UTA Grad Student James Earns NASA Fellowship to Study Ionospheric Currents

Thursday, Nov 18, 2021 • Greg Pederson :

A doctoral student in space physics at The University of Texas at Arlington has been awarded a prestigious fellowship to fund her research about electric currents in Earth’s ionosphere.

Tre’Shunda James earned a NASA Graduate Research Fellowship for her project, titled “Interhemispheric Asymmetries in Ionospheric Conductance: Observations and Model Comparisons.” Funding is provided by the NASA Office of STEM Engagement’s Minority Research and Education Project (MUREP).

James is the second UTA physics graduate student to receive a NASA GRF in the past three years following Pauline Dredger in 2019.

“Tre’Shunda is an excellent student and researcher and is highly deserving of this honor,” said Ramon Lopez, UTA distinguished professor of physics and James’ faculty Ph.D. advisor. “These are very prestigious awards and provide tuition, a stipend, and more, including support for extended visits to a NASA center (Goddard Space Flight Center in this case) to work with a NASA mentor there.”

James’ research focuses on electric currents in the ionosphere, which stretches roughly 50-400 miles above the Earth’s surface, at the very edge of space, and it is the portion of Earth’s atmosphere dominated by charged particles. She is specifically studying the differences in ionospheric currents during the summer and winter.

“I’m studying how the strength of those currents change with the seasons; we call that seasonal asymmetry,” James said. “Usually the strength of those currents is driven by things like the solstice. So the more sun, the more current you get in the ionosphere. We’re just empirically looking at the data for that and seeing does that really match what we expect.

“The current simulation models often assume there are equal amounts of current in both the north and south polar regions; they don’t fully take into account the asymmetry that is present because of seasonal changes with the solstice. We want to evaluate the current state of those models and see how accurately the models reproduce the measurement of the current for different seasons.”

The work is important because when ionospheric electric currents become very strong or are large in magnitude, they can severely disrupt various forms of technology. The ionosphere responds very strongly to changing magnetic and electric conditions in space. These and other conditions are called space weather and are usually caused by electromagnetic and particle radiation from the Sun in the form of solar storms. Understanding how well computer simulations can model these changes is essential to developing accurate space weather predictions.

The ionosphere is the layer through which satellites used for communication and navigation purposes on Earth must communicate. If the ionosphere is disturbed by solar storms, this can disrupt radio and GPS and other signals. In addition, fluctuating electric currents in the ionosphere can induce electric currents in power lines, damaging our electric grid and potentially causing widespread power outages.

James is using data from various satellites in her doctoral research, including information from AMPERE (Active Magnetosphere and Planetary Electrodynamics Response Experiment) iridium satellites, which provide data for currents flowing into and out of the ionosphere, and OMNI, which provides data about the solar wind at Earth.

Her receiving the highly competitive NASA fellowship is even more impressive considering that before coming to UTA, James was unfamiliar with the field of space physics. She studied planetary science as an undergraduate student at Occidental College, a small liberal arts school in Los Angeles. In her first semester at UTA, she took a class taught by Lopez. He asked if she had a faculty advisor for her Ph.D. yet and she said no. He explained his research and she was fascinated, as well as inspired by Lopez, who travels extensively and is involved in numerous international projects, as well as initiatives to improve science education.

“I found out Dr. Lopez did space physics, which isn’t completely different from astrophysics and planetary science like I was doing before, and it’s cool and actually directly impacts human life,” she said. “It was very interesting, so I joined his group and jumped into research.”

Lopez’s lab is involved in UTA’s CUSIA (Center for the Unified Study of Interhemispheric Asymmetries) project. CUSIA was funded by a grant from NASA’s Heliophysics DRIVE Science Centers program. Space weather affects Earth differently in the northern and southern hemispheres, and CUSIA was created to help find out why. The Center is comprised of UTA physics faculty Lopez, Dan Welling, Yue Deng, and Frederick Wilder; UTA graduate students; and collaborators at NASA and universities around the United States, as well as several other countries.

James’ research dovetails directly with CUSIA’s goals to (1) organize and lead observational and theoretical research on the physics that underpins interhemispheric asymmetries and their impact on geospace dynamics; and (2) develop global numerical models of the magnetosphere-ionosphere-thermosphere system that incorporate interhemispheric asymmetries, integrating the advances made through CUSIA research.

James grew up in Houston and “on a whim” took a physics course her junior year of high school. While she says physics didn’t come easily to her at first, she was motivated to get better at it. She chose Occidental College because she wanted a new experience and to get away from home for a bit, plus she got the opportunity to play college volleyball there. She originally planned to go into chemical engineering, but the engineering program at Occidental was open to juniors and seniors only. She focused on physics but when the time came when she could have switched to engineering, she decided to stay with physics instead.

