Radio Blackout! Ham Radio as an Operational and Scientific Instrument – Eos
Abrir búsquedaPublicado enFunciones
La radioafición forma una red de sensores meteorológicos espaciales del tamaño de un planeta
Para los investigadores que monitorean los efectos de la actividad solar en la atmósfera de la Tierra, las telecomunicaciones y los servicios eléctricos, la radioafición señala una edad de oro de la ciencia colaborativa.
por K. Collins, D. Kazdan y N. A. Frissell9 febrero 2021
Los fenómenos meteorológicos espaciales, provocados por las emisiones solares y sus interacciones con la atmósfera terrestre, pueden tener efectos significativos en la tecnología de comunicaciones y navegación y en los sistemas de energía eléctrica. Al igual que en el caso de los fenómenos meteorológicos terrestres, los efectos económicos de las perturbaciones relacionadas con el clima espacial pueden ser sustanciales y afectar 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 que elevan los precios de la energía, afectando la fabricación y el comercio.
Existe un interés considerable en el desarrollo de tecnologías de predicción del clima espacial que utilizan la ionosfera de la Tierra como sensor de eventos en sus capas atmosféricas vecinas. La ionosfera ocupa un lugar privilegiado en el sistema geoespacial, ya que está acoplada tanto al clima terrestre de la atmósfera neutra de abajo como al clima espacial de la magnetosfera de arriba.
Para comprender plenamente la variabilidad ionosférica en escalas espaciales pequeñas y escalas de tiempo cortas, la comunidad científica necesitará redes de detección mucho más grandes y densas.
Aunque tenemos una buena comprensión del clima ionosférico (las variaciones diurnas y estacionales son bien conocidas, al igual que los ritmos del ciclo de manchas solares), hay nuevas y vitales áreas de investigación por explorar. Por ejemplo, se sabe que la ionosfera —y el espacio cercano a la Tierra— experimentan variabilidad (por ejemplo, las señales de radio pueden aparecer y desaparecer durante períodos de segundos, minutos u horas debido a cambios en las densidades de electrones ionosféricos a lo largo de las trayectorias de propagación de la señal), pero esta variabilidad no se ha muestreado ni estudiado adecuadamente a escala regional y mundial.
Para comprender plenamente la variabilidad a escalas espaciales pequeñas y escalas temporales cortas, la comunidad científica necesitará redes de detección mucho más grandes y densas que recopilen datos a escala continental y mundial. Con la instrumentación de código abierto más barata y abundante que nunca, ha llegado el momento de que los científicos aficionados tomen medidas distribuidas de la ionosfera, y la comunidad de radioaficionados está preparada para el desafío.
La Ham Radio Science Citizen Investigation (HamSCI) es un colectivo que une a los radioaficionados con la comunidad investigadora en las ciencias espaciales y atmosféricas. Esta confederación de científicos, ingenieros y aficionados realiza talleres anuales durante los cuales los operadores de radioaficionados y los científicos espaciales comparten sus hallazgos. Un nuevo esfuerzo de HamSCI, el proyecto de la Estación Meteorológica Espacial Personal, tiene como objetivo desarrollar una red robusta y escalable de estaciones de aficionados que permitirá a los aficionados recopilar datos útiles para los investigadores de ciencias espaciales. El próximo taller de HamSCI se celebrará virtualmente del 19 al 21 de marzo de 2021 y se centrará en las mediciones ionosféricas de latitudes medias.
Una comunidad científica voluntaria 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 atribuciones 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 operadores de radioaficionados con licencia e innumerables oyentes de onda corta solo en los Estados Unidos.
Los radioaficionados tienen un conocimiento empírico del clima espacial porque quieren saber cuándo y en qué frecuencias pueden establecer comunicaciones.
Este boletín es genial.
Recibe las noticias científicas más fascinantes de la semana en tu bandeja de entrada todos los viernes.
Los operadores de radioaficionados tienen un conocimiento empírico del clima espacial porque quieren saber cuándo y en qué frecuencias pueden establecer comunicaciones, y cuándo y dónde no. Los cambios en la ionosfera, 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 mayor alcance transcontinental durante el día, pero la banda de 40 metros (7-7,3 megahercios) suele funcionar mejor por la noche. Las atribuciones de radiofrecuencia de los radioaficionados se distribuyen por todo el espectro electromagnético, lo que permite experimentos de propagación útiles para cualquier rango de frecuencias.
