Możesz myśleć, że jesteś ekspertem w poruszaniu się w ruchu miejskim, mając smartfon u boku. Możesz nawet wędrować zUrządzenie GPSznaleźć drogę przez backcountry. Ale prawdopodobnie nadal byłbyś zaskoczony tym wszystkimGPS— globalny system pozycjonowania, na którym opiera się cała nowoczesna nawigacja — może zrobić.
GPSskłada się z konstelacji satelitów wysyłających sygnały na powierzchnię Ziemi. PodstawowyOdbiornik GPS, podobnie jak ten w smartfonie, określa, gdzie się znajdujesz — z dokładnością od 1 do 10 metrów — mierząc czas dotarcia sygnałów z co najmniej czterech satelitów. Z bardziej wyszukanymi (i droższymi)Odbiorniki GPSnaukowcy mogą określić ich lokalizację z dokładnością do centymetrów, a nawet milimetrów. Wykorzystując te szczegółowe informacje oraz nowe sposoby analizy sygnałów, badacze odkrywają, że GPS może im powiedzieć o planecie znacznie więcej, niż początkowo sądzili.
W ciągu ostatniej dekady szybciej i dokładniejUrządzenia GPSpozwoliły naukowcom wyjaśnić, w jaki sposób porusza się ziemia podczas dużych trzęsień ziemi.GPSdoprowadziło do powstania lepszych systemów ostrzegania w przypadku klęsk żywiołowych, takich jak gwałtowne powodzie i erupcje wulkanów. A badacze nawet MacGyvered niektóreOdbiorniki GPSw działanie jako czujniki śniegu, mierniki pływów i inne nieoczekiwane narzędzia do pomiaru Ziemi.
„Ludzie myśleli, że zwariowałam, kiedy zaczęłam mówić o tych zastosowaniach” – mówi Kristine Larson, geofizyk z Uniwersytetu Colorado w Boulder, która kierowała wieloma odkryciami i napisała o nich w „Rocznym przeglądzie nauk o ziemi i planetach” z 2019 r. – Cóż, okazało się, że nam się to udało.
Oto kilka zaskakujących rzeczy, z którymi naukowcy dopiero niedawno zdali sobie sprawę, że mogą zrobićGPS.
1. POCZUJ Trzęsienie Ziemi
Od wieków geologowie polegają na sejsmometrach, które mierzą stopień trzęsienia ziemi, aby ocenić, jak duże i jak poważne jest trzęsienie ziemi.GPSodbiorniki służyły innemu celowi — śledzeniu procesów geologicznych zachodzących w znacznie wolniejszej skali, takich jak tempo, w jakim wielkie płyty skorupy ziemskiej ocierają się o siebie w procesie znanym jako tektonika płyt. WięcGPSmogłoby powiedzieć naukowcom, z jaką prędkością przeciwne strony uskoku San Andreas pełzają obok siebie, podczas gdy sejsmometry mierzą drżenie gruntu, gdy uskok kalifornijski pęka w wyniku trzęsienia ziemi.
Większość badaczy tak myślałaGPSpo prostu nie był w stanie zmierzyć lokalizacji wystarczająco dokładnie i szybko, aby można było ją ocenić w ocenie trzęsień ziemi. Okazuje się jednak, że naukowcy potrafią wycisnąć dodatkowe informacje z sygnałów przesyłanych na Ziemię przez satelity GPS.
Sygnały te docierają w dwóch składowych. Jeden to unikalna seria zer i jedynek, zwana kodem, która występuje w każdym z nichGPStransmisje satelitarne. Drugi to sygnał „nośny” o krótszej długości fali, który przesyła kod z satelity. Ponieważ sygnał nośny ma krótszą długość fali – zaledwie 20 centymetrów – w porównaniu z dłuższą długością fali kodu, która może wynosić dziesiątki lub setki metrów, sygnał nośny zapewnia wysoką rozdzielczość sposobu na wskazanie miejsca na powierzchni Ziemi. Naukowcy, geodeci, wojsko i inne osoby często potrzebują bardzo dokładnej lokalizacji GPS, a wystarczy bardziej skomplikowany odbiornik GPS.
Inżynierowie poprawili także tempo, z jakimGPSodbiorniki aktualizują swoją lokalizację, co oznacza, że mogą odświeżać się nawet 20 razy na sekundę lub częściej. Gdy badacze zdali sobie sprawę, że mogą tak szybko dokonać precyzyjnych pomiarów, zaczęli używać GPS do badania ruchu ziemi podczas trzęsienia ziemi.
W 2003 roku w jednym z pierwszych badań tego rodzaju Larson i jej współpracownicy wykorzystali odbiorniki GPS rozmieszczone w zachodnich Stanach Zjednoczonych, aby zbadać, w jaki sposób ziemia przesuwa się pod wpływem fal sejsmicznych powstałych w wyniku trzęsienia ziemi o magnitudzie 7,9 na Alasce. Do 2011 roku badacze byli w stanie zebrać dane GPS dotyczące trzęsienia ziemi o sile 9,1 w skali Richtera, które spustoszyło Japonię, i wykazać, że podczas trzęsienia dno morskie przesunęło się o oszałamiające 60 metrów.
Dziś naukowcy przyglądają się szerzej temu, jak to zrobićDane GPSmoże pomóc im szybko ocenić trzęsienia ziemi. Diego Melgar z Uniwersytetu Oregon w Eugene i Gavin Hayes z US Geological Survey w Golden w Kolorado przestudiowali retrospektywnie 12 dużych trzęsień ziemi, aby sprawdzić, czy w ciągu kilku sekund od rozpoczęcia trzęsienia byli w stanie określić, jak duże będzie ono miało. Uwzględniając informacje ze stacji GPS w pobliżu epicentrów trzęsień, naukowcy mogli w ciągu 10 sekund określić, czy trzęsienie będzie miało siłę 7, czy całkowicie niszczycielską siłę 9.
