, собранных в 2022 году, и заметил нечто необычное около 28 августа 2022 года. Данные показали кратковременное ухудшение радиосигналов, но причиной не было возмущение в ионосфере.
Хосемария Гомес Сокола демонстрирует датчик ScintPi и его антенну. Датчики были развернуты на 23 объектах по всему Западному полушарию, чтобы ученые могли изучать ионосферу в низких, средних и высоких широтах. Фото: Техасский университет в Далласе.
Исследователи определили, что на сигнал повлиял шум, возникший в результате кратковременного повышения уровня радиосигналов определенной частоты, исходящих от Солнца. Солнечный радиовсплеск (СРБ) длился около 30 минут.
«Это было не то, что мы искали», — сказал Райт. «Наши датчики предназначены для изучения ионосферы, а не солнечных явлений; тем не менее, мы обнаружили солнечный радиовсплеск, который показывает, что недорогие датчики, подобные нашему, могут быть использованы для исследований за пределами ионосферы. Мы показали, что можем количественно оценить насколько всплески солнечного радиоизлучения и ионосферные возмущения влияют на такие сигналы, как GPS».
Сообщалось лишь о нескольких всплесках солнечного радиоизлучения в полосе частот, используемой GPS.
«Это событие было интересным, потому что оно было обнаружено на частоте, используемой нашей сетью GPS-приемников», — сказал Родригес. «И его могли пропустить — один из основных наземных радиотелескопов, который обнаруживает и сообщает о SRB, в этот день не работал».
Эксперимент по солнечному затмению
«Наша экспериментальная установка для полного солнечного затмения 8 апреля преследует две цели: повысить грамотность в отношении ионосферы Земли и создать новые наборы данных, позволяющие количественно оценить воздействие затмений на ионосферу», — сказал Родригес, руководитель Лаборатории дистанционного зондирования верхних слоев атмосферы в Центр космических наук Уильяма Б. Хэнсона.
Датчики на пути затмения будут собирать данные с мест, где произойдет частичное затмение, в Нью-Гэмпшире, Пенсильвании и Иллинойсе, а также в UT Далласе, который находится на пути полного затмения.
Данные с датчика UTD отображаются на веб-сайте, который фиксирует и отображает концентрацию электронов в ионосфере за 48 часов. Родригес планирует спроецировать расположение электронов почти в реальном времени на большой экран в кампусе, чтобы показать зрителям изменения в ионосфере во время полного солнечного затмения.
Во время кольцевого солнечного затмения 14 октября 2023 года, которое произошло около полудня над большей частью Техаса, датчики ScintPi измерили падение концентрации электронов в ионосфере, поскольку солнечное излучение частично блокировалось Луной, а фотоионизация уменьшалась. После затмения оно снова возросло, поскольку солнечная радиация вернулась к норме.
«Во время полного солнечного затмения мы ожидаем, что произойдет еще большее падение концентрации ионосферы возле Далласа, потому что мы находимся на пути полного солнечного затмения, и Земля будет получать гораздо меньше радиации от Солнца», — сказал Родригес.
«У нас есть модели ионосферы, но мы хотим знать, насколько хорошо эти модели совпадают с нашими наблюдениями. Исследования, которые мы проводим в UT в Далласе, и измерения, которые мы проводим, могут помочь проверить и уточнить эти модели».
Информация от: Техасским университетом в Далласе.