En la búsqueda de este pasatiempo, muchos operadores aficionados (o «radioaficionados») han experimentado escuchar las bandas de alta frecuencia (HF) (3-30 megahercios) silenciarse justo después de la puesta del sol o han intercambiado frecuencias para llegar a una estación distante. Los radioaficionados valoran mucho las predicciones de las condiciones meteorológicas espaciales y la información en tiempo real sobre la propagación, y la comunidad tiene un alto nivel de alfabetización científica sobre el tema. Recursos como spaceweather.com y un podcast semanal de Tamitha Skov (la «Mujer del Clima Espacial«, cuyo indicativo de aficionado es WX6SWW) son consultados regularmente hoy en día por radioaficionados que buscan lograr un contacto a distancia.
La radioafición está experimentando actualmente un renacimiento técnico, gracias a la llegada de plataformas informáticas baratas de placa única (una computadora completa construida sobre una sola placa de circuito, como una Raspberry Pi) y software de código abierto. Dichos sistemas basados en computadoras sirven como repetidores de radio virtuales, conectando computadoras a través de Internet a radioaficionados reales en el mundo real para permitir el control remoto y la recopilación de datos. Más allá de la búsqueda anticuada de la comunicación por voz, el atractivo de los proyectos del movimiento maker y la eliminación del requisito del código Morse del examen de licencia de aficionado han llevado a un mayor número de aficionados con licencia que nunca.
El alcance de estos sistemas de crowdsourcing, y el apoyo de la comunidad de aficionados, ofrece enormes oportunidades para las mediciones científicas.
Fuera de esta creciente sofisticación técnica, las redes de comunicaciones digitales, como el Sistema Automático de Informes de Paquetes (APRS), el Reportero de Propagación de Señal Débil (WSPR) y la Red de Baliza Inversa (RBN), disfrutan de una amplia membresía y sirven a la comunidad de aficionados mientras recopilan datos de propagación a velocidades y resoluciones que antes eran imposibles. El alcance de estos sistemas de crowdsourcing, y el apoyo de la comunidad de aficionados, ofrece enormes oportunidades para las mediciones científicas.
Una de estas mediciones tuvo lugar al atardecer del 17 de octubre de 2017, cuando la estación de aficionados W8EDU en Cleveland transmitió el código Morse para «TEST TEST TEST DE W8EDU W8EDU W8EDU» en frecuencias en las bandas de 20, 40 y 80 metros. Un mapa de las estaciones de escucha automatizada en la RBN que recogieron, o «detectaron», esta señal muestra todos los puntos con trayectorias de propagación existentes (Figura 1). En este caso, el resultado muestra claramente que las trayectorias de 40 metros van principalmente al lado nocturno del terminador (el límite móvil entre las regiones a la luz del día y las que están en la oscuridad), y las trayectorias de 20 metros principalmente al lado diurno.
Para los operadores aficionados, esta es una herramienta útil para determinar el alcance de las propias señales: un radioaficionado podría decir que «hay un camino hacia Europa que se abre a 40 metros» y escuchar los indicativos de llamada de las estaciones europeas. O, si los operadores quieren llegar a una estación en América del Sur, pueden rotar su antena 90° e intentar realizar una prueba RBN nuevamente.
Aprovechar los datos para la ciencia
¿Cómo pueden las señales de radioaficionados informar a los científicos sobre la energía y las partículas que se originan en el Sol y viajan millones de millas a través del espacio? La respuesta está en la ionosfera, la región atmosférica electrificada que puede refractar las señales de radio que regresan a la Tierra. Esta es una región compleja fuertemente influenciada por el viento solar, la radiación ionizante ultravioleta extrema y las perturbaciones geomagnéticas, e incluso por la atmósfera neutra inferior 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 de la RBN, desde 2009 hasta la actualidad, se archivan en reversebeacon.net y se pueden descargar libremente. En cuanto a la escala, la transmisión de Cleveland a la que se hizo referencia anteriormente representaba solo un pequeño subconjunto de los 168.713 anuncios de radio que se grabaron el 17 de octubre de 2017, cada uno de los cuales representaba una trayectoria de propagación entre dos puntos de una frecuencia determinada en un momento dado.
