Los radioaficionados forman una red de sensores del clima espacial de tamaño planetario

La investigación de los efectos de la actividad solar en la atmósfera terrestre, las telecomunicaciones y los servicios eléctricos, cuenta ahora con un gran aliado. La participación de los radioaficionados señala una edad de oro de la colaboración colectiva en ciencia.

Aquí se ve el equipo perteneciente al club de radioaficionados de la Universidad Case Western Reserve. 
Los efectos inducidos por el Sol en la ionosfera terrestre cambian las frecuencias de las señales de radio captadas en las estaciones receptoras en el mundo. Debido a ello los entusiastas de la radioafición pueden proporcionar una rica fuente de información sobre el clima espacial. 
Crédito: Kristina Collins
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Los fenómenos meteorológicos espaciales, provocados por las emisiones solares y sus interacciones con la atmósfera terrestre, pueden tener efectos significativos en ciertas áreas. Especialmente en la tecnología de las comunicaciones y la navegación y en los sistemas de energía eléctrica. Al igual que ocurre con los fenómenos meteorológicos terrestres, los impactos económicos de las perturbaciones relacionadas con el clima espacial pueden ser sustanciales. Afectan a los sistemas de satélites y a los sistemas terrestres. Una tormenta geomagnética severa (del orden del Evento Carrington de 1859) podría tener un efecto catastrófico en la infraestructura moderna. Incluso las tormentas solares de tamaño más ordinario pueden inducir corrientes en la red eléctrica. Entonces elevan los precios de la energía y afectan la fabricación y el comercio.

Existe un interés considerable en desarrollar tecnologías de predicción del tiempo espacial que utilicen la ionosfera terrestre como sensor para eventos en las capas atmosféricas vecinas. La ionosfera ocupa un nicho privilegiado en el sistema geoespacial. Esto es porque está acoplada tanto al clima terrestre de la atmósfera neutra abajo, como al clima espacial de la magnetosfera arriba.

Una nueva área de investigación

Tenemos un buen conocimiento del clima ionosférico (las variaciones diurnas y estacionales son bien conocidas, al igual que los ritmos del ciclo de manchas solares). Sin embargo hay áreas de investigación nuevas y vitales por explorar. Por ejemplo, se sabe que la ionosfera, y el espacio cercano a la Tierra, experimentan variabilidad. Así, las señales de radio pueden aparecer y desaparecer en períodos de segundos, minutos u horas. Eso es debido a cambios en las densidades de electrones ionosféricos a lo largo de las rutas de propagación de señales. Pero esta variabilidad no se ha muestreado ni estudiado adecuadamente a escala regional y mundial.

Queremos comprender completamente la variabilidad en escalas espaciales pequeñas y escalas de tiempo cortas. Para ello la comunidad científica requerirá redes de detección mucho más grandes y densas que recopilen datos a escalas continentales y globales. Con la instrumentación de código abierto más barata y abundante, ha llegado el momento de que los científicos aficionados realicen mediciones distribuidas de la ionosfera. La comunidad de radioaficionados está preparada para el desafío.

HamSCI y la Estación Meteorológica Espacial Personal

Ham Radio Science Citizen Investigation ( HamSCI ) es un colectivo que une a los radioaficionados con la comunidad de investigadores en las ciencias espaciales y atmosféricas. Esta confederación de científicos, ingenieros y aficionados organiza talleres anuales durante los cuales los radioaficionados y los científicos espaciales comparten sus hallazgos. Un nuevo esfuerzo de HamSCI, es el proyecto de la Estación Meteorológica Espacial Personal. Tiene como objetivo desarrollar una red robusta y escalable de estaciones de aficionados que permitirá recopilar datos útiles para los investigadores de la ciencia espacial. El próximo taller de HamSCI tendrá lugar prácticamente del 19 al 21 de Marzo de 2021; se centrará en las mediciones ionosféricas de latitudes medias.

