Các tín hiệu vị trí được truyền đến Trái đất bởi các vệ tinh GPS đã bị lệch hàng trăm feet trong Bão Mặt trời Gannon vào tháng 5 năm ngoái và sự gián đoạn kéo dài tới hai ngày ở một số khu vực của Hoa Kỳ, một nghiên cứu mới đã tiết lộ. Sự cố mất điện đã tàn phá toàn bộ ngành nông nghiệp, gây thiệt hại hơn 500 triệu đô la.
Một loạt các vụ phun trào năng lượng mặt trời mạnh vào đầu tháng 5 năm ngoái đã gây ra cơn bão Mặt trời mạnh nhất tấn công Trái đất trong 20 năm. Sau này được đặt theo tên của nhà khoa học thời tiết vũ trụ đã khuất Jennifer Gannon, cơn bão Mặt trời đã tạo ra cực quang tuyệt đẹp có thể nhìn thấy xa về phía nam như Mexico, Bồ Đào Nha và Tây Ban Nha. Nó cũng khiến GPS bị mất tín hiệu trong nhiều ngày.
Theo các báo cáo, những người nông dân ở vùng Trung Tây Hoa Kỳ, vào thời điểm cao điểm của mùa trồng trọt, đã báo cáo rằng máy kéo được dẫn đường bằng GPS của họ hoạt động như thể chúng bị "ma ám" trong cơn bão. Một nghiên cứu mới hiện đã định lượng được mức độ lớn của các lỗi GPS không chỉ trong thời kỳ đỉnh điểm của cơn bão mà còn sau đó khi cực quang kéo dài tiếp tục làm lệch tín hiệu GPS.
Một nhóm các nhà nghiên cứu từ Đại học Boston đã sử dụng dữ liệu từ gần 100 máy thu GPS cố định có độ chính xác cao nằm rải rác khắp Hoa Kỳ, tạo thành mạng lưới nghiên cứu địa chấn để đo chuyển động của các mảng kiến tạo. Hóa ra, mạng lưới này cũng hoàn toàn phù hợp để nghiên cứu các hiệu ứng thời tiết không gian trong tầng điện ly của Trái đất, một lớp không khí tích điện nằm cách Trái đất 30 dặm (48 km). Các hiệu ứng mà bão Mặt trời gây ra cho tầng điện ly có thể ảnh hưởng đến các phép đo của máy thu GPS.
"Máy thu GPS hoạt động với giả định rằng tầng điện ly có mật độ plasma đồng đều", Waqar Younas, một nhà nghiên cứu vật lý không gian tại Đại học Boston và là tác giả chính của bài báo, nói với Space.com. "Nhưng một cơn bão Mặt trời tạo ra các bất thường trong tầng điện ly và khi tín hiệu đi qua các lớp tầng điện ly, nó sẽ phát sinh lỗi".
Khi một cơn bão Mặt trời ập đến, các hạt Mặt trời tích điện mà nó mang theo sẽ nóng lên và làm nhiễu loạn tầng điện ly. Khi các tín hiệu yếu từ vệ tinh định vị toàn cầu đi qua vùng đột nhiên hỗn loạn này, chúng sẽ bị lệch hướng.
Vì các máy thu GPS cố định trong mạng lưới nghiên cứu được gắn chặt vào mặt đất nên bất kỳ thay đổi nào trong dữ liệu định vị của chúng chỉ có thể là kết quả của sự nhiễu loạn trong tầng điện ly. Các phép đo từ mạng lưới GPS khoa học này đã tiết lộ quy mô của những lỗi này với độ chính xác cao và cho phép các nhà nghiên cứu tái tạo lại những gì đã xảy ra trong tầng điện ly trong cơn bão.
"Bằng cách đo sự nhiễu loạn của tín hiệu, chúng tôi có thể biết được cấu trúc của plasma ở tầng khí quyển trên", Toshi Nishimura, giáo sư vật lý vũ trụ và là đồng tác giả của nghiên cứu mới, chia sẻ với Spapce.com.