Los operadores aficionados tienen prohibido ganar dinero a través del acto de operar, por lo que la mayoría de los datos utilizados por los operadores son abiertos y accesibles en el momento de su creación.
HamSCI animó a los operadores aficionados a generar datos sobre el RBN durante el eclipse de América del Norte de 2017. Análisis posteriores confirmaron que los datos de RBN eran consistentes con los modelos ionosféricos basados en la física [Frissell et al., 2018], lo que indica la promesa de este sistema para recopilar datos de propagación.
Otra ventaja de la recopilación de datos a través de la comunidad de aficionados es que estas observaciones tienden a cumplir naturalmente los requisitos de los datos FAIR: localizables, accesibles, interoperables y reutilizables. Los operadores aficionados tienen prohibido por las restricciones de la licencia ganar dinero a través del acto de operar, por lo que la mayoría de los datos utilizados por los operadores son abiertos y accesibles en el momento de su creación. Debido a que gran parte de la comunidad de aficionados tiene conocimientos técnicos, las bases de datos y los registros están estructurados en torno a la legibilidad de las máquinas. Lo más importante es que 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 respectiva base de datos gubernamental.
«En el tono, el momento será…»
A las afueras de Fort Collins, Colorado, se encuentra el latido del espectro de comunicaciones electromagnéticas, y una de las claves para las mediciones de precisión de las interacciones entre la radioafición y el clima solar. El sonido de la estación de radio WWV, 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 más antigua en funcionamiento continuo en los Estados Unidos, habiendo estado en el aire desde 1919. Hoy WWV y su estación hermana WWVH en Hawái transmiten el conocido «Al tono, el momento será…» mensaje en 2,5, 5, 10, 15 y 20 megahercios, con las frecuencias calibradas al menos 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 megahercios y proporciona información de tiempo a relojes «atómicos» controlados por radio. En los últimos meses, el portador preciso y controlado por cesio de WWV ha encontrado otro uso como faro para 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 en la longitud de la trayectoria a medida que cambia el perfil de densidad de electrones ionosféricos. Esto da lugar a cambios en la frecuencia observada de las señales de radio en los puntos de recepción, similares a la subida y bajada del tono del silbato de un tren que pasa.
La comparación de la señal de radio recibida con un estándar de frecuencia local de precisión, como un oscilador disciplinado por GPS, permite al usuario medir estos cambios de frecuencia inducidos ionosféricamente (Figura 2). Esta medición se prepara y registra con software de código abierto. Numerosos conjuntos de datos registrados simultáneamente desde múltiples ubicaciones ofrecen información, cuando estos conjuntos de datos se examinan tanto individual como colectivamente, sobre la ionosfera en el momento en que se toman los datos. Esta información incluye los movimientos de las perturbaciones ionosféricas viajeras y otros fenómenos importantes a varias escalas.
El Festival de la Medición de Frecuencias
El 1 de octubre de 2019, HamSCI celebró el centenario de WWV con un Festival de Medición de Frecuencias. HamSCI hizo un llamado abierto a los operadores de radioaficionados y oyentes de onda corta para recopilar datos de desplazamiento Doppler, y alrededor de 50 estaciones respondieron (Figura 3). Presentamos los resultados de este experimento en la Reunión de Otoño de AGU 2019 [Kazdan et al., 2019], y los datos del experimento están disponibles de forma gratuita. Estos datos son ricos en firmas de dinámica ionosférica, incluyendo perturbaciones coherentes en forma de onda con periodicidades nocturnas de aproximadamente una hora. Las observaciones son más inactivas durante el día. Los resultados también se resumirán en un próximo artículo en IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters.
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. Gracias a la llegada de osciladores baratos con GPS y computadoras de placa única, los científicos aficionados pueden ensamblar prototipos completos de sistemas 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 conjunto de datos novedoso a gran escala para el estudio ionosférico.