Una comunidad científica de voluntarios lista para usar

Desde el punto de vista de las comunicaciones, el espectro electromagnético es un recurso finito. Las señales de radiodifusión, telecomunicaciones y navegación tienen sus propias demandas de ancho de banda y alcance. Las asignaciones de espectro son administradas por agencias gubernamentales, como la Comisión Federal de Comunicaciones (FCC) en los Estados Unidos. La mayoría de los países asignan parte del espectro disponible a usuarios aficionados con fines de recreación, experimentación y promoción de la buena voluntad internacional. Hay más de 760.000 radioaficionados con licencia y un número incontable de oyentes de onda corta solo en los Estados Unidos.

Los radioaficionados tienen un conocimiento empírico de la meteorología espacial. Eso es porque quieren saber cuándo y en qué frecuencias pueden establecer comunicaciones, y cuándo y dónde no pueden. Los cambios ionosféricos, como los causados ​​por la transición día-noche o por la actividad solar, pueden impedir o ayudar a las comunicaciones en varias frecuencias. Por ejemplo, la banda de 20 metros (14–14,35 megahercios) suele tener su alcance transcontinental más largo durante las horas del día. Pero la banda de 40 metros (7–7,3 megahercios) suele funcionar mejor durante la noche. Las asignaciones de radiofrecuencia de aficionados se distribuyen por todo el espectro electromagnético. Esto permite experimentos de propagación útiles para cualquier rango de frecuencia.

En la búsqueda del pasatiempo, muchos «radioaficionados» han experimentado escuchar las bandas de alta frecuencia (HF) (3–30 megahertz) en silencio justo después del atardecer. O también, han intercambiado frecuencias para llegar a una estación distante. Los radioaficionados valoran enormemente los pronósticos de las condiciones meteorológicas espaciales y la información en tiempo real sobre la propagación. La comunidad tiene un alto nivel de conocimientos científicos sobre el tema. Hay recursos como spaceweather.com y un podcast semanal de Tamitha Skov (la “ Mujer del clima espacial ” , cuyo distintivo de llamada amateur es WX6SWW. Estos son consultados regularmente hoy por radioaficionados que buscan lograr un contacto a distancia.

La radioafición está experimentando un renacimiento técnico, gracias al advenimiento de plataformas informáticas económicas de placa única y software de código abierto.  Las primeras consisten en una computadora completa construida en una placa de circuito única, como una Raspberry Pi. Estos sistemas basados ​​en computadora sirven como repetidores de radio virtuales, conectando computadoras a través de Internet a radios de aficionados reales del mundo real. Esto permite el control remoto y la recopilación de datos. El objetivo original de la radioafición es la comunicación de voz. Pero ahora existe el atractivo de los proyectos del movimiento de  creadores. Esto junto a la eliminación del requisito  del código Morse de la licencia para aficionados, han llevado a un mayor número de aficionados con licencia que nunca.

A partir de esta creciente sofisticación técnica, las redes de comunicaciones digitales, disfrutan de una amplia membresía. Ejemplos de tales redes son el Sistema Automático de Informes de Paquetes (APRS), el Informe de Propagación de Señales Débiles (WSPR) y la Red de Balizas inversas  (RBN). Estas disfrutan de una amplia membresía y sirven a la comunidad de aficionados mientras recopilan propagación de datos a velocidades y resoluciones que antes eran imposibles. El alcance de estos sistemas de colaboración colectiva y el apoyo de la comunidad de aficionados ofrecen enormes oportunidades para las mediciones científicas.

Una de esas mediciones tuvo lugar al atardecer del 17 de Octubre, 2017, cuando la estación de aficionados W8EDU en Cleveland transmitió un código Morse. Ese fue: «TEST TEST TEST DE W8EDU W8EDU W8EDU» en las frecuencias en las bandas de 20, 40 y 80 metros. Un mapa de las estaciones de escucha automatizadas en el RBN que “detectaron” esta señal muestra todos los puntos con rutas de propagación existentes (Figura 1). En este caso, el resultado muestra claramente que las trayectorias de 40 metros van principalmente hacia el lado nocturno del terminador. (Este último es el límite móvil entre las regiones a la luz del día y las que están en la oscuridad). A su vez las trayectorias de 20 metros van principalmente hacia el lado del día.

