Vì sao các vệ tinh GPS mất liên lạc trên đường xích đạo giữa châu Phi và Nam Mỹ?

Được phóng lên vào năm 2013, bộ ba vệ tinh nhân tạo Swarm đang đo đạc và làm rõ các từ trường khác nhau xuất phát từ lõi, lớp phủ, lớp vỏ, đại dương, tầng điện ly và từ quyển của Trái đất, một nhiệm vụ ít nhất là trong bốn năm.

Như với nhiều vệ tinh, ba vệ tinh Swarm của ESA mang theo các máy thu GPS như là một phần của hệ thống định vị của chúng để các nhà khai thác giữ chúng trong các quỹ đạo chính xác. Ngoài ra, GPS chỉ rõ nơi các vệ tinh đang thực hiện các phép đo khoa học.

Tuy nhiên, đôi khi các vệ tinh bị mất kết nối GPS. Thực tế, trong hai năm đầu tiên của chúng ở quỹ đạo, các liên kết bị mất 166 lần.

Một bài báo được công bố gần đây mô tả cách Swarm đã tiết lộ, có một sự liên quan trực tiếp giữa những lần mất liên lạc và các cơn “giông bão” ở tầng điện ly, khoảng 300-600 km phía trên Trái đất.

Claudia Stolle từ trung tâm nghiên cứu GFZ ở Potsdam, Đức cho biết, “các cơn giông bão ở tầng điện ly đã được biết đến, nhưng bây giờ chúng tôi đã có thể chỉ ra một sự liên quan trực tiếp giữa các cơn bão này và sự mất kết nối với GPS.

“Điều này là nhờ Swarm vì đây là lần đầu tiên mà các kiểu tầng điện ly và GPS độ phân giải cao có thể được phát hiện từ cùng một vệ tinh.”

Những cơn giông bão này xảy ra khi số lượng các electron trong tầng điện ly trải qua những sự thay đổi lớn và nhanh chóng. Điều này có xu hướng xảy ra ở gần đường xích đạo từ của Trái Đất và thường chỉ trong một vài giờ giữa hoàng hôn và nửa đêm.

Như tên gọi của nó cho thấy, tầng điện ly là nơi mà các nguyên tử bị phá vỡ bởi ánh sáng mặt trời, dẫn đến các electron tự do. Một cơn giông bão sẽ tán xạ các electron tự do này, tạo ra các bong bóng nhỏ với rất ít hoặc không có vật chất bị ion hoá. Các bong bóng này gây nhiễu các tín hiệu GPS, làm cho các máy thu GPS của Swarm có thể bị mất liên lạc.

Nó tiết lộ ra rằng 161 trong số các sự kiện tín hiệu bị mất trùng hợp với những cơn giông bão ở tầng điện ly. Năm sự cố còn lại đều xảy ra trên các vùng cực và tương ứng với sự gia tăng gió mặt trời mạnh gây ra từ quyển bảo vệ trái đất khỏi bị “lung lay”.

Giải quyết được bí ẩn của hiện tượng mất liên lạc không chỉ là tin tốt đối với Swarm, mà còn đối với các vệ tinh quay ở quỹ đạo thấp khác gặp vấn đề tương tự. Điều đó có nghĩa là các kỹ sư có thể sử dụng kiến thức mới này để cải thiện các hệ thống GPS trong tương lai nhằm hạn chế mất tín hiệu.

Christian Siemes, làm việc tại ESA về nhiệm vụ này, cho biết, “Với ánh sáng của tri thức mới này, chúng tôi đã có thể điều chỉnh các máy thu GPS của Swarm để chúng mạnh mẽ hơn, dẫn đến mất liên lạc ít hơn”.

“Quan trọng hơn, chúng tôi có thể đo lường sự thay đổi tín hiệu GPS, điều mà không chỉ thú vị đối với các kỹ sư phát triển các công cụ GPS, mà cũng thú vị để nâng cao hiểu biết khoa học của chúng ta về các động lực ở tầng khí quyển cao.”

Nhà điều hành nhiệm vụ Swarm của ESA, Rune Floberghagen, nói thêm: “Những gì chúng ta thấy ở đây là một ví dụ nổi bật của việc một thách thức kỹ thuật được chuyển đổi thành một khoa học thú vị, bản chất thật sự của sứ mệnh Khám phá Trái đất như Swarm”.

“Những phát hiện mới này chứng minh rằng GPS có thể được sử dụng như một công cụ để nghiên cứu các động lực trong tầng điện ly liên quan đến hoạt động năng lượng mặt trời. Có lẽ một ngày nào đó chúng ta cũng sẽ có thể liên kết các cơn giông bão ở tầng điện ly với sét mà chúng ta thấy từ mặt đất.”

Linh Trang (Theo Phys)