日食，科学机遇
工程团队将测量对GPS的影响；最终目标是公民科学
凯瑟琳·卡鲁索，波士顿大学澳门威尼斯人注册网站研究中心
2017年8月21日，美国将迎来一种罕见的自然现象：从俄勒冈州到南卡罗来纳州的日全食。当全国各地的人们拿着日食眼镜，在室外喧闹地观看月球遮挡太阳的壮观景象时，约书亚·塞米特和他的澳门威尼斯人注册网站研究团队将忙于使用GPS传感器收集地球高层大气的数据。
Semeter是波士顿大学工程学院的电气和计算机工程教授，他和他的团队将在日食经过的路径上散布廉价的GPS传感器，以便在日食经过头顶时进行测量。如果一切按计划进行，该项目不仅将加深我们对地球高层大气的了解——这有可能颠覆GPS导航系统等技术——而且还将展示智能手机上的廉价GPS传感器如何被用于更广泛的“公民科学”倡议。
在日全食期间，月亮完全处于地球和太阳之间，在地球表面形成一个巨大的阴影，阻挡了太阳的能量到达地球。8月21日，这个被塞米特称为“超音速遮阳”的日食阴影将横跨70英里，以每小时1500至3000英里的速度横扫美国，从一个海岸到另一个海岸大约需要90分钟。在日食路径正下方的人们将会有一种怪异的体验：在光天化日之下，太阳似乎消失了，而那些远离日食路径的人则会看到太阳部分被遮住。
但这次日全食不仅仅是一种罕见的自然现象：对科学家来说，这是一个独特的澳门威尼斯人注册网站研究机会。“这就像一个对照实验，”塞梅特解释道。“大自然母亲为我们提供了一个很好的实验环境。”
塞米特澳门威尼斯人注册网站研究电离层，电离层是一层带电粒子（电子和离子），位于地球表面上方30至600英里之间。当来自太阳的紫外线照射到地球上层大气，将电子从它们的母体原子中解放出来时，电离层就形成了。这一层对GPS导航系统来说是一个棘手的挑战：它使通过它的无线电波变慢并弯曲，迫使GPS设备对其进行校正。修正的大小取决于无线电波从卫星到GPS接收器途中所经过的带电粒子或等离子体的密度。
塞米特的团队由博士生塞巴斯蒂安·姆拉克（21届工程系）领导，他们想知道当完全没有太阳紫外线辐射的日食阴影掠过全国时，电离层会发生什么。为了解决这个问题，澳门威尼斯人注册网站研究人员将前往密苏里州，在日食的路径上，在学校和家庭部署20个便宜的GPS接收器，同时在整个州已经安装了更花哨的GPS接收器。（密苏里州运输部几年前获得了一笔拨款，用于在全州安装传感器，密苏里州现在拥有全国最好的高质量GPS传感器网络之一。）花哨的接收器将在粗分辨率下提供高度精确的测量，而便宜的接收器将填补空白。
当日食经过头顶时，GPS接收器将记录卫星发出的无线电波在到达地球的途中减慢和弯曲的程度，塞米特和他的团队将利用这些数据来测量等离子体的密度。然后，他们将尝试使用等离子体测量来创建日食期间电离层的图像，每个GPS测量就像一张数字照片的单个像素。
塞米特说：“我们希望能够看到各种各样的波动现象和由日食引起的大气中的调整。”他补充说，例如，日食内部会有一个冷点，外部会有一个热点，这可能会在电离层中造成不稳定，从而发射出远离它们的波。他还希望捕捉到日食在太空中移动时产生的“船头波”和“船尾波”，因为它们与船在水中行驶时产生的波浪相似而得名。“当然，还是有可能发现的，”塞梅特说。“我们从来没有像我们试图做的那样进行过测量。”
除了科学发现之外，还有一些实际的原因需要更多地了解这些对电离层的影响，电离层是“太空天气”的一种形式。电离层的微小变化，如日食产生的波，会降低卫星导航系统的精度，甚至可能导致GPS信号完全丢失。
电离层是地球大气层中的一层，对太阳活动反应强烈，当太阳光线照射电离层并将电子从原子中剥离时，电离层会发出红绿光。这段视频显示了从国际空间站看到的气辉。视频由科学新闻提供
但是，由美国国家科学基金会资助的塞梅特的项目不仅仅是为了了解电离层的物理特性。他还想知道这些便宜的GPS接收器（每台售价80美元）是否能提供与密苏里州功能更强大的GPS接收器（每台售价1万美元）收集的数据一样有价值的科学数据。关键的问题是：哪一个更好，是一小组高度精确的测量，还是一组精度有限的大量测量？Semeter希望表明，最好的方法是协同使用这两种测量方法。
他说：“如果这项技术成功了，下一步可能是对其进行修改，使其与你的手机GPS一起工作，然后下一步将是让公民自愿提供他们的数据。”
菲利普·埃里克森是麻省理工学院的电离层物理学家，也是麻省理工学院干草堆天文台的助理主任。他对塞梅特的项目可能揭示的电离层的基本物理学以及未来可能导致的各种澳门威尼斯人注册网站研究项目感到兴奋。
他解释说：“我们现在对电离层的了解非常有限，因为我们一直在这里和那里的小空间里寻找。”“对我来说非常有趣的是，它有可能极大地扩展我们的视野……（并）释放一个众包的、非常大的GPS观测网络的潜力。”
Semeter的最终目标是创建一个“众包天文台”，利用全球20亿部智能手机。他说：“想象一下，从所有这些传感器获取数据，并将这些测量结果汇总起来，创造出这些太空环境的实时图像。”“它有可能演变成地球上大量的人可以帮助推动科学前沿的东西，这真的很令人兴奋。”
这个故事最初出现在布鲁里溃疡澳门威尼斯人注册网站研究．