Fig. 1. El 17 de Octubre de 2017, las estaciones de la Red de Balizas Inversas detectaron un mensaje de prueba de la estación de aficionados W8EDU. Éste, es el club escolar de la Universidad Case Western Reserve en Cleveland. 
Las líneas amarillas van a las estaciones que recibieron transmisiones en la banda de 40 metros. Las líneas magenta van a las estaciones que recibieron transmisiones en la banda de 20 metros. 
Crédito: Kristina Collins. / Datos de mapas © 2017 Google, INEGI, ORION-ME.

Para los operadores aficionados, esta es una herramienta útil para determinar el alcance de las señales. Un radioaficionado podría decir que «hay un camino hacia Europa que se abre a 40 metros» y escuchar los distintivos de llamada de las estaciones europeas. O, si los operadores quieren llegar a una estación en América del Sur, pueden girar su antena 90 ° e intentar ejecutar una prueba RBN nuevamente.

Aprovechamiento de los datos para la ciencia

¿Cómo pueden las señales de radioaficionado informar a los científicos sobre la energía y las partículas que se originan en el Sol y alcanzan la Tierra? La respuesta está en la ionosfera, la región atmosférica electrificada que puede refractar las señales de radio de regreso a la Tierra. Esta es una región compleja fuertemente influenciada por el viento solar, la radiación ionizante ultravioleta extrema y las perturbaciones geomagnéticas. Pero incluso por la atmósfera neutra baja y media.

Desde la perspectiva de los científicos que estudian la ionosfera, los datos de radioaficionados se vuelven más interesantes en conjunto. Todos los datos del RBN, desde 2009 hasta el presente, se archivan en reversebeacon.net y se pueden descargar gratuitamente. Para la escala, la transmisión de Cleveland que se mencionó anteriormente representó solo un pequeño subconjunto de los 168,713 anuncios de radio ese día. Cada uno de ellos representando una ruta de propagación entre dos puntos en una frecuencia dada en un momento dado.

HamSCI alentó a los operadores aficionados a generar datos sobre el RBN durante el eclipse norteamericano de 2017. Un análisis posterior confirmó que los datos de RBN eran consistentes con los modelos ionosféricos basados ​​en la física [ Frissell et al. , 2018]. Eso indica la promesa de este sistema para recopilar datos de propagación.

Una ventaja adicional de recopilar datos a través de aficionados es que estas observaciones tienden a cumplir de forma natural los requisitos de los datos FAIR. Esto es, que sean buscables, accesibles, interoperables y reutilizables. Los operadores aficionados tienen prohibido por las restricciones de la licencia ganar dinero a través del acto de operar. Entonces la mayoría de los datos utilizados por los operadores son abiertos y accesibles en el momento de su creación. Como gran parte de los aficionados tiene conocimientos técnicos, las bases de datos y los registros se estructuran en torno a la legibilidad de las máquinas. Más importante aún, la radioafición tiene un identificador global y persistente entretejido en los metadatos de cada contacto registrado. Cada operador o club con licencia tiene un distintivo de llamada único, vinculado a una dirección física en su base de datos gubernamental respectiva.

«En el tono, el tiempo será …»

Justo en las afueras de Fort Collins, Colorado, se encuentra el latido del espectro de comunicaciones electromagnéticas. También, una clave para medir con precisión las interacciones entre la radioafición y el clima solar. El sonido de la estación de radio WWV, es el estándar de tiempo y frecuencia del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología. Es familiar para cualquier oyente de onda corta. Es la estación de radio en funcionamiento continuo más antigua de los Estados Unidos, habiendo estado en el aire desde 1919. Hoy, WWV y su estación hermana WWVH en Hawái transmiten el conocido mensaje «En el tono, el tiempo será …». Lo hacen en las frecuencias: 2.5, 5, 10, 15 y 20 megahercios, con las frecuencias calibradas al menos a nueve dígitos significativos.

Estas estaciones proporcionan a los oyentes información horaria estandarizada, pronósticos meteorológicos en alta mar y otra programación. La estación WWVB, ubicada en el mismo sitio de Colorado, transmite en 0.060 megahertz y proporciona información de tiempo a relojes «atómicos» controlados por radio. En los últimos meses, el portador preciso de tiempo controlado por cesio de WWV ha encontrado otro uso como baliza para las mediciones ionosféricas.