She focused on planetary science and did internships for two years at NASA Jet Propulsion Laboratory in Pasadena, California, where she published a paper with her mentor. She studied the atmospheres of exoplanets, which are planets outside of the solar system, to see if they are habitable.

She graduated from Occidental College with a B.A. in Physics and a minor in Chemistry in 2019.

“At that point I knew I wasn’t ready for a ‘big girl’ job, so I decided to go to grad school to get more immersed into the field and find something that I wanted to pursue,” she said. She knew she wanted to be closer to home, and UTA stood out when she started looking online at programs.

“I realized UTA was different from the others specifically due to the diversity,” she said. “UTA was the exact opposite of my undergraduate school. It was very diverse, and I see that reflected in my graduate courses, which I very much appreciate. I applied to UTA with that being one of my main reasons.”

After earning her Ph.D. James would like to go into academia and eventually become involved in research projects with collaborators worldwide like her mentor, Lopez. She also wants to be the representation that was often missing for her in the earlier years of her education.

“I feel like representation is a major part; when I was growing up I didn’t have a second thought about space physics,” she said. “I didn’t even know it existed until I was here as a Ph.D. student, and that was at least partially due to the lack of representation. I came from a high school and undergrad school where I was usually the only female in my physics classes and the only African American student in my class, but when I came to UTA I started to see that diversity. It felt like home and an inclusive place for me. So I want to be that representation for others.”

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The UTA College of Science, a Texas Tier One and Carnegie R1 research institution, is preparing the next generation of leaders in science through innovative education and hands-on research and offers programs in Biology, Chemistry & Biochemistry, Data Science, Earth & Environmental Sciences, Health Professions, Mathematics, Physics and Psychology. To support educational and research efforts visit the giving page, or if you're a prospective student interested in beginning your #MaverickScience journey visit our future students page.

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Una estudiante de doctorado en física espacial en la Universidad de Texas en Arlington ha recibido una prestigiosa beca para financiar su investigación sobre las corrientes en la atmósfera superior de la Tierra.

Tre'Shunda James obtuvo una beca de investigación de posgrado de la NASA por su proyecto, titulado "Asimetrías interhemisféricas en el conducto ionosférico: observaciones y comparaciones de modelos". El financiamiento es proporcionado por el proyecto Minority Research and Education Project (MUREP) de la Oficina de Compromiso STEM de la NASA.

James es el segundo estudiante de posgrado de física de UTA en recibir un GRF de la NASA en los últimos tres años después de Pauline Dredger en 2019.

"Tre'Shunda es una excelente estudiante e investigadora y es muy merecedora de este honor", dijo el Dr. Ramón López, distinguido profesor de física de UTA y asesor de doctorado de la facultad de James. "Estos son premios muy prestigiosos y proporcionan matrícula, un estipendio y más, incluido el apoyo para visitas prolongadas a un centro de la NASA (El Centro de Vuelo Espacial Goddard en este caso) para trabajar con un mentor de la NASA allí".

La investigación de James se centra en las corrientes en la ionosfera, que se extiende aproximadamente a 50-400 millas sobre la superficie de la Tierra, en el borde mismo del espacio, y contiene todas las partículas cargadas en la atmósfera de la Tierra. Ella está estudiando específicamente las diferencias que hay en las corrientes ionosféricas durante el verano y el invierno.

"Estoy estudiando cómo la fuerza de esas corrientes cambia con las estaciones; a eso lo llamamos asimetría estacional", dijo James. "Por lo general, la fuerza de esas corrientes es impulsada por cosas como el solsticio. Así que cuanto más sol, más corriente se obtiene en la ionosfera. Solo estamos mirando empíricamente los datos para eso y viendo si eso realmente coincide con lo que esperamos.

“El estado actual de los modelos asume que hay cantidades iguales de corriente en el polo norte y el polo sur; no toman en cuenta la asimetría que está presente debido a los cambios estacionales con el solsticio. Queremos evaluar el estado actual de esos modelos y ver con qué precisión los modelos generan la medición de la corriente para diferentes estaciones ".

El trabajo es importante porque cuando las corrientes se vuelven muy fuertes o de gran magnitud, pueden alterar gravemente varias formas de tecnología. La ionosfera es altamente reactiva a los cambios de las condiciones magnéticas y eléctricas en el espacio. Estas y otras condiciones se denominan clima espacial y generalmente son causadas por radiación electromagnética y de partículas del Sol en forma de tormentas solares.

La ionosfera alberga muchos satélites que se utilizan con fines de comunicación y navegación en la Tierra. Si la ionosfera se ve interrumpida por tormentas solares, esto puede interrumpir el radio, el GPS y otras señales, causan daños a las naves espaciales y provocan cortes de energía generalizados.

