23.09.2016: Turbulenzen in der Ionosphäre, dem obersten Teil der Atmosphäre, können die Ursache für Ausfälle in der Satellitennavigation der Swarm-Satelliten sein. Zu diesem Ergebnis kam ein WissenschaftlerInnen-Team der GFZ-Sektion Erdmagnetfeld in einer Studie, erschienen in der Fachzeitschrift Space Weather. Die Studie wird nun von der Newsplattform EOS der American Geophysical Union AGU als „Spotlight“ präsentiert. EOS zeichnet damit „spannende aktuelle Forschung“ aus.
Das Dreier-Satellitengespann der Swarm-Mission der Europäischen Weltraumorganisation ESA erforscht seit 2013 das geomagnetische Feld der Erde und die Bedingungen in der Ionosphäre. Zur Überwachung der Position der Swarm-Satelliten und zu ihrer Navigation werden an Bord der Satelliten GPS-Empfänger eingesetzt, die gleichzeitig die Signale von bis zu acht GPS-Satelliten empfangen. In äquatorialen Breiten verloren die Swarm-Satelliten in der Vergangenheit regelmäßig, meist in den frühen Abendstunden, das Signal von einem oder mehreren GPS-Satelliten. Beim Verlust von mehr als vier Signalen ist eine genaue Positionsbestimmung der SWARM-Satelliten nicht mehr möglich – ein Totalausfall der Navigationssysteme droht. Dieser totale Signalverlust trat im Zeitraum zwischen Dezember 2013 und November 2015 insgesamt 166 Mal ein.
Die GFZ-WissenschaftlerInnen Dr. Chao Xiong, Prof. Claudia Stolle und Prof. Hermann Lühr, bringen diese umfassenden GPS-Signalverluste um den Äquator mit starken Veränderungen im sogenannten ionosphärischen Plasma (equatorial plasma irregularities EPSs) in Verbindung. „Eine Auswertung der Swarm-Daten ergab, dass die Signalstörungen der Satelliten immer dann auftraten, wenn es Anomalien in der Ionosphäre gab, die sich bänderförmig um den magnetischen Äquator herum ausbreiteten“, so Erstautor Chao Xiong. Diese Anomalien erreichten ihr Maximum jeweils nach Sonnenuntergang, zwischen 19 und 22 Uhr Ortszeit – dem Zeitraum der GPS-Signalstörungen.
Plasmaturbulenzen nach Sonnenuntergang
Die Ionosphäre beginnt ab etwa achtzig Kilometer Höhe und geht an ihrem oberen Ende in den Weltraum über. Sie enthält Ionen und freie Elektronen, da die vorkommenden Gase hier durch die Sonnenstrahlung ionisiert werden, sich also Ionen und Elektronen bilden, die man als Plasma bezeichnet. Im neutralen Zustand ist dieses Plasma gleichmäßig verteilt. Die Anomalien, die die WissenschaftlerInnen als Ursache für die Signalstörung vermuten, stellen eine Abnahme in der Dichte der Ionen und Elektronen dar. Da die Anomalien nach Sonnenuntergang auftreten nehmen die WissenschaftlerInnen an, dass die Ursache für die Dichteveränderungen im Äquatorbereich die spezielle Konstellation zwischen dem geomagnetischen Äquator und der Tag-Nacht-Linie ist.
Nach mehreren Updates in den Einstellungen der Swarm-GPS-Empfänger, wobei beispielsweise die empfangene Bandbreite erhöht wurde, trat kein umfassender Signalverlust mehr auf. Dr. Xiong: „Wir können nicht sicher sagen, ob das Problem des GPS-Signalverlusts dadurch gelöst wurde, da seitdem auch die Sonnenaktivität gesunken ist und deshalb in der Ionosphäre weniger Plasma erzeugt wird.“ Die WissenschaftlerInnen schließen, dass beides, eine Abnahme der Plasmadichte und die erhöhte Bandbreite der GPS-Empfänger, die Wahrscheinlichkeit des Verlustes von GPS-Satellitensignalen verringern. (ak)
Xiong, C., Stolle, C., Lühr, H., 2016. The Swarm satellite loss of GPS signal and its relation to ionospheric plasma irregularities. Space Weather, 14. DOI: 10.1002/2016SW001439