Las señales de radio proporcionan una ventana a la ionosfera cambiante. Las diversas señales de WWV, que se reflejan en la ionosfera, experimentan cambios. Éstos son en la longitud de la trayectoria a medida que cambia el perfil de densidad de electrones ionosféricos. Esto da como resultado cambios en la frecuencia observada de las señales de radio en los puntos de recepción. Es similar a la subida y bajada del tono del silbato de un tren que pasa.

Fig. 2. Las señales de la estación de radio WWV se reflejan en la ionosfera en esta ilustración. 
El clima espacial afecta la distancia que recorre una señal antes de cambiar de dirección, y la estación receptora lo detecta como un cambio en la frecuencia de la señal. 
Crédito: Kristina Collins

La comparación de la señal de radio recibida con un estándar de frecuencia local de precisión, permite al usuario medir estos cambios de frecuencia (Figura 2) . El estándard de frecuencia puede ser un oscilador disciplinado por GPS. Esta medición se prepara y registra con software de código abierto. Numerosos conjuntos de datos registrados simultáneamente desde múltiples ubicaciones ofrecen información sobre la ionosfera en el momento en que se toman los datos. La información se obtiene cuando estos conjuntos de datos se examinan tanto individual como colectivamente. Esta información incluye los movimientos de las perturbaciones ionosféricas viajeras y otros fenómenos importantes a diversas escalas.

El Festival de la Medición de Frecuencia

El 1 de Octubre de 2019, HamSCI celebró el centenario de WWV con un Festival de Medición de Frecuencia. HamSCI emitió una convocatoria abierta a los radioaficionados y los oyentes de onda corta para recopilar datos de desplazamiento Doppler. Respondieron al llamado unas 50 estaciones (Figura 3). Presentamos los resultados de este experimento en la Reunión de otoño 2019 de AGU [ Kazdan et al. , 2019]. Los datos del experimento están disponibles gratuitamente . Estos datos son ricos en firmas de la dinámica ionosférica, incluidas las perturbaciones coherentes en forma de ondas con periodicidades nocturnas de aproximadamente una hora. Las observaciones son más inactivas durante el día. Los resultados también se resumirán en un artículo próximo en IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters.

Fig. 3. Los eventos del Festival de Medición de Frecuencia atrajeron la participación de estaciones de todo el mundo. 
El primer evento se llevó a cabo en 2019 para conmemorar el centenario de la WWV (las estaciones participantes se muestran en azul). Se llevaron a cabo dos más en Junio (rojo) y Diciembre (verde) de 2020 para recopilar datos durante los eclipses solares. 
Crédito: Kristina Collins. / Datos del mapa © 2021 Google, INEGI.

WWV nunca tuvo la intención de proporcionar estos datos. Pero la precisión excepcional, la alta potencia y la disponibilidad continua garantizada de la estación la convierten en una baliza perfecta. El advenimiento de osciladores económicos disciplinados con GPS y computadoras de placa única, fue un gran impulso para los aficionados. Con ellos pueden ensamblar sistemas prototipo completos para recopilar dichos datos por menos de $ 200. O pueden construir sistemas a partir de equipos existentes. Por lo tanto, la comunidad de aficionados, movilizada a escala nacional, puede generar un nuevo conjunto de datos a gran escala para el estudio ionosférico.

Los eventos de radiodeporte (figura), generan datos sincronizados y coordinados sobre los efectos de la ionosfera terrestre en la transmisión de señales de radio. 
Crédito: Kristina Collins.

Las campañas de recopilación de datos durante los eclipses solares de 2020 demostraron el potencial de los científicos para interactuar con la comunidad de aficionados. Denominados ‘Eclipse Festivals’ (Figura 3), estos eventos siguieron la plantilla del evento del centenario de la WWV a escala global. Utilizaron estaciones estándar de tiempo de 10 megahertz. El ‘Eclipse Festival’ de Junio de 2020, construido alrededor del eclipse solar anular en África oriental y Asia el 21 de junio, duró 3 días. Incluyó la participación de voluntarios de 50 estaciones en 19 países. El ‘Eclipse Festival’ de Diciembre de 2020, fue una campaña de 7 días en torno al eclipse solar total en Sudamérica el 14 de Diciembre. Obtuvo datos enviados de más de 80 estaciones. Ambos se publicitaron a través de los mismos canales utilizados para concursos de deportes de radio y otros eventos. La fuerte participación en estos eventos demuestra el interés de la comunidad en la ciencia comunitaria y el potencial de implementación en campañas científicas.