James está utilizando datos de varios satélites en su investigación para el doctorado, incluida la información de AMPERE (Active Magnetosphere and Planetary Electrodynamics Response Experiment), que proporcionan datos para las corrientes en la ionosfera, y OMNI, que proporciona datos sobre el campo magnético de la Tierra.

Recibir la beca de la NASA es un gran logro, James antes de estudiar en UTA no estaba familiarizada con el campo de la física espacial. James estudió ciencias planetarias como estudiante de pregrado en Occidental College, una pequeña escuela de artes liberal en Los Ángeles. En su primer semestre en UTA, ella estaba en una clase que enseña el Dr. Lopez. El le pregunto que si ella tenía un asesor de la facultad para su Ph. D. y ella le respondió que no. El le explico su trabajo de investigación y ella quedo encantada, James fue inspirada por López, quien viaja extensamente y está involucrado en numerosos proyectos internacionales, así como iniciativas para mejorar la educación científica.

“Descubrí que el Dr. López estudio física espacial, lo que es muy similar a astrofísica y ciencias planetarias y eso es lo que yo estaba estudiando antes, esto es muy interesante y tiene un impacto directo en la vida humana", dijo. "Fue muy interesante, así que me uní a su grupo y me lancé a la investigación".

El laboratorio de López está involucrado en el proyecto CUSIA (Centro para el Estudio Unificado de Asimetrías Interhemisféricas) de UTA. CUSIA fue financiado por una subvención del programa Heliophysics DRIVE Science Centers de la NASA. El clima espacial afecta a la Tierra de manera diferente en los hemisferios norte y sur, y CUSIA fue creado para ayudar a averiguar por qué. El Centro está compuesto por la facultad de física de UTA, Dr. López, Dan Welling, Yue Deng y Frederick Wilder; Estudiantes graduados de UTA; y colaboradores en la NASA y universidades de todo Estados Unidos, así como en varios otros países.

La investigación de James encaja directamente con los objetivos de CUSIA de (1) organizar y dirigir la investigación observacional y teórica sobre la física que sustenta las asimetrías interhemisféricas y su impacto en la dinámica geoespacial; y (2) desarrollar modelos numéricos globales del sistema magnetosfera-ionosfera-termosfera que incorporen asimetrías interhemisféricas, integrando los avances realizados a través de la investigación CUSIA.

James creció en Houston y "por capricho" tomó un curso de física en su tercer año de secundaria. Si bien dice que la física no le resultó fácil al principio, estaba motivada para mejorar en eso. Eligió Occidental College porque quería una nueva experiencia y alejarse un poco de casa, además de tener la oportunidad de jugar voleibol en la Universidad. Originalmente planeó ingresar a ingeniería química, pero el programa de ingeniería en Occidental estaba abierto solo a estudiantes de tercer y cuarto año. Se centró en la física, pero cuando llegó el momento en que podría haber cambiado a la ingeniería, decidió seguir estudiando física.

Se centró en la ciencia planetaria e hizo pasantías durante dos años en el Laboratorio de Propulsión de la NASA en Pasadena, California, donde publicó un artículo con su mentor. Estudió las atmósferas de los exoplanetas, que son planetas fuera del sistema solar, para ver si son habitables.

Se gradúo del occidental college con un pregrado en física y con conocimientos en química.

"En ese momento sabía que no estaba lista para un trabajo de 'chica grande', así que decidí ir a la escuela de posgrado para sumergirme más en el campo y encontrar algo que quisiera perseguir", dijo. Sabía que quería estar más cerca de casa, y UTA era una de las preferencias cuando comenzó a buscar programas en línea.

"Me di cuenta de que UTA era diferente de las otras específicamente debido a la diversidad", dijo. "UTA era exactamente lo opuesto a mi escuela de pregrado. UTA es muy diverso, su diversidad la veo reflejada en mis clases de posgrado, lo cual aprecio mucho. Apliqué a UTA siendo esa una de mis principales razones".

Después de obtener su ph.D. James quiere ser profesora de alguna universidad y eventualmente involucrarse en proyectos de investigación con colaboradores de todo el mundo como su mentor, el Dr. López. James quiere ser la representación que le falto en sus primeros años de educación.

"Siento que la representación es una parte importante; cuando estaba creciendo no pensaba sobre física espacial", dijo. "Ni siquiera sabía que existía hasta que estuve aquí como estudiante de doctorado, y eso se debió, al menos en parte, a la falta de representación. Venía de una escuela secundaria y de pregrado donde generalmente era la única mujer en mis clases de física y la única estudiante afroamericana en mi clase, pero cuando llegué a UTA comencé a ver esa diversidad. Se sentía como en casa y un lugar inclusivo para mí. Así que quiero ser esa representación para los demás".