Signaler (gula linjer) från GPS-satelliter kan avbrytas när lägre kretsande satelliter som Swarm flyger in i ekvatoriska plasmaoregelbundenheter. Den gröna linjen är en provelektrondensitetsprofil som mäts av Swarm-satelliterna under en av dessa händelser. Kredit:ESA–ATG medialab (GFZ kommenterad)
Satellitingenjörer har funderat över varför GPS-navigeringssystem på satelliter i låg omloppsbana som ESA:s Swarm ibland slocknar när de flyger över ekvatorn mellan Afrika och Sydamerika. Tack vare Swarm, det verkar som "åskväder" i jonosfären är skyldiga.
Lanserades 2013, Swarm-trion mäter och reder ut de olika magnetfälten som härrör från jordens kärna, mantel, skorpa, hav, jonosfär och magnetosfär – ett åtagande på minst fyra år.
Som med många satelliter, ESA:s tre Swarm-satelliter bär GPS-mottagare som en del av sitt positioneringssystem så att operatörerna håller dem i rätt omloppsbana. Dessutom, GPS pekar ut var satelliterna gör sina vetenskapliga mätningar.
Dock, ibland tappar satelliterna sin GPS-anslutning. Faktiskt, under deras första två år i omloppsbana, länken bröts 166 gånger.
En tidning som nyligen publicerades beskriver hur Swarm har avslöjat att det finns en direkt koppling mellan dessa strömavbrott och jonosfäriska "åskväder", cirka 300–600 km över jorden.
Claudia Stolle från GFZ forskningscenter i Potsdam, Tyskland sa, "Jonosfäriska åskväder är välkända, men nu har vi kunnat visa ett direkt samband mellan dessa stormar och förlusten av anslutning till GPS.
"Detta är tack vare Swarm eftersom det är första gången som högupplöst GPS och jonosfäriska mönster kan detekteras från samma satellit."
De röda prickarna på kartan visar var Swarm-C-satelliten förlorade sin GPS-anslutning mellan uppskjutningen i november 2013 och mars 2015. Dessa förluster i spårningssignal berodde på ekvatoriska plasmabubblor. Den gröna linjen betecknar den geomagnetiska ekvatorn. Kredit:NASA blå marmor/GFZ Potsdam/ESA Beskrivning
Dessa åskväder uppstår när antalet elektroner i jonosfären genomgår stora och snabba förändringar. Detta tenderar att hända nära jordens magnetiska ekvator och vanligtvis bara under ett par timmar mellan solnedgång och midnatt.
Som namnet antyder, jonosfären är där atomer bryts upp av solljus, vilket leder till fria elektroner. Ett åskväder sprider dessa fria elektroner, skapar små bubblor med lite eller inget joniserat material. Dessa bubblor stör GPS-signalerna så att Swarm GPS-mottagarna kan tappa spåret.
Det visar sig att 161 av de förlorade signalhändelserna sammanföll med jonosfäriska åskväder. De andra fem var över polarområdena och motsvarade ökade starka solvindar som får jordens skyddande magnetosfär att "vackla".
Att lösa mysteriet med blackouts är inte bara goda nyheter för Swarm, men också för andra lågomloppssatelliter som upplever samma problem. Det betyder att ingenjörer kan använda denna nya kunskap för att förbättra framtida GPS-system för att begränsa signalförluster.
Christian Siemes, som arbetar på ESA på uppdraget, sa, "I ljuset av denna nya kunskap, vi har kunnat ställa in Swarm GPS-mottagarna så att de är mer robusta, vilket resulterar i färre strömavbrott.
Magnetfältet och elektriska strömmar i och runt jorden genererar komplexa krafter som har en omätbar inverkan på vardagen. Fältet kan ses som en enorm bubbla, skydda oss från kosmisk strålning och laddade partiklar som bombarderar jorden i solvindar. Kredit:ESA/ATG medialab
"Viktigt, vi kan mäta variationer i GPS-signalen, vilket inte bara är intressant för ingenjörer som utvecklar GPS-instrument, men också intressant för att främja vår vetenskapliga förståelse av dynamik i övre atmosfären."
ESA:s Swarm mission manager, Rune Floberghagen, Lagt till, "Vad vi ser här är ett slående exempel på en teknisk utmaning som förvandlas till spännande vetenskap, en sann essens av ett Earth Explorer-uppdrag som Swarm.
"Dessa nya rön visar att GPS kan användas som ett verktyg för att förstå dynamiken i jonosfären relaterad till solaktivitet. Kanske kommer vi en dag också att kunna koppla dessa jonosfäriska åskväder med blixten vi ser från marken."
