Satellietingenieurs hebben zich afgevraagd waarom GPS-navigatiesystemen op satellieten in een lage baan, zoals ESA's Swarm, soms uitvallen wanneer ze over de evenaar tussen Afrika en Zuid-Amerika vliegen. Dankzij Zwerm, het lijkt erop dat 'onweersbuien' in de ionosfeer de schuldige zijn.

Gelanceerd in 2013, het Swarm-trio meet en ontwart de verschillende magnetische velden die voortkomen uit de kern van de aarde, mantel, korst, oceanen, ionosfeer en magnetosfeer - een onderneming van ten minste vier jaar.

Zoals bij veel satellieten, De drie Swarm-satellieten van ESA dragen GPS-ontvangers als onderdeel van hun positioneringssysteem, zodat operators ze in de juiste banen houden. In aanvulling, GPS lokaliseert waar de satellieten hun wetenschappelijke metingen doen.

Echter, soms verliezen de satellieten hun GPS-verbinding. In feite, tijdens hun eerste twee jaar in een baan om de aarde, de link werd 166 keer verbroken.

Een onlangs gepubliceerd artikel beschrijft hoe Swarm heeft onthuld dat er een direct verband bestaat tussen deze black-outs en ionosferische 'onweersbuien', ongeveer 300-600 km boven de aarde.

Claudia Stolle van het onderzoekscentrum GFZ in Potsdam, Duitsland zei, "Ionosferische onweersbuien zijn bekend, maar nu hebben we een direct verband kunnen aantonen tussen deze stormen en het wegvallen van de verbinding met GPS.

"Dit is te danken aan Swarm omdat het de eerste keer is dat GPS met hoge resolutie en ionosferische patronen van dezelfde satelliet kunnen worden gedetecteerd."

Deze onweersbuien doen zich voor wanneer het aantal elektronen in de ionosfeer grote en snelle veranderingen ondergaat. Dit gebeurt meestal dicht bij de magnetische evenaar van de aarde en meestal slechts een paar uur tussen zonsondergang en middernacht.

Zoals de naam al doet vermoeden, de ionosfeer is waar atomen worden afgebroken door zonlicht, wat leidt tot vrije elektronen. Een onweersbui verstrooit deze vrije elektronen, het creëren van kleine belletjes met weinig of geen geïoniseerd materiaal. Deze bubbels verstoren de GPS-signalen waardoor de Swarm GPS-ontvangers het spoor kunnen verliezen.

Het blijkt dat 161 van de verloren signaalgebeurtenissen samenvielen met ionosferische onweersbuien. De andere vijf bevonden zich boven de poolgebieden en kwamen overeen met toegenomen sterke zonnewinden die ervoor zorgen dat de beschermende magnetosfeer van de aarde 'wankelt'.

Het oplossen van het mysterie van black-outs is niet alleen goed nieuws voor Swarm, maar ook voor andere satellieten in een lage baan die hetzelfde probleem ondervinden. Het betekent dat ingenieurs deze nieuwe kennis kunnen gebruiken om toekomstige GPS-systemen te verbeteren om signaalverliezen te beperken.

Christelijke Siemes, die bij ESA werkt aan de missie, zei, "In het licht van deze nieuwe kennis, we hebben de Swarm GPS-ontvangers kunnen afstemmen, zodat ze robuuster zijn, waardoor er minder uitval is.

"Belangrijk, we kunnen variaties in het GPS-signaal meten, wat niet alleen interessant is voor ingenieurs die GPS-instrumenten ontwikkelen, maar ook interessant om ons wetenschappelijk begrip van de dynamiek van de hogere atmosfeer te vergroten."

ESA's Swarm-missiemanager, Rune Floberghagen, toegevoegd, "What we see here is a striking example of a technical challenge being turned into exciting science, a true essence of an Earth Explorer mission such as Swarm.

"These new findings demonstrate that GPS can be used as a tool for understanding dynamics in the ionosphere related to solar activity. Perhaps one day we will also be able to link these ionospheric thunderstorms with the lightning we see from the ground."