I raggi solari mantengono ionizzata una parte delle molecole dell’alta atmosfera, causando anomalie nella propagazione delle onde radio.Credito: JSC/NASA
Per la prima volta, i ricercatori hanno utilizzato i dati in tempo reale provenienti da circa 40 milioni di telefoni cellulari per mappare le condizioni nella ionosfera, una regione dell’alta atmosfera in cui alcune molecole d’aria sono ionizzate. Tali segnali di crowdsourcing potrebbero migliorare la navigazione satellitare, soprattutto in aree del mondo dove i dati sarebbero altrimenti scarsi, tra cui Africa, Sud America e Asia meridionale.
Lo studio di prova di principio, condotto da un team di Google, è stato pubblicato nel Natura il 13 novembre1.
“Si tratta di un set di dati straordinario”, afferma Anthea Coster, fisica dell’atmosfera presso il Massachusetts Institute of Technology di Cambridge. “Riempe molto la mappa, nelle aree in cui abbiamo un disperato bisogno di maggiori informazioni”.
I dati telefonici potrebbero ridurre gli errori GPS del 10-20% in alcune aree, e di più nelle regioni meno servite, stima Ningbo Wang, fisico atmosferico presso l’Istituto di ricerca sull’informazione aerospaziale dell’Accademia cinese delle scienze di Pechino. Anche con gli aggiustamenti, l’interferenza della ionosfera rimane una sfida, dice, soprattutto durante le tempeste solari che innescano condizioni irregolari nella ionosfera. “I risultati presentati sono davvero impressionanti.”
Doppia banda
Quando l’aria è parzialmente ionizzata, gli elettroni che si muovono liberamente rallentano leggermente i segnali radio che viaggiano verso la Terra dal GPS e da altri satelliti di navigazione. Ciò può influenzare la precisione dei nanosecondi utilizzata dai dispositivi di navigazione satellitare per individuare la propria posizione, con impatti potenzialmente gravi sugli atterraggi di aerei e sui veicoli autonomi.
Le mappe in tempo reale della densità di questi elettroni sono comunemente utilizzate per correggere le fluttuazioni nella ionosfera. Gli ingegneri creano le mappe utilizzando i dati provenienti da stazioni riceventi a terra, che possono rilevare i tempi di arrivo di due diverse frequenze di onde radio ricevute dallo stesso satellite. Gli elettroni nella ionosfera rallentano le onde a bassa frequenza più di quelle ad alta frequenza, di un nanosecondo circa. Questa differenza rivela la densità degli elettroni attraversati dall’onda nel suo percorso verso un ricevitore.
Senza queste correzioni, il GPS si sposterebbe di circa 5 metri e di decine di metri durante le tempeste solari, quando le particelle cariche provenienti dal Sole possono aumentare la densità elettronica. Ma in molte regioni del mondo mancano le stazioni riceventi a terra utilizzate per realizzare queste mappe.
Una miniera d’oro rumorosa
Sebbene non tutti i dispositivi di navigazione satellitare possano funzionare a più frequenze, spesso i telefoni moderni lo fanno. Inoltre, in precedenza non si pensava che i sensori dei telefoni fossero utilizzabili per mappare la ionosfera, afferma Brian Williams, informatico di Google a Mountain View, California, e coautore dello studio. Questo perché i dati dei telefoni cellulari sono molto più rumorosi di quelli dei ricevitori scientifici appositamente costruiti, anche perché ricevono i segnali solo in modo intermittente e perché le onde radio rimbalzano sugli edifici vicini nei centri abitati.
Il team di Google è riuscito in parte grazie alla quantità di dati ottenuti. “Se combinati in grandi numeri, il rumore si stabilizza e si ottiene comunque un segnale chiaro”, afferma Williams. “È come se ci fosse una stazione di monitoraggio scientifico in ogni città dove ci sono i telefoni.”
Chiunque avesse un telefono Android e consentisse a Google di raccogliere dati dai sensori per migliorare la precisione della posizione poteva contribuire allo studio. Ma i dati sono stati aggregati in modo tale che i singoli dispositivi non siano identificabili, afferma l’azienda.
Williams afferma che sono già in corso sforzi per utilizzare questa tecnica per migliorare la precisione della posizione per gli utenti Android. Ma i dati dovrebbero essere utili anche per gli studi scientifici sull’atmosfera superiore della Terra, dice. La mappa ha già rivelato bolle nel gas ionizzato, noto come plasma, sul Sud America che non erano state precedentemente osservate in dettaglio.
Affinché la scienza possa davvero trarne beneficio, Google dovrà rilasciare i dati, afferma Coster, che lavora al Madrigal Database, una risorsa comunitaria per i dati geospaziali che riunisce i dati della ionosfera provenienti da migliaia di stazioni di terra. Lo ha detto un portavoce di Google Naturaha detto al news team che i dati alla base dello studio verranno pubblicati insieme al documento, ma al momento non è prevista la fornitura di dati aggiornati in tempo reale.
I ricercatori stanno lavorando per utilizzare altri sensori degli smartphone in altri modi. Il sistema Android Earthquake Alerts System di Google nel 2020 ha mostrato come gli accelerometri nei telefoni delle persone potrebbero rilevare i terremoti e avvisare coloro che dovevano ancora essere colpiti. Gli utenti Apple possono accedere a un’app che utilizza una tecnologia simile.
Finora gli scienziati hanno considerato i telefoni come gli utenti finali dei servizi di navigazione, spiega Wang. Capovolgere tutto questo per utilizzare le misurazioni telefoniche come dati di input è un “territorio nuovo”, afferma. “Questo documento segna un cambiamento entusiasmante”.