Personalización del clima espacial

La estación meteorológica personal se ha convertido en un elemento familiar para los meteorólogos. Las estaciones que pertenecen a aficionados, conectadas en red a través de sitios como Weather Underground, proporcionan una densa constelación de sensores. Estos informan la temperatura y presión del aire, así como la precipitación.  Tenemos un mejor conocimiento del clima terrestre debido a estas redes, pero aún no existe tal sistema para el clima ionosférico.

A través de HamSCI, los radioaficionados y los investigadores están superando esta brecha diseñando hardware para una red distribuida de estaciones meteorológicas espaciales personales (PSWS). La red es accesible tanto para científicos profesionales como aficionados. Estas estaciones vienen en dos variedades (Figura 4). Una, es modelo de bajo costo diseñado solo para observaciones como las realizadas durante el Festival de Medición de Frecuencia. La otra es la radio TangerineSDR, más potente y definida por software, un receptor de banda ancha que se puede reconfigurar para un variedad de experimentos. En el núcleo de ambos hay una computadora de placa única, que interactúa con un conjunto de instrumentos modulares (por ejemplo, un magnetómetro). Carga datos en una base de datos central.

Fig. 4. Agrandar. Las estaciones meteorológicas espaciales personales (PSWS) de bajo costo están diseñadas principalmente para mediciones de estaciones estándar de tiempo, como WWV y la estación canadiense CHU. 
Los sistemas PSWS de radio definida por software (SDR) más potentes se pueden reconfigurar para una variedad de experimentos. 
Crédito: Nathaniel Frissell.

Estas estaciones se encuentran en la etapa de creación de prototipos y pruebas, con planes para implementar una red de PSWS en los próximos 3 años. El objetivo es registrar el próximo eclipse solar de 2024 en América del Norte. La sombra de la Luna viajará sobre la superficie terrestre y protegerá las estaciones de radio que se encuentran debajo, de la radiación solar ultravioleta extrema. Brindará así una excelente oportunidad para recopilar datos de radio de referencia. Esperamos tener la red en funcionamiento a tiempo para el Festival de Medición de Frecuencia 2024. Invitamos a los radioaficionados a unirse como científicos voluntarios para ayudar a mejorar nuestra comprensión del entorno espacial de la Tierra.

Expresiones de gratitud

Esta investigación cuenta con el apoyo de las subvenciones de la National Science Foundation AGS-2002278, AGS-1932997 y AGS-1932972. Los autores agradecen a todos los colaboradores de HamSCI, en particular a los siguientes. ‘Tucson Amateur Packet Radio Association’, MIT Haystack Observatory, University of Scranton, New Jersey Institute of Technology, and the Case Amateur Radio Club (W8EDU).

Fuente: Eos, Revista de la Asociación Geofísica Americana.

Artículo original: «Ham Radio Forms a Planet-Sized Space Weather Sensor Network«. Kristina Collins, David Kazdan, and Nathaniel A. FrissellFebruary 9, 2021.

Sobre los autores

Kristina Collins ( kd8oxt@case.edu ; distintivo de llamada KD8OXT) y David Kazdan (AD8Y), Universidad Case Western Reserve, Cleveland, Ohio. Nathaniel A. Frissell (W2NAF), Universidad de Scranton, Scranton, Pa.

Referencias

Frissell, N. A., et al. (2018), Modeling amateur radio soundings of the ionospheric response to the 2017 Great American Eclipse. Geophys. Res. Lett., 45(10), 4,665–4,674, https://doi.org/10.1029/2018GL077324.

Kazdan, D., et al. (2019), A low-cost HamSCI citizen science HF Doppler receiver for measuring ionospheric variability. Abstract SA43C-3213 presented at Fall Meeting 2019, AGU, San Francisco, Calif., 9–13 Dec. https://agu.confex.com/agu/fm19/meetingapp.cgi/Paper/602677.

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