Was die Sonnenfinsternis mit GPS, Galileo und Funk macht
Wie verändert eine Sonnenfinsternis GPS- und Galileo-Signale? Das DLR untersucht die Ionosphäre und sammelt Daten für die Schifffahrt.
Die Sonnenfinsternis (hier ein Foto von 2024 aus den USA) wird zum natürlichen Forschungslabor. Das DLR untersucht Folgen für Satellitennavigation, Funk und R-Mode.
Foto: picture alliance / abaca | TNS/ABACA
Am 12. August 2026 nutzt das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) die totale Sonnenfinsternis als natürliches Experiment. Radarstationen, Empfänger für Satellitennavigation und neue VLF-Messanlagen sollen zeigen, wie die Ionosphäre auf den plötzlichen Einbruch der Sonneneinstrahlung reagiert.
Die Ergebnisse sind für GPS und Galileo sowie für R-Mode relevant. Dahinter steckt ein terrestrisches Navigationssystem, das Schiffe bei gestörtem oder ausgefallenem Satellitenempfang weiterhin mit Positionsdaten versorgen soll.
Der Kernschatten des Mondes zieht am 12. August über die Arktis, Grönland, Island und Spanien bis zu den Balearen. Deutschland erlebt die Finsternis nur partiell. Für die Forschenden ist vor allem der Verlauf über dem Nordatlantik interessant. Dort lässt sich die veränderte Ionosphäre mit mehreren voneinander unabhängigen Messverfahren beobachten.
Inhaltsverzeichnis
DLR kombiniert Radar-, GNSS- und VLF-Messungen
Das DLR-Institut für Solar-Terrestrische Physik in Neustrelitz bereitet mehrere koordinierte Messkampagnen vor. Gemeinsam mit der Forschungsorganisation EISCAT sollen inkohärente Streuradare in Tromsø und auf Spitzbergen zum Einsatz kommen.
Die Radaranlagen senden starke Funksignale in die obere Atmosphäre. Ein sehr kleiner Teil der Strahlung wird von den freien Elektronen zurückgestreut. Aus diesen Signalen lassen sich unter anderem Elektronendichte, Temperatur und Bewegungen des ionosphärischen Plasmas bestimmen.
Zusätzlich wertet das DLR Daten von Empfängern für Satellitennavigationssignale auf Grönland und Island aus. Die Messungen sollen zeigen, wie sich die Elektronendichte während der Finsternis verändert und welchen Einfluss dies auf GNSS-Signale hat. Zu den globalen Satellitennavigationssystemen zählen unter anderem das US-amerikanische GPS und das europäische Galileo.
Getestet werden dabei nicht die Satelliten selbst. Im Mittelpunkt steht der Weg ihrer Funksignale durch die Erdatmosphäre.
Warum die Ionosphäre Navigationssignale verzögert
Die Ionosphäre erstreckt sich ungefähr von 60 bis 1000 km Höhe. Extreme UV-Strahlung und Röntgenstrahlung der Sonne lösen dort Elektronen aus Atomen und Molekülen. So entsteht ein Plasma aus freien Elektronen und positiv geladenen Ionen.
GNSS-Signale müssen diese Region auf ihrem Weg zur Erde durchqueren. Die geladenen Teilchen verursachen eine frequenzabhängige Laufzeitverzögerung. Mehrfrequenzempfänger können einen großen Teil dieses Fehlers aus den unterschiedlichen Laufzeiten der Signale bestimmen. Andere Empfänger sind stärker auf Modelle und Korrekturdaten angewiesen.
Während einer Sonnenfinsternis fällt ein Teil der ionisierenden Sonnenstrahlung plötzlich weg. Die Elektronendichte sinkt jedoch nicht in allen Höhen gleichzeitig. Chemische Reaktionen, Bewegungen des Plasmas und die Kopplung mit anderen Atmosphärenschichten beeinflussen den zeitlichen Verlauf.
Genau diese Prozesse will das DLR mit Messungen und begleitenden Computersimulationen untersuchen. Der Vergleich zwischen Beobachtungen und Modellen soll helfen, Veränderungen der Ionosphäre genauer vorherzusagen.
