Globalny eksperyment Google. 40 mln smartfonów w służbie nauki

Jonosfera to wirujące morze naładowanych cząstek, które znajduje się w górnej atmosferze Ziemi. Jony gromadzą się, gdy promieniowanie słoneczne zderza się z cząsteczkami gazu atmosferycznego, wybijając część ich elektronów.

Zmiany gęstości swobodnych elektronów w jonosferze są jednym z największych źródeł błędów w systemach nawigacji satelitarnej, takich jak Global Positioning System (GPS). Przestrzenne i czasowe fluktuacje w plazmie jonosfery w zależności od pory roku, pory dnia i czynników geograficznych, takich jak odległość od równika, wpływają na trajektorię sygnałów satelitarnych i zakłócają dokładność lokalizacji GPS.

Silniejsze zakłócenia w komunikacji satelitarnej i systemach nawigacyjnych są spowodowane przez wybuchy promieniowania z burz słonecznych - takich jak te w maju 2024 r., które wywołały spektakularne zorze polarne zarówno na półkuli północnej, jak i południowej.

W badaniu opublikowanym w czasopiśmie Nature naukowcy z Google Research opisują wykorzystanie pomiarów czujników z 40 mln telefonów z systemem Android do mapowania jonosfery z dokładnością, która dorównuje lub w niektórych częściach świata znacznie przewyższa poziom konwencjonalnej infrastruktury monitorującej.

Więcej o jonosferze przeczytasz na Spider's Web:

Chociaż każdy telefon komórkowy sam w sobie dostarcza zakłócone odczyty, badacze dowiedli, że rozległa sieć sygnałów pozyskiwanych w ramach crowdsourcingu może działać jako wysoce czuły instrument naukowy.

Co najważniejsze, osiągnięto to zachowując ważne zabezpieczenia prywatności - bez identyfikowania żadnych przyczyniających się do tego poszczególnych urządzeń.

Znajomość aktualnych warunków jonosferycznych pozwala odbiornikowi GPS zmniejszyć błąd lokalizacji o kilka metrów.

Sygnały GPS i inne sygnały nawigacyjne pochodzą z satelitów krążących około 19 000 - 40 000 km nad Ziemią. Sygnały te w dużej mierze przemieszczają się bez zakłóceń przez przestrzeń kosmiczną, aż do momentu uderzenia w plazmę jonosfery.

Wyższe stężenia swobodnych elektronów w jonosferze spowalniają i rozpraszają sygnały satelitarne. Odbiornik GPS opiera się na niezwykle precyzyjnym synchronizowaniu sygnału radiowego, aby ustalić położenie odbiornika. Tak więc opóźnienia spowodowane jonosferą prowadzą do błędów lokalizacji.

Odbiorniki GPS w większości telefonów wykorzystują prosty model korekcji, który może usunąć około połowy tych błędów.

Dedykowane stacje monitorujące na całym świecie wykrywają sygnały satelitarne i korygują błędy wywołane jonosferą, mierząc różnice czasowe między sygnałami radiowymi. Co najważniejsze, opóźnienie między sygnałami zależy od częstotliwości sygnału radiowego, jak również od warunków jonosferycznych.

Tak więc, mierząc różnicę w czasie przybycia dwóch sygnałów z tego samego satelity na dwóch różnych częstotliwościach, otrzymamy pomiar warunków jonosferycznych wzdłuż tej ścieżki.

Wiele dzisiejszych telefonów z Androidem ma odbiorniki GPS lub inne, które mogą wykrywać sygnały radiowe na dwóch częstotliwościach, więc w zasadzie telefony komórkowe mogą wykonywać te same obliczenia, co stacjonarne stacje monitorujące.

Ale telefony komórkowe mają znacznie mniejsze anteny i w przeciwieństwie do stacji monitorujących, które znajdują się pod otwartym niebem, sygnały z niektórych satelitów są blokowane przez budynki lub nawet osobę noszącą telefon. Ponadto każdy telefon ma swoje własne indywidualne odchylenie, dodając stałe przesunięcie rzędu mikrosekund do wszystkich pomiarów czasu, podczas gdy pomiar opóźnienia jest rzędu nanosekund.

Te odchylenia muszą zostać zmierzone i skorygowane, aby uzyskać sensowne wyniki. Pomiary wieloma telefonami rozwiązują ten problem, ponieważ można ustalić odchylenie każdego telefonu, porównując je z innymi telefonami.

Dwa telefony, które odbierają sygnały przechodzące przez ten sam fragment nieba w tym samym czasie, powinny zaobserwować to samo opóźnienie jonosferyczne. To ograniczenie pozwala wnioskować, jak duże odchylenie wnosi każdy telefon, rozwiązując gigantyczny warunek spójności. Łącząc te odchylenia z różnicami w czasie przybycia, można zmapować jonosferę na całym świecie.

Dzięki tej innowacyjnej metodzie nasze smartfony stały się potężnym narzędziem badawczym, pomagającym naukowcom lepiej zrozumieć naszą planetę i kosmos. A to z kolei oznacza, że w przyszłości możemy spodziewać się jeszcze bardziej zaawansowanych technologii, które ułatwią nam życie.