Phân tích của dữ liệu cho thấy cơn bão đã tạo ra một "bức tường plasma tầng điện ly", trải dài khắp lục địa Bắc Mỹ. Bức tường này đã làm nhiễu tín hiệu GPS lên tới 230 feet (70 mét) ở các tiểu bang miền trung Hoa Kỳ, với các lỗi nhỏ hơn lên tới 65 feet (20 m) được báo cáo ở các vùng phía tây nam của đất nước.
Sự gián đoạn đỉnh điểm kéo dài trong khoảng sáu giờ vào ngày 10 tháng 5 năm 2024, nhưng mọi thứ vẫn không ổn định trong tối đa hai ngày, nghiên cứu cho thấy. Sau khi tầng điện ly rung chuyển bắt đầu bình tĩnh lại, ánh sáng cực quang do cơn bão gây ra đã gây ra thêm sự gián đoạn GPS khi các hạt tích điện từ không gian nhỏ giọt qua bầu khí quyển dọc theo các đường sức từ bị phá vỡ. Mạng lưới máy thu GPS cho thấy lỗi lên đến 30 feet (10 m) trong suốt thời gian diễn ra cực quang này.
Theo Terry Griffin, giáo sư kinh tế nông nghiệp tại Đại học bang Kansas, hành vi thất thường của máy móc nông nghiệp được dẫn đường bằng GPS gây ra bởi cơn bão mặt trời Gannon đã khiến nông dân Mỹ ở vùng Trung Tây Hoa Kỳ thiệt hại hơn 500 triệu đô la.
"Do cơn bão Gannon, việc trồng ngô bị trì hoãn vì hầu hết các máy trồng ngô của chúng tôi đều không hoạt động", Griffin nói với Space.com. "Hiện tại, khoảng 70% mẫu Anh đất trồng trọt ở Hoa Kỳ dựa vào thiết bị sử dụng hướng dẫn tự động GPS để tạo các đường thẳng song song qua cánh đồng. Chúng tôi thậm chí không còn các vạch kẻ đường vật lý nữa và các thiết bị này ngày càng lớn đến mức chúng tôi không thể vận hành được nữa khi GPS bị lấy đi".
Nhưng nông nghiệp không phải là nạn nhân duy nhất của sự hỗn loạn GPS do thời tiết vũ trụ gây ra. Máy bay không chỉ dựa vào GPS để theo dõi đường đi mà còn đặc biệt là để biết độ cao chính xác của chúng trong khi hạ cánh. Theo Nishimura, sai số lên tới bốn mét có thể được bù đắp. Nhưng sự gián đoạn vào ngày 10 và 11 tháng 5 năm ngoái đã "vượt xa ngưỡng chịu đựng đó", Nishimura cho biết.
CÂU CHUYỆN LIÊN QUAN:
— Bão mặt trời mạnh là cơn ác mộng đối với nông dân. 'Máy kéo của chúng tôi hoạt động như thể bị quỷ ám'
— Đã một năm trôi qua kể từ cơn bão mặt trời dữ dội nhất trong nhiều thập kỷ tạo ra cực quang trên toàn thế giới. Chúng ta đã học được gì?
— Cơn bão Mặt trời vào tháng 5 năm 2024 đủ mạnh để ảnh hưởng đến vùng biển sâu
Cơn bão Mặt trời Gannon có thể là cơn bão mạnh nhất trong hai thập kỷ. Nhưng nó chỉ cung cấp một phần nhỏ về những gì Mặt trời có thể làm được. Kịch bản tồi tệ nhất thường được thảo luận là sự kiện Carrington — một cơn bão tấn công Trái đất vào năm 1859, làm tê liệt các dịch vụ điện báo trên toàn thế giới. Một cơn bão có sức mạnh như vậy ngày nay chắc chắn sẽ gây ra hậu quả rộng khắp trên toàn thế giới.
"Trong cơn bão Gannon, chúng tôi đã chứng kiến tác động dữ dội nhất ở các vùng trung tâm của Hoa Kỳ", Nishimura cho biết. "Nhưng đối với một sự kiện có quy mô như Carrington, chúng ta sẽ thấy sự gián đoạn trên khắp lục địa và các lỗi lớn đến mức tín hiệu không thể sử dụng được".