Neue Empfänger beobachten die untere Ionosphäre
Ein weiterer Teil der Kampagne richtet sich auf die untere Ionosphäre in etwa 60 bis 90 km Höhe. Dafür nutzt das DLR zwei neue Stationen seines Global Ionospheric Flare Detection System, kurz GIFDS. Die Anlagen wurden im Mai 2026 im finnischen Nurmijärvi und am Nyrölä-Observatorium bei Jyväskylä installiert.
Die Stationen empfangen sehr niederfrequente VLF-Signale leistungsstarker Sender. Diese Funkwellen breiten sich im Wellenleiter zwischen Erdoberfläche und unterer Ionosphäre aus. Verändert sich die Ionosphäre, ändern sich auch die am Empfänger gemessene Phase und Amplitude der Signale.
Während der Sonnenfinsternis beobachtet das DLR unter anderem einen VLF-Sender im US-amerikanischen Cutler im Bundesstaat Maine. Der mittlere Abschnitt des Signalwegs zwischen dem Sender und den finnischen Empfangsstationen liegt im Bereich der Finsternis. Dadurch lässt sich untersuchen, wie sich die kurzzeitige Abschattung entlang der Funkstrecke auswirkt.
Was die Messungen mit R-Mode zu tun haben
Die Sonnenfinsternis setzt R-Mode nicht unmittelbar einem Belastungstest aus. Die VLF-Daten können jedoch helfen, den Einfluss der unteren Ionosphäre auf das Navigationssystem besser zu beschreiben.
R-Mode nutzt bestehende maritime Funkstationen, die Signale im Mittelwellenbereich um 300 kHz aussenden. Schiffe können aus den Laufzeiten der Signale ihre Entfernung zu mehreren Sendern bestimmen und daraus ihre Position berechnen. Das System soll eine zusätzliche Navigationsebene bieten, wenn GPS, Galileo oder andere Satellitendienste gestört werden.
Eine technische Schwierigkeit entsteht durch die gleichzeitige Ausbreitung als Boden- und Raumwelle. Die für die Entfernungsmessung genutzte Bodenwelle läuft entlang der Erdoberfläche. Ein weiterer Teil des Signals gelangt über die Ionosphäre zum Empfänger. Dort überlagern sich beide Signalanteile.
Je nach Zustand der unteren Ionosphäre kann diese Überlagerung die Positionsbestimmung verschlechtern. Das Forschungsprojekt AIR-MoPSy soll deshalb die zugrunde liegenden Ausbreitungsprozesse genauer erfassen. Es läuft von 2025 bis 2029.
Ziel sind realistischere Fehlerabschätzungen und ein Warnsystem für Situationen, in denen die geforderte Genauigkeit nicht erreicht wird. Nach Angaben des DLR sind für Hafenanfahrten Abweichungen von höchstens 10 m vorgesehen. In der Küstennavigation liegt der Zielwert bei 100 m.
Sonnenfinsternisse dienen schon lange als Forschungslabor
Die Untersuchung der Ionosphäre während einer Sonnenfinsternis ist nicht neu. Bereits bei der totalen Finsternis über Europa am 11. August 1999 analysierten DLR-Forschende Veränderungen des gesamten Elektronengehalts mithilfe von GPS-Daten. Sie beobachteten eine wandernde Zone mit verringerter Elektronendichte.
Eine weitere Forschungsgruppe wertete Daten von rund 100 GPS-Stationen in West- und Mitteleuropa aus. Das Minimum des gesamten Elektronengehalts trat je nach geografischer Lage etwa vier bis acht Minuten nach der stärksten Verdunkelung auf. Der Rückgang hielt ungefähr 60 Minuten an.
Auch die totale Sonnenfinsternis über Nordamerika im Jahr 2017 lieferte umfangreiche Messdaten. Radar- und GPS-Beobachtungen zeigten nicht nur einen Rückgang der Elektronendichte. Forschende registrierten außerdem bogenförmige Störungen, die sich entlang des Finsternispfads ausbreiteten.
Bei der nordamerikanischen Sonnenfinsternis 2024 beteiligten sich mehr als 6350 Funkamateure an einer Messkampagne. Sie erzeugten über 52 Mio. Datenpunkte. Funkverbindungen zwischen 1 und 7 MHz verbesserten sich teilweise, während sich Verbindungen ab 10 MHz verschlechterten.
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