Per la prima volta, i ricercatori hanno utilizzato i dati in tempo reale di circa 40 milioni di telefoni cellulari per mappare le condizioni nella ionosfera, una regione dell’atmosfera superiore in cui alcune delle molecole d’aria sono ionizzate. Tali segnali di crowdsourcing potrebbero migliorare la navigazione satellitare, soprattutto in aree del mondo in cui i dati sono altrimenti scarsi, tra cui Africa, Sud America e Asia meridionale.

Lo studio proof-of-principle, condotto da un team di Google, è stato pubblicato su Nature il 13 novembre¹.

“È un set di dati straordinario”, afferma Anthea Coster, fisica dell’atmosfera presso il Massachusetts Institute of Technology di Cambridge. “Riempie molto la mappa, in 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’Aerospace Information Research Institute dell’Accademia cinese delle scienze di Pechino. Anche con gli aggiustamenti, l’interferenza della ionosfera rimane una sfida, dice, specialmente 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 influire sulla precisione dei nanosecondi che i dispositivi di navigazione satellitare utilizzano per individuare la loro posizione, con impatti potenzialmente gravi sugli atterraggi degli aerei e sui veicoli autonomi.

Le mappe in tempo reale della densità di questi elettroni sono comunemente usate per correggere le fluttuazioni nella ionosfera. Gli ingegneri creano le mappe utilizzando i dati provenienti da stazioni riceventi a terra, in grado di 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 circa un nanosecondo. Questa differenza rivela la densità degli elettroni che l’onda ha attraversato nel suo percorso verso un ricevitore.

Senza queste correzioni, il GPS si troverebbe 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 creare queste mappe.

Bonanza rumorosa

Sebbene non tutti i dispositivi di navigazione satellitare possano funzionare a più frequenze, i telefoni moderni spesso lo fanno. Inoltre, in precedenza non si pensava che i sensori dei telefoni fossero praticabili per mappare la ionosfera, afferma Brian Williams, informatico di Google a Mountain View, in California, e coautore dello studio. Questo perché i dati dei telefoni cellulari sono molto più rumorosi di quelli dei ricevitori scientifici appositamente costruiti, non da ultimo perché ricevono i segnali solo in modo intermittente e perché le onde radio rimbalzano sugli edifici vicini nei centri abitati.

Il team di Google ci è riuscito in parte grazie al volume di dati ottenuti. “Se combinato in grandi numeri, il rumore fa la media 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 abbia un telefono Android – e che consenta a Google di raccogliere i dati dei sensori per migliorare la precisione della posizione – è stato idoneo a 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 anche essere utili per gli studi scientifici dell’atmosfera superiore della Terra, dice. La mappa ha già rivelato bolle nel gas ionizzato, noto come plasma, sopra il Sud America che non erano state precedentemente osservate in dettaglio.

Affinché la scienza ne tragga davvero beneficio, Google dovrà rilasciare i dati, afferma Coster, che lavora al Madrigal Database, una risorsa comunitaria per i dati dei geospaziali che riunisce i dati della ionosfera provenienti da migliaia di stazioni di terra. Un portavoce di Google ha detto al team di notizie di Nature che i dati alla base dello studio saranno rilasciati insieme al documento, ma al momento non ci sono piani per fornire nuovi dati in tempo reale.

I ricercatori stanno lavorando sull’utilizzo di altri sensori per smartphone in altri modi. Il sistema di allerta terremoti Android di Google nel 2020 ha mostrato come gli accelerometri nei telefoni delle persone possano rilevare i terremoti e avvertire gli altri che devono ancora essere colpiti. Gli utenti Apple possono accedere a un’app che utilizza una tecnologia simile.

Fino ad ora, gli scienziati hanno pensato ai telefoni come utenti finali dei servizi di navigazione, afferma Wang. Capovolgere questo per utilizzare le misurazioni telefoniche come dati di input è “un territorio nuovo”, afferma. “Questo documento segna un cambiamento entusiasmante”.

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Referenze

1. Smith, J. et al. Natura 635, 365–369 (2024).