Waqar cho biết trong tương lai, dự báo thời gian thực về sự gián đoạn tầng điện ly kết hợp với dự báo do AI điều khiển về các bất thường của tín hiệu GPS có thể giúp sửa các lỗi khi cơn bão tiến triển.
Nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí JGR-Space Physics vào ngày 9 tháng 6.
Một loạt các vụ phun trào năng lượng mặt trời mạnh vào đầu tháng 5 năm ngoái đã gây ra cơn bão Mặt trời mạnh nhất tấn công Trái đất trong 20 năm. Sau này được đặt theo tên của nhà khoa học thời tiết vũ trụ đã khuất Jennifer Gannon, cơn bão Mặt trời đã tạo ra cực quang tuyệt đẹp có thể nhìn thấy xa về phía nam như Mexico, Bồ Đào Nha và Tây Ban Nha. Nó cũng khiến GPS bị mất tín hiệu trong nhiều ngày.
Theo các báo cáo, những người nông dân ở vùng Trung Tây Hoa Kỳ, vào thời điểm cao điểm của mùa trồng trọt, đã báo cáo rằng máy kéo được dẫn đường bằng GPS của họ hoạt động như thể chúng bị "ma ám" trong cơn bão. Một nghiên cứu mới hiện đã định lượng được mức độ lớn của các lỗi GPS không chỉ trong thời kỳ đỉnh điểm của cơn bão mà còn sau đó khi cực quang kéo dài tiếp tục làm lệch tín hiệu GPS.
Một nhóm các nhà nghiên cứu từ Đại học Boston đã sử dụng dữ liệu từ gần 100 máy thu GPS cố định có độ chính xác cao nằm rải rác khắp Hoa Kỳ, tạo thành mạng lưới nghiên cứu địa chấn để đo chuyển động của các mảng kiến tạo. Hóa ra, mạng lưới này cũng hoàn toàn phù hợp để nghiên cứu các hiệu ứng thời tiết không gian trong tầng điện ly của Trái đất, một lớp không khí tích điện nằm cách Trái đất 30 dặm (48 km). Các hiệu ứng mà bão Mặt trời gây ra cho tầng điện ly có thể ảnh hưởng đến các phép đo của máy thu GPS.
"Máy thu GPS hoạt động với giả định rằng tầng điện ly có mật độ plasma đồng đều", Waqar Younas, một nhà nghiên cứu vật lý không gian tại Đại học Boston và là tác giả chính của bài báo, nói với Space.com. "Nhưng một cơn bão Mặt trời tạo ra các bất thường trong tầng điện ly và khi tín hiệu đi qua các lớp tầng điện ly, nó sẽ phát sinh lỗi".
Khi một cơn bão Mặt trời ập đến, các hạt Mặt trời tích điện mà nó mang theo sẽ nóng lên và làm nhiễu loạn tầng điện ly. Khi các tín hiệu yếu từ vệ tinh định vị toàn cầu đi qua vùng đột nhiên hỗn loạn này, chúng sẽ bị lệch hướng.
Vì các máy thu GPS cố định trong mạng lưới nghiên cứu được gắn chặt vào mặt đất nên bất kỳ thay đổi nào trong dữ liệu định vị của chúng chỉ có thể là kết quả của sự nhiễu loạn trong tầng điện ly. Các phép đo từ mạng lưới GPS khoa học này đã tiết lộ quy mô của những lỗi này với độ chính xác cao và cho phép các nhà nghiên cứu tái tạo lại những gì đã xảy ra trong tầng điện ly trong cơn bão.
"Bằng cách đo sự nhiễu loạn của tín hiệu, chúng tôi có thể biết được cấu trúc của plasma ở tầng khí quyển trên", Toshi Nishimura, giáo sư vật lý vũ trụ và là đồng tác giả của nghiên cứu mới, chia sẻ với Spapce.com.
Phân tích của dữ liệu cho thấy cơn bão đã tạo ra một "bức tường plasma tầng điện ly", trải dài khắp lục địa Bắc Mỹ. Bức tường này đã làm nhiễu tín hiệu GPS lên tới 230 feet (70 mét) ở các tiểu bang miền trung Hoa Kỳ, với các lỗi nhỏ hơn lên tới 65 feet (20 m) được báo cáo ở các vùng phía tây nam của đất nước.
