GPS gaat last krijgen van de zon
Nu de zon langzaam lijkt te ontwaken, gaan wetenschappers zich buigen over de mogelijke gevolgen die een actieve zon kan hebben voor ons dagelijks leven. Het begon al met de zorgen over de verslaggeving van de Olympische spelen in 2012, waar extreme zonne-activiteit de noodzakelijke verbindingen zou kunnen storen. Maar ook GPS staat op de lijst van services die een probleem gaan krijgen.
De onregelmatige activiteit van de zon kan een desastreus effect hebben op de ontvangst van de zwakke navigatie-signalen die we gebruiken. De laatste keer dat de zonne-activiteit een maximum vertoonde, was GPS nog maar nauwelijks een consumentenproduct. Maar de zon is op weg naar zijn volgende maximum, en dat kon wel eens grote en onvoorspelbare navigatie-fouten op gaan leveren.
Het huidige navigatie-concept is voornamelijk gebaseerd op het Amerikaanse GPS systeem en Ruslands Glonass netwerk, met nog wat potentiële nieuwkomers in de vorm van Europa's Galileo project en het Chinese Compass systeem.
Plaatsbepaling is in de basis een eenvoudige driehoeksberekening. Een zwerm satellieten die om de aarde cirkelen stralen constant een radiosignaal naar beneden met twee zeer nauwkeurige informatie-componenten: waar de satelliet in kwestie precies is, en op welke tijd hij dat is.
Een navigatie-ontvanger op aarde – of op een schip of vliegtuig – is uitgerust met een behoorlijk nauwkeurige klok plus de mogelijkheid om signalen te ontvangen van die satellieten die binnen zichtbereik zijn. Daarna berekent de ontvanger, op basis van hoelang de radiosignalen er over gedaan hebben om de ontvanger te bereiken, hoever de ontvanger van de satellieten verwijderd is. En na wat goniometrische berekeningen weet hij exact waar hij is. Samengevat:
- Satellieten zenden hun exacte positie uit, plus de preciese tijd waarop ze dat deden
- Het signaal reist door de buitenste atmosfeer, de ionosfeer; de snelheid van het signaal is afhankelijk van de sterkte van de straling van de zon. Zonne-wind in de vorm van (geladen) deeltjes beïnvloeden de samenstelling van de ionosfeer.
- Een ontvanger op aarde bepaalt hoe lang de signalen van een aantal satellieten er over deden om bij die ontvanger aan te komen en berekent zijn positie op basis van die tijdverschillen
Maar die signalen zijn onvoorstelbaar zwak en daarnaast komen de geleerden er nu geleidelijk aan achter dat ze gevoelig zijn voor de activiteit op de zon.
Solar flares – grote uitbarstingen van magnetische energie vanaf het oppervlak van de zon – verspreiden straling over het complete magnetische spectrum, van radiogolven met lage energie tot gamma-straling met hoge energie, tesamen met uitbarstingen van deeltjes met hoge energie, in de richting van de aarde.
De straling of radiogolven die van de zon afkomen kunnen ervoor zorgen dat navigatie-ontvangers niet meer in staat zijn om de zwakke signalen van de satellieten uit het geweld van de zonne-uitbarstingen te halen. En er is maar weinig dat de huidige technologie eraan kan doen om het probleem te verhelpen, met uitzondering van complexe richtinggevoelige antennes zoals die door militairen toegepast worden. Navigatie-systemen zullen tientallen minuten "verblind" worden, tijdens het zonnevlekkenmaximum waarschijnlijk een aantal malen per jaar.
Een verdere complicatie wordt veroorzaakt door de opbouw van de buitenste laag van de aardse atmosfeer, de ionosfeer. Die is gedeeltelijk samengesteld uit geïoniseerde deeltjes, welke geïoniseerd zijn door de straling van de zon, en daarmee is de samenstelling dus afhankelijk van de momentele straling die van de zon afkomstig is.
Het probleem wordt veroorzaakt doordat de navigatie-berekeningen er vanuit gaan dat de snelheid waarmee de radiosignalen van de satellieten naar de ontvanger reizen, constant is – en dat is in de ionosfeer niet noodzakerlijkerwijs het geval.
"Het punt is hoe snel de signalen in werkelijkheid de weg afgelegd hebben," zegt Cathryn Mitchell van de Universiteit van Bath. "Zodra ze in de ionosfeer terecht komen, vertragen ze met een factor die in de praktijk behoorlijk variabel is, en dat veroorzaakt een fout in het systeem als je met deze waarden je positie gaat bepalen," zegt Mitchell.
De hoeveelheid zonne-activiteit maakt diverse stadia door; de ionisatie zal verschillen tussen de naar de zon gerichte kant van de aarde en de donkere kant, verschillen tussen zomer en winter; elk van deze situaties veroorzaken een kleine fout in de berekening van de positie van de ontvanger. Maar de verstoring als gevolg van solar flares is significant groter.
De toegenomen straling zal meer moleculen ioniseren, en de uitbarsting van deeltjes kan gevangen raken in de ionosfeer als gevolg van de aantrekkingskracht van de aarde. De gevolgen die gebruikers van navigatie-systemen hiervan ondervinden, zijn nog moeilijk te voorspellen.
"We kunnen de metingen van het laatste zonnevlek-maximum erbij pakken," zegt Professor Mitchell. "Als we die extrapoleren, variëren de effecten met de plaats waar je je op aarde bevindt; in Engeland zal er een fout van een meter of 10 optreden in de plaatsbepaling."
De fouten zullen veel langer aanhouden dan het eerder genoemde "verblindings" probleem, en uren of zelfs dagen aanhouden. "Een fout van tien meter is vermoedelijk nog geen probleem voor navigatie in een auto, maar als je GPS gebruikt voor veiligheids-kritische toepassing zoals een schip dat in de haven moet aanleggen of wellicht in de toekomst het landen van vliegtuigen (GPS mag momenteel in de luchtvaart niet als primaire navigatie gebruikt worden – red.), dan hebben we het over een veel grotere precisie en betrouwbaarheid."
Bob Cockshott, directeur van het door de Engelse overheid gesubsidieerde Digital Systems Knowledge Transfer Network, zei dat voor de meeste consumentengebruikers zoals automobilisten het probleem meer vervelend dan gevaarlijk zal zijn. "Het zou kunnen dat je een paar uur of misschien twee dagen niet in staat zal zijn om op onderzoek uit te gaan, of je olietanker aan te leggen bij een booreiland in de oceaan," zei hij tegen BBC Nieuws. "Het is meer van een niveau dat het vervelend is dan dat je er failliet aan zal gaan."
Er zijn een aantal voorstellen gedaan om real-time correcties toe te passen op de signalen als de atmosfeer verandert, die dan aan navigatie-ontvangers doorgegeven worden via andere netwerken zoals het mobiele telefoonnetwerk.
Mr Cockshott betwijfelt echter of zo'n correctie economisch gezien rendabel is voor de fabrikanten van navigatie-apparatuur.
Dus, met de komende jaren de toenemende zonne-activiteit in het vooruitzicht, hou er rekening mee dat je navigatie-systeem zo af en toe vreemde resultaten weer kan geven – of zelfs tijdelijk helemaal niet kan werken.