Die Erdatmosphäre wird als ein “Labor” genutzt, um ein physikalisches Experiment durchzuführen, das dabei helfen könnte, die Leistungsfähigkeit des GPS-Systems zu verbessern. An dem Forschungsprojekt ist die University of Strathclyde mitbeteiligt.
Die Studie demonstriert eine neue Methode, um das Plasma in der Ionosphäre aus der Ferne zu überwachen und die Wellentypen auf eine Weise zu kontrollieren, die dem Global Positioning System (GPS) bessere Berechnungen im Angesicht extremer Weltraumwetterphänomene ermöglichen. Die Forscher führten ein kontrolliertes Radarwellenexperiment durch, indem sie Radiowellen mit leicht unterschiedlichen Frequenzen in die Ionosphäre emittierten.
Das reflektierte Signal wurde dann aufgezeichnet und analysiert. Die Forscher stellten fest, dass die Plasmawellen in der Ionosphäre angeregt wurden und dass nicht-lineare Wellen vermischt wurden, was zu einem breiten Spektrum an nicht-linearen Frequenzen in dem reflektierten Signal führte. Das Plasma in der Ionosphäre spielt eine entscheidende Rolle bei der Reflexion und Modifizierung von Radiowellen, die zur Kommunikation und für Radionavigationssysteme wie GPS verwendet werden. Aber die Genauigkeit dieser Systeme kann durch Weltraumwetterereignisse wie Sonnenstürme beeinflusst werden.
Das Experiment wurde an der EISCAT-Einrichtung bei Tromsø (Norwegen) durchgeführt und die Studie wurde im Journal Nature Communications veröffentlicht.
Dr. Bengt Eliasson, ein Dozent am Department of Physics der University of Strathclyde, war an der Studie beteiligt und sagte: “Die Ionosphäre ist Teil der oberen Erdatmosphäre zwischen 80 und etwa 1.000 Kilometern Höhe, wo extreme Sonnenstrahlung im Ultraviolett- und Röntgenbereich die Atome und Moleküle ionisiert und eine Plasmaschicht erzeugt. Andere Phänomene wie energetische, geladene Teilchen und kosmische Strahlen haben ebenfalls eine ionisierende Wirkung und können zur Plasmadichte der Ionosphäre beitragen.
“Die Entdeckung der Ionosphäre geht auf frühe Radiowellenbeobachtungen vor mehr als einem Jahrhundert zurück. Man erkannte, dass nur eine reflektierende Schicht aus Elektronen und Ionen die Beobachtungen erklären konnte. Frühe Forschungsarbeiten zielten darauf ab, die verschiedenen Schichten in der Ionosphäre und deren Veränderlichkeit mittels Faktoren wie lokaler Zeit, Breitengrad und Jahreszeit zu erklären.
“Heute hat sich die Ionosphärenforschung in eine Richtung verlagert, die die Dynamiken und die Plasmaphysik der ionosphärischen Phänomene zu verstehen versucht, insbesondere aufgrund sonnenbedingter Störungen, die als Weltraumwetterereignisse bezeichnet werden. Diese Weltraumwetterereignisse erhöhen dynamisch die Anzahl der Elektronen in der Ionosphäre. GPS-Systeme können diese Dynamik nicht korrekt modellieren, weshalb bei der Positionsberechnung dann Fehler auftreten”, sagte Eliasson.
“Die aktive Kontrolle der angeregten Wellentypen in der Ionosphäre, die in unserem Artikel beschrieben wird, hat das Potenzial, neue und bessere Diagnostiken der Temperatur, Dichte, Magnetfelder und Ionenzusammensetzung zu liefern, was die GPS-Positionsberechnungen in Zeiten von Störungen verbessern könnte”, sagte Eliasson.
An der Studie waren auch Mitarbeiter des Rutherford Appleton Laboratory, der University of St Andrews, der EISCAT Association in Norwegen und der University of Lisbon in Portugal beteiligt.
EISCAT ist eine internationale Zusammenarbeit, die von Forschungsorganisationen in China (CRIRP), Finnland (SA), Japan (NIPR und ISEE), Norwegen (NFR), Schweden (VR) und dem Vereinigten Königreich (UKRI) unterstützt wird.
(THK)
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