Sự gián đoạn đỉnh điểm kéo dài trong khoảng sáu giờ vào ngày 10 tháng 5 năm 2024, nhưng mọi thứ vẫn không ổn định trong tối đa hai ngày, nghiên cứu cho thấy. Sau khi tầng điện ly rung chuyển bắt đầu bình tĩnh lại, ánh sáng cực quang do cơn bão gây ra đã gây ra thêm sự gián đoạn GPS khi các hạt tích điện từ không gian nhỏ giọt qua bầu khí quyển dọc theo các đường sức từ bị phá vỡ. Mạng lưới máy thu GPS cho thấy lỗi lên đến 30 feet (10 m) trong suốt thời gian diễn ra cực quang này.
Theo Terry Griffin, giáo sư kinh tế nông nghiệp tại Đại học bang Kansas, hành vi thất thường của máy móc nông nghiệp được dẫn đường bằng GPS gây ra bởi cơn bão mặt trời Gannon đã khiến nông dân Mỹ ở vùng Trung Tây Hoa Kỳ thiệt hại hơn 500 triệu đô la.
"Do cơn bão Gannon, việc trồng ngô bị trì hoãn vì hầu hết các máy trồng ngô của chúng tôi đều không hoạt động", Griffin nói với Space.com. "Hiện tại, khoảng 70% mẫu Anh đất trồng trọt ở Hoa Kỳ dựa vào thiết bị sử dụng hướng dẫn tự động GPS để tạo các đường thẳng song song qua cánh đồng. Chúng tôi thậm chí không còn các vạch kẻ đường vật lý nữa và các thiết bị này ngày càng lớn đến mức chúng tôi không thể vận hành được nữa khi GPS bị lấy đi".
Nhưng nông nghiệp không phải là nạn nhân duy nhất của sự hỗn loạn GPS do thời tiết vũ trụ gây ra. Máy bay không chỉ dựa vào GPS để theo dõi đường đi mà còn đặc biệt là để biết độ cao chính xác của chúng trong khi hạ cánh. Theo Nishimura, sai số lên tới bốn mét có thể được bù đắp. Nhưng sự gián đoạn vào ngày 10 và 11 tháng 5 năm ngoái đã "vượt xa ngưỡng chịu đựng đó", Nishimura cho biết.
CÂU CHUYỆN LIÊN QUAN:
— Bão mặt trời mạnh là cơn ác mộng đối với nông dân. 'Máy kéo của chúng tôi hoạt động như thể bị quỷ ám'
— Đã một năm trôi qua kể từ cơn bão mặt trời dữ dội nhất trong nhiều thập kỷ tạo ra cực quang trên toàn thế giới. Chúng ta đã học được gì?
— Cơn bão Mặt trời vào tháng 5 năm 2024 đủ mạnh để ảnh hưởng đến vùng biển sâu
Cơn bão Mặt trời Gannon có thể là cơn bão mạnh nhất trong hai thập kỷ. Nhưng nó chỉ cung cấp một phần nhỏ về những gì Mặt trời có thể làm được. Kịch bản tồi tệ nhất thường được thảo luận là sự kiện Carrington — một cơn bão tấn công Trái đất vào năm 1859, làm tê liệt các dịch vụ điện báo trên toàn thế giới. Một cơn bão có sức mạnh như vậy ngày nay chắc chắn sẽ gây ra hậu quả rộng khắp trên toàn thế giới.
"Trong cơn bão Gannon, chúng tôi đã chứng kiến tác động dữ dội nhất ở các vùng trung tâm của Hoa Kỳ", Nishimura cho biết. "Nhưng đối với một sự kiện có quy mô như Carrington, chúng ta sẽ thấy sự gián đoạn trên khắp lục địa và các lỗi lớn đến mức tín hiệu không thể sử dụng được".
Waqar cho biết trong tương lai, dự báo thời gian thực về sự gián đoạn tầng điện ly kết hợp với dự báo do AI điều khiển về các bất thường của tín hiệu GPS có thể giúp sửa các lỗi khi cơn bão tiến triển.
Nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí JGR-Space Physics vào ngày 9 tháng 6.