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. Apodados los Festivales del Eclipse (Figura 3), estos eventos siguieron el modelo del evento del centenario de la Quinta Guerra Mundial a escala global, utilizando estaciones estándar de tiempo de 10 megahercios. El Festival del Eclipse de junio de 2020, organizado en torno al eclipse solar anular en el este de África y Asia el 21 de junio, duró 3 días e incluyó la participación de voluntarios de 50 estaciones en 19 países. El Festival del Eclipse de diciembre de 2020, una campaña de 7 días construida en torno al eclipse solar total en América del Sur el 14 de diciembre, atrajo la presentación de datos de más de 80 estaciones. Ambos se anunciaban a través de los mismos canales utilizados para los concursos de radiodeportes 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.
Hacer que el clima espacial sea personal
La estación meteorológica personal se ha convertido en un elemento familiar para los meteorólogos. Las estaciones que pertenecen a los aficionados, conectadas en red a través de sitios como Weather Underground, proporcionan una densa constelación de sensores que informan sobre la temperatura y la presión del aire, así como sobre las precipitaciones. Tenemos un mejor conocimiento del clima terrestre gracias a estas redes, pero aún no existe un sistema de este tipo para el clima ionosférico.
A través de HamSCI, los radioaficionados e investigadores están cerrando esta brecha mediante el diseño de hardware para una red distribuida de estaciones meteorológicas espaciales personales (PSWS), accesibles tanto para científicos profesionales como aficionados. Estas estaciones vienen en dos variedades (Figura 4): un modelo de bajo costo diseñado solo para observaciones como las realizadas durante el Festival de Medición de Frecuencias, y el más potente radio definido por software TangerineSDR, un receptor de banda ancha que se puede reconfigurar para una variedad de experimentos. En el núcleo de ambos se encuentra una computadora de placa única, que interactúa con un conjunto de instrumentos modulares (por ejemplo, un magnetómetro) y carga datos a una base de datos central.
Estas estaciones se encuentran en la etapa de creación de prototipos y pruebas, con planes para desplegar una red de PSWS en los próximos 3 años a tiempo para registrar el próximo eclipse solar de 2024 en América del Norte. A medida que la sombra de la Luna viaja a través de la superficie de la Tierra, protegerá a las estaciones de radio de la radiación ultravioleta extrema solar, lo que brindará una excelente oportunidad para recopilar datos de radio de referencia. Esperamos tener la red en funcionamiento a tiempo para el Festival de Medición de Frecuencias 2024, e invitamos a los radioaficionados a unirse como científicos voluntarios para ayudar a mejorar nuestra comprensión del entorno espacial de la Tierra.
Reconocimientos
Esta investigación cuenta con el apoyo de las subvenciones de la Fundación Nacional de Ciencias AGS-2002278, AGS-1932997 y AGS-1932972. Los autores agradecen a todos los colaboradores de HamSCI, en particular a los de la Asociación de Radioaficionados de Tucson, el Observatorio Haystack del MIT, la Universidad de Scranton, el Instituto de Tecnología de Nueva Jersey y el Club de Radioaficionados Case (W8EDU).
Referencias
Frissell, N. A., et al. (2018), Modelado de sondeos de radioaficionados de la respuesta ionosférica al Gran Eclipse Americano de 2017, Geophys. Res. Lett., 45(10), 4,665–4,674, https://doi.org/10.1029/2018GL077324.
Kazdan, D., et al. (2019), Un receptor Doppler HF de ciencia ciudadana HamSCI de bajo costo para medir la variabilidad ionosférica, Resumen SA43C-3213 presentado en la reunión de otoño de 2019, AGU, San Francisco, California, 9-13 de diciembre de https://agu.confex.com/agu/fm19/meetingapp.cgi/Paper/602677.
Información del autor
Kristina Collins (kd8oxt@case.edu; indicativo KD8OXT) y David Kazdan (AD8Y), Universidad Case Western Reserve, Cleveland, Ohio; y Nathaniel A. Frissell (W2NAF), Universidad de Scranton, Scranton, Pensilvania.
Cita:
Collins, K., Kazdan, D. y Frissell, N. A. (2021), La radioafición forma una red de sensores de clima espacial del tamaño de un planeta, Eos, 102, https://doi.org/10.1029/2021EO154389. Publicado el 09 de febrero de 2021.
Texto © 2021. Los autores. CC BY-NC-ND 3.0
Salvo que se indique lo contrario, las imágenes están sujetas a derechos de autor. Queda prohibida cualquier reutilización sin el permiso expreso del propietario de los derechos de autor.