Niemand hat ein klares Verständnis über die Dimensionen und Aktivitäten des erdnächsten Teils unserer hohen Atmosphäre, der als ionosphärische D-Region bekannt ist. Der sich ständig verändernde Bereich befindet sich 70 bis 90 km über der Erdoberfläche und bewegt sich je nach Tageszeit auf und ab. Die Überwachung dieser Region stellt die Wissenschaftler vor große Herausforderungen, da er zu hoch für Flugzeuge und Forschungsballons, zu niedrig für Satelliten und nicht dicht genug für direkte Radiosondierungen ist.

Ein tiefgreifendes Verständnis über die D-Region zu erlangen bringt nicht nur der wissenschaftlichen Forschung Vorteile, es kann sich auch auf ein breites Spektrum militärischer Technologien auswirken, einschließlich der Verbesserung der Genauigkeit und Auflösung von Niederfrequenz-Navigationssystemen. Solche Systeme können Alternativen zu GPS sein und sind für das Militär von zunehmender Bedeutung.

Forscher sehen nun neue Lösungsansätze in Blitzschlägen. Durch die Messung der vom Blitz erzeugten elektromagnetischen Wellen konnten die Forscher den Weg des Blitzes zurückverfolgen, um die Elektronendichte der Region zu bestimmen.

Die Studie wurde von den Ingenieurstudenten Sandeep Sarker (MS ’17) und Chad Renick (BS ’17, MS ’18, aktueller Doktorand) gemeinsam mit Mark Golkowski (Ph.D) verfasst und in „Geophysical Research Letters” veröffentlicht. Sie wurde durch Zuschüsse der „National Science Foundation” und des polnischen “National Science Centre” unterstützt.

Die Umkehrung des Blitzpfades zur Analyse der Atmosphäre 

Während eines Sturms sendet ein Blitz ein breites Spektrum an elektromagnetischen Frequenzen aus. Die Geschwindigkeit dieser Wellen ändert sich je nach den Verhältnissen in der oberen Atmosphäre. Vorhergehende theoretische Untersuchungen haben die elektromagnetischen Wellen gemessen, um den Ursprung des Blitzes zu bestimmen. Studienautor Mark Golkowski, Ph.D., Professor für Elektrotechnik und Biotechnik am „College of Engineering, Design, and Computing”, sagte:

“Ich habe das Problem irgendwie umgekehrt.

Wenn ich wüsste, woher der Blitz kommt, dann könnte ich die obere Atmosphäre auf dem Weg, den er zurückgelegt hat, exakt feststellen.”

Golkowski maß die Geschwindigkeit, mit der sich die Energie einer Welle eines Bitzes bewegt. Insbesondere maß Golkowski die Geschwindigkeit der ELF (Extremely Low Frequency; dt.: extrem niedrige Frequenz) Komponente der Wellen. Die Geschwindigkeit der ELF-Wellen ist deutlich geringer als die der Lichtgeschwindigkeit und die Wellen werden stärker vom Elektronendichteprofil der Atmosphäre beeinflusst. Indem er ihren zurückgelegten Weg kannte, konnte Golkowski die D-Region diagnostizieren.

Er verwendete Daten von „Vasaila”, einem globalen Anbieter von Umwelt- und Industriemesstechnik, da dieser den Niederfrequenzbereich von etwa 80 Prozent der weltweiten Blitze verfolgt. Golkowski nutzte seine Partnerschaft auch mit dem „Worldwide ELF Radiolocation Array” (WERA), das drei internationale Empfangsgeräte einsetzt – in Colorado, Argentinien und Polen. Da es jede Sekunde 40 bis 100 Blitzeinschläge gibt, konnte Golkowski große Mengen an globalen Daten miteinbeziehen.

Ein Meilenstein in der militärischen Sicherheit und der Weltraumforschung

Durch die Messung von ELF-Wellen konnte Golkowski eine groß angelegte Diagnostik der D-Region durchführen, die ihre Dichte, Höhe und Geschwindigkeit misst – ein Meilenstein für die Weltraumforschung, aber auch für die militärische Sicherheit.

Die hohe Auflösung und Genauigkeit der heutigen GPS-Navigation – in unseren Autos, auf unseren Telefonen, auf unseren Handgelenken – beruht auf Satelliten, die 20.000 km über der Erdoberfläche kreisen. Die Entfernung, die diese hochfrequenten Signale zurücklegen müssen, schwächt sie und macht sie anfällig für Störungen und Falschmeldungen. 

Die globale Navigation in der Old-School-Niederfrequenz basiert jedoch auf Bodensendern, die ein Signal aus dem unteren Teil der hohen Atmosphäre senden und es weltweit an die Nutzer weiterleiten. Solche Systeme hingegen vermeiden die 20.000 km lange Reise, die notwendig ist, um einen Satelliten zu erreichen und sind viel resistenter gegen Störungen und Manipulationen. Aber der unklare Zustand und die Aktivität der oberen Atmosphäre begrenzte die Genauigkeit auf etwa einen Radius von einer 1,6km. 

Jetzt können die Forscher die Ergebnisse von Golkowski nutzen, um die Auflösung und Genauigkeit der niederfrequenten Navigation zu verbessern, was sie zu einer entscheidenden Ergänzung der heutigen Technologie machen könnte.

Neben den Fortschritten bei Niederfrequenz-Navigationssystemen wird die Forschung auch eine breite Palette der Weltraumforschung betreffen. Golkowski sagte:

“In der D-Region beginnt auch der Plasmazustand des Weltraums.

Diese Technik könnte in der Grundlagenforschung die Wirkung einer Sonneneruption auf unsere obere Atmosphäre beantworten. Das Gleiche gilt für die Physik hinter jeder unerwarteten Störung wie einem Sonnensturm oder einer Sonnenfinsternis.”