Миллионы смартфонов помогли составить самые полные карты ионосферы в истории

Ионосфера — ионизированная часть верхней атмосферы, расположенная на высоте 50-1500 километров. Она представляет собой область разреженной слабоионизированной плазмы, состоящей из нейтральных атомов, свободных электронов, положительно и отрицательно заряженных ионов. Эта плазма — идеальная среда для распространения и отражения радиоволн (в основном за счет свободных электронов).

Общее содержание электронов в ионосфере меняется в зависимости от космической погоды. Когда большое количество электронов исчезает из ионосферы, появляются обширные зоны, «обедненные электронами», что создает помехи для сигналов спутниковых систем навигации типа GPS или ГЛОНАСС. Поэтому при определении местоположения в системе возникают ошибки.

Чтобы исправить их, специалисты используют приемники высококачественных наземных станций, которые предоставляют карты общего содержания электронов в ионосфере. Однако эти станции размещены в разных уголках планеты, в тысячах километров друг от друга, и в различных часовых поясах, что порождает в их данных неточности. Кроме того, такое оборудование есть не во всех странах, а значит, возникает проблема с составлением полных карт ионосферы. 

Команда американских инженеров программного обеспечения из Google Search под руководством Брайана Уильямса (Brian Williams) разработала метод, позволяющий сделать карты ионосферы более точными и полными. Об этом исследователи рассказали в статье, опубликованной в журнале Nature.

Уильямс и его коллеги проанализировали данные с 40 миллионов смартфонов на базе Android, чтобы рассчитать, как движения потоков заряженных частиц в ионосфере влияют на время прохождения радиосигналов между каждым телефоном и спутниками GPS на орбите. Ранее такой подход считался нецелесообразным, поскольку телефоны создают помехи в 30 раз больше, чем специальные станции GPS-мониторинга.

Исследователи обошли эту проблему, объединив данные с приемников смартфонов (в телефонах стоят приемники, которые принимают сигнал со спутников GPS), учитывая характеристики антенн и GPS-модуля в каждом телефоне. Это позволило удвоить охват измерений и составить точную карту ионосферы в тех частях земного шара, где нет специальных станций.

Благодаря проведенной работе инженеры смогли найти плазменные пузыри над Индией и Южной Америкой — «аномальное атмосферное явление», которое нарушает спутниковую связь и системы GPS, создавая помехи в ионосфере. Это явление достаточно сложно обнаружить профильными приборами. Кроме того, с помощью данных со смартфонов инженеры выявили среднеширотный ионосферный провал над Европой, определили его глубину и форму. 

Google уже планирует применить новый метод для повышения точности определения местоположения пользователей телефонов на базе Android — вероятно, погрешность GPS сократится до нескольких метров. Также этот способ пригодится ученым: с его помощью исследователи смогут проводить краткосрочное прогнозирование солнечных бурь, отслеживать ионосферные возмущения, вызванные магнитными бурями, извержениями вулканов, землетрясениями, цунами и даже пусками ракет.

Однако с методом команды Уильямса есть проблема. Он требует регионов с покрытыми GSM-сетями, что исключает некоторые малонаселенные пункты, где людям смартфоны просто не нужны. Кроме того, возникает проблема с океанами: там для непрерывного мониторинга ионосферы постоянно должны быть пользователи со смартфонами. Авторы научной статьи отметили, что в будущем планируют привлечь телефоны пассажиров авиакомпаний и паромов — такой подход восполнит недостающие данные над океанами.