Smartfony jako narzędzia do badania przestrzeni kosmicznej

Smartfony z systemem Android mogą przysłużyć się do poprawienia precyzji technologii GPS kilkukrotnie, dzięki badaniu jonosfery.

Zwykły smartfon, który nosisz w kieszeni, może być potężnym narzędziem do badania przestrzeni kosmicznej. W nowym badaniu naukowcy z Google oraz Uniwersytetu Kolorado Boulder (CU Boulder) przekształcili miliony telefonów z systemem Android na całym świecie w flotę mobilnych instrumentów naukowych – generując jedną z najbardziej szczegółowych map górnych warstw atmosfery Ziemi. Wyniki badania mogą poprawić precyzję technologii GPS nawet kilkukrotnie.

Odkrycie wprowadza zmiany w monitorowaniu zjawisk w atmosferze, takich jak bańki plazmowe występujące wysoko ponad powierzchnią Ziemi. „Telefony dosłownie mieszczą się w twojej dłoni” – mówi Jade Morton, profesor w Katedrze Inżynierii Lotniczej Uniwersytetu Kolorado. „Ale poprzez crowdsourcing możemy je wykorzystać, aby zmienić nasze pojęcie o przestrzeni kosmicznej”. Wyniki badania zostały opublikowane w listopadowym wydaniu czasopisma „Nature”.

Badanie koncentruje się na jonosferze, czyli rozrzedzonej warstwie atmosfery, rozciągającej się ponad 350 mil nad powierzchnię Ziemi. Jonosfera to niezwykle dynamiczne miejsce, w którym promienie słoneczne nieustannie bombardują atmosferę, rozbijając cząsteczki na naładowane cząstki, zwane plazmą. Jonosfera nigdy nie pozostaje w stanie spoczynku. W ciągu dnia, kiedy Słońce znajduje się nad danym obszarem, ilość naładowanych cząstek jest większa, natomiast w nocy ich koncentracja znacząco spada.

Zmienność wpływa na technologię GPS, która działa w oparciu o sygnały radiowe przekazywane przez satelity do twojego telefonu. „Technologia GPS opiera się na swego rodzaju zegarku w kosmosie” – wyjaśnia Morton. „Twój telefon określa twoje położenie, mierząc czas, jaki zajmuje dotarcie tych sygnałów na Ziemię”. Wszelkie zmiany w jonosferze mogą powodować zniekształcenia sygnałów radiowych, co wpływa na precyzję lokalizacji.

Obecnie naukowcy starają się uwzględnić zmienność jonosfery, mapując tę przestrzeń przy użyciu radarów naziemnych. Jednak w praktyce możliwe jest monitorowanie jedynie około 14% jonosfery w danym momencie, co oznacza, że precyzja GPS może sięgać tylko kilku do kilkunastu metrów. „Są aplikacje, które wymagają dużej dokładności, na przykład lądowanie samolotu” – dodaje Morton.

Naukowcy postanowili rozwiązać ten problem w nietypowy sposób. Zamiast polegać na drogich radarach, wykorzystali smartfony marki Android jako flotę przenośnych sensorów. Telefony zbierają dane na temat zakłóceń sygnałów radiowych, generując mapy pokazujące zmiany w jonosferze w czasie rzeczywistym. „Miliony telefonów mogą wykonać o wiele lepszą pracę niż nasza sieć radarów naziemnych” – stwierdza Morton.

W maju 2024 roku miało miejsce potężne zjawisko burzy słonecznej, która uderzyła w Ziemię. W odstępie kilku godzin po burzy, naukowcy zaobserwowali duże obszary o niskiej koncentracji naładowanych cząstek, zwane „bańkami plazmowymi”, unoszące się w atmosferze nad Ameryką Południową. Bańki rozprzestrzeniały się w górę jonosfery, podobnie jak wosk unosi się w lampie lawowej.

Badanie przeprowadzone przez Google i CU Boulder pokazuje, jak technologie codziennego użytku mogą stać się potężnymi narzędziami naukowymi. Smartfony, które są powszechnie dostępne na całym świecie, mogą generować ogromne ilości danych, które nie tylko poprawiają precyzję systemów nawigacyjnych, ale także pozwalają na szczegółowe badania przestrzeni kosmicznej.

Takie podejście ma swój odpowiednik w innych dziedzinach. Na przykład w badaniach klimatycznych coraz częściej wykorzystuje się technologię crowdsourcingu, aby monitorować zmiany klimatu. Projekty takie jak „Globe Observer” NASA angażują zwykłych obywateli w zbieranie danych na temat chmur, pokrywy lodowej czy innych zjawisk atmosferycznych. Dane te są potem analizowane przez naukowców, co przyczynia się do lepszego zrozumienia globalnych zmian klimatycznych.

Również w sektorze zdrowia publicznego mobilne technologie okazały się kluczowe. W czasie pandemii COVID-19 aplikacje na smartfony były używane do monitorowania rozprzestrzeniania się wirusa, śledzenia kontaktów oraz ostrzegania obywateli o potencjalnych zagrożeniach. Aplikacje pokazały, że telefony komórkowe mogą stać się ważnym narzędziem do zarządzania kryzysami zdrowotnymi na skalę globalną.

Jednym z kluczowych elementów badania przeprowadzonego przez Google i CU Boulder jest fakt, że zebrane dane zostały udostępnione publicznie. Każdy może obserwować, jak jonosfera zmieniała się w ciągu ośmiu miesięcy badań. Lizzie Dorfman, lider projektu Science AI w Google, zaznaczyła, że współpraca jest kluczowa dla postępu naukowego. Publiczne udostępnienie danych umożliwia dalsze badania oraz rozwój technologii, które mogą przyczynić się do poprawy życia na Ziemi.

Podana technologia może mieć zastosowanie w dziedzinie rolnictwa. Monitorowanie zmian w jonosferze pomoże rolnikom lepiej planować zasiewy i zbiory, dostosowując się do zmiennych warunków atmosferycznych. Również przemysł lotniczy może czerpać korzyści z takich badań, poprawiając precyzję systemów nawigacyjnych i zmniejszając ryzyko błędów podczas lotów.

Dzięki połączeniu zaawansowanych technologii, takich jak AI oraz technologie mobilne, naukowcy mogą teraz uzyskać dostęp do danych, które dotychczas były nieosiągalne. Nowe systemy ukazują możliwości dla dalszych badań oraz zwiększa szanse na skuteczne rozwiązanie problemów, przed którymi stoi nasza planeta.

Szymon Ślubowski