DLR-Kamera beobachtet Ursache von GPS-Störungen über Teneriffa
Christopher Geach
- All-Sky-Imager nimmt äquatoriale Plasma-Blasen in der Ionosphäre über Teneriffa auf.
- Zeitgleich werden starke Schwankungen des Navigationssatelliten-Signals aufgezeichnet.
- Damit gelingt dem DLR ein direkter Nachweis des Zusammenhangs zwischen Plasma-Blasen in der Ionosphäre und den Schwankungen von Satellitensignalen.
- Die Beobachtungen wurden auf dem Internationalen Symposium für Äquatoriale Aeronomie vorgestellt.
- Schwerpunkte: Weltraumwetter, Raumfahrt, Sicherheit
Ende 2024 detektierte die DLR-Fischaugenkamera Plasma-Blasen in der Ionosphäre über Teneriffa. Gleichzeitig wurden starke Schwankungen von Satellitensignalen, sogenannte Szintillationen, gemessen. Damit gelang es den Forschenden des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) erstmals, den Zusammenhang zwischen Szintillationen und dem Auftreten von Plasma-Blasen in der Ionosphäre nachzuweisen. Die Ergebnisse der ersten Beobachtungen stellte das DLR-Institut für Solar-Terrestrische Physik auf dem Internationalen Symposium für Äquatoriale Aeronomie (ISEA-17) vor.
Störungen von Satellitensignalen nicht nur bei Sonnenstürmen
Während der in den letzten Jahren gehäuft auftretenden Polarlichter über Deutschland – zuletzt im Januar 2026 – wurde intensiv über den Einfluss der Ionosphäre auf Signale des Globalen Positionsbestimmungssystems (GPS) diskutiert. Bei starken Sonnenstürmen kann die geladene Schicht der oberen Atmosphäre erheblich gestört werden. Folgen sind Positionsfehler, Signalabbrüche oder Ungenauigkeiten bei satellitengestützter Navigation.
Nicht nur geomagnetische Stürme beeinflussen die Satellitennavigation. Auch unter vergleichsweise ruhigen Weltraumbedingungen treten Effekte auf, die GPS-Signale erheblich stören können. Besonders in Äquatornähe bilden sich in der Ionosphäre regelmäßig Plasmablasen. Diese sogenannten Equatorial Plasma Bubbles (EPBs) sind großräumige Strukturen, die Navigationssignale auf ihrem Weg vom Satelliten zur Erde beeinflussen.
Was sind Equatorial Plasma Bubbles?
Equatorial Plasma Bubbles sind Bereiche mit stark verringerter Elektronendichte in der Ionosphäre. Sie entstehen typischerweise nach Sonnenuntergang in niedrigen Breiten nahe dem geomagnetischen Äquator. In Messdaten erscheinen sie wie längliche Einbuchtungen oder Streifen im ionosphärischen Plasma.
Ihre Häufigkeit variiert je nach Jahreszeit und geografischer Lage. Einzelne Plasma-Blasen können sich über hunderte Kilometer ausbreiten. Während starker geomagnetischer Störungen können sie sich sogar bis in mittlere Breiten ausdehnen. In solchen Fällen spricht man von „Super Plasma Bubbles“, die Breiten von bis zu 30–35 Grad erreichen können und damit auch über Teneriffa beobachtbar sind.
Die Entstehung der Plasmablasen wird auf eine physikalische Instabilität zurückgeführt, die als Rayleigh-Taylor-Instabilität bekannt ist. Vereinfacht gesagt, tritt sie auf, wenn eine dichtere Schicht über einer weniger dichten liegt und kleine Störungen dazu führen, dass sich die Schichten durchmischen. In der Ionosphäre spielen dabei mehrere Faktoren zusammen: die Ausrichtung der Tag-Nacht-Grenze zur Magnetfeldstruktur, Winde in der oberen Atmosphäre, Schwerewellen aus tieferen Atmosphärenschichten sowie elektrische Felder. Während geomagnetischer Stürme können zusätzliche elektrische Felder die Bildung solcher Blasen begünstigen.
Warum stören die Plasma-Blasen das GPS?
Problematisch für die Satellitennavigation sind vor allem die kleinräumigen Strukturen innerhalb dieser Plasma-Blasen. Sie verursachen schnelle Schwankungen von Amplitude und Phase der durchlaufenden Funksignale. Dieser Effekt wird als ionosphärische Szintillation bezeichnet. Für GPS und andere satellitengestützte Systeme kann dies Positionsfehler, Signalinstabilitäten oder sogar kurzfristige Ausfälle bedeuten.
Trotz jahrzehntelanger Forschung sind noch nicht alle Fragen geklärt. Warum treten Plasma-Blasen an manchen Tagen auf und an anderen nicht? Welche atmosphärischen und ionosphärischen Vorbedingungen sind entscheidend? Das Verständnis dieser Prozesse ist ein zentraler Schritt, um Störungen der Satellitennavigation künftig besser vorhersagen und minimieren zu können.
Beobachtungen der DLR-Fischaugenkamera über Teneriffa
Das DLR-Institut für Solar-Terrestrische Physik unterhält auf Teneriffa mehrere Messinstrumente zur Erforschung von EPBs. Am Izaña Observatorium auf dem Plateau des Teide-Vulkans, 2.372 Meter über Normalnull, befinden sich ein All-Sky Imager („Fischaugenkamera“) und das eigens entwickelte SOFPIT Fabry-Perot Interferometer. Die speziell für eine Wellenlänge von 632 Nanometer konfigurierte Kamera beobachtet das Nachthimmelleuchten von atomarem Sauerstoff in ungefähr 250 Kilometer Höhe und zeigt EPBs als dunkle Wolken. SOFPIT misst zeitgleich den Atmosphärenwind in dieser Höhe und soll neue Erkenntnisse zur Entstehung der Plasmablasen liefern. Zusätzlich können Störungen der Satellitennavigation mit einem GNSS-Szintillation-Receiver detektiert werden, den das DLR an der Universidad de La Laguna auf Teneriffa betreibt.
Erstmals konnten über Teneriffa zeitgleich All-Sky-Imager-Aufnahmen des Nachthimmels – die großskalige EPB-Strukturen sichtbar machen – und starke GPS-Szintillationen des Navigationssatelliten-Signals gemessen werden. Zwar wurden in früheren Studien bereits wiederholt GNSS-Szintillationen – also Schwankungen von Satellitensignalen mit verminderter Positionsgenauigkeit – in der Region um Teneriffa sowie allgemein über Afrika beobachtet, ein direkter Nachweis, dass diese Störungen tatsächlich mit äquatorialen Plasma-Blasen (EPBs) zusammenhängen, fehlte bislang jedoch. Insbesondere die Kombination von optischen Beobachtungen der Plasma-Blasen und gleichzeitigen Messungen von GPS-Störungen stellt einen wichtigen Fortschritt dar. Die fortlaufende detaillierte Auswertung der Messdaten soll künftig helfen, Entstehung, Entwicklung und Auswirkungen solcher Plasma-Strukturen noch besser zu verstehen – und damit die Vorhersage und Bewertung ionosphärischer Störungen für satellitengestützte Systeme weiter zu verbessern.