Nawet naukowcy z zachodniego wybrzeża Stanów Zjednoczonych włączyli się w tę inicjatywęGPSdo swojego raczkującego systemu wczesnego ostrzegania o trzęsieniach ziemi, który wykrywa wstrząsy gruntu i powiadamia mieszkańców odległych miast, czy prawdopodobne jest, że wstrząsy wkrótce ich dotkną. Chile rozwija swoje możliwościGPSsieci, aby szybciej uzyskać dokładniejsze informacje, które mogą pomóc w obliczeniu, czy trzęsienie w pobliżu wybrzeża prawdopodobnie wywoła tsunami, czy nie.
2. MONITORUJ WULKAN
Poza trzęsieniami ziemi, prędkośćGPSpomaga urzędnikom szybciej reagować na inne klęski żywiołowe w miarę ich rozwoju.
Na przykład wiele obserwatoriów wulkanów je posiadaGPSodbiorniki rozmieszczone wokół gór, które monitorują, ponieważ kiedy magma zaczyna przemieszczać się pod ziemię, często powoduje to również przesunięcie powierzchni. Monitorując, jak stacje GPS wokół wulkanu podnoszą się lub opadają w miarę upływu czasu, badacze mogą uzyskać lepszy obraz tego, dokąd przepływa stopiona skała.
Naukowcy korzystali z tego przed zeszłoroczną wielką erupcją wulkanu Kilauea na HawajachGPSaby zrozumieć, które części wulkanu zmieniają się najszybciej. Władze wykorzystały te informacje do podjęcia decyzji, z których obszarów należy ewakuować mieszkańców.
Dane GPSmoże być również przydatny nawet po erupcji wulkanu. Ponieważ sygnały przesyłane są z satelitów na ziemię, muszą przejść przez materiał wyrzucany przez wulkan w powietrze. W 2013 roku badaniami zajmowało się kilka grup badawczychDane GPSpo erupcji wulkanu Reduta na Alasce cztery lata wcześniej i odkrył, że sygnały uległy zniekształceniu wkrótce po rozpoczęciu erupcji.
Badając zniekształcenia, naukowcy mogli oszacować, ile popiołu wyrzuciło i z jaką prędkością się przemieszczał. W kolejnym artykule Larson nazwał to „nowym sposobem wykrywania smug wulkanicznych”.
Ona i jej koledzy pracowali nad sposobami osiągnięcia tego celu za pomocą różnych smartfonówOdbiorniki GPSzamiast drogich odbiorników naukowych. Mogłoby to umożliwić wulkanologom utworzenie stosunkowo niedrogiej sieci GPS i monitorowanie unoszących się pióropuszów popiołu. Pióropusze wulkaniczne stanowią duży problem dla samolotów, które muszą latać wokół popiołu, zamiast ryzykować, że cząsteczki zatkają silniki odrzutowe.
3. SONDAJ ŚNIEG
Niektóre z najbardziej nieoczekiwanych zastosowańGPSpochodzą z najbardziej chaotycznych części sygnału – części odbijających się od ziemi.
TypowyOdbiornik GPS, podobnie jak ten w Twoim smartfonie, w większości odbiera sygnały przychodzące bezpośrednioGPSsatelity nad głową. Ale odbiera również sygnały, które odbiły się od podłoża, po którym stąpasz, i odbiły się na Twoim smartfonie.
Przez wiele lat naukowcy uważali, że te odbite sygnały to nic innego jak szum, rodzaj echa, które zamazuje dane i utrudnia zrozumienie, co się dzieje. Jednak około 15 lat temu Larson i inni zaczęli się zastanawiać, czy mogliby wykorzystać echa w naukowych odbiornikach GPS. Zaczęła przyglądać się częstotliwościom sygnałów odbijanych od ziemi i ich połączeniu z sygnałami, które dotarły bezpośrednio do odbiornika. Z tego mogła wydedukować właściwości powierzchni, od której odbiło się echo. „Po prostu dokonaliśmy inżynierii wstecznej tych ech” – mówi Larson.
Takie podejście pozwala naukowcom dowiedzieć się o glebie pod odbiornikiem GPS – na przykład o tym, ile wilgoci zawiera gleba lub ile śniegu zgromadziło się na jej powierzchni. (Im więcej śniegu spadnie na ziemię, tym krótsza odległość między echem a odbiornikiem.) Stacje GPS mogą działać jako czujniki śniegu do pomiaru głębokości śniegu, na przykład na obszarach górskich, gdzie co roku pokrywa śnieżna stanowi główne źródło wody.
Technika ta sprawdza się również dobrze w Arktyce i Antarktyce, gdzie istnieje niewiele stacji pogodowych monitorujących opady śniegu przez cały rok. Matt Siegfried, obecnie z Colorado School of Mines w Golden, wraz z kolegami badał akumulację śniegu na 23 stacjach GPS na Antarktydzie Zachodniej w latach 2007–2017. Odkryli, że mogą bezpośrednio mierzyć zmieniający się śnieg. To kluczowa informacja dla badaczy chcących ocenić, ile śniegu pokrywa lodowa Antarktydy gromadzi się każdej zimy i jak to się ma do ilości śniegu topniejącego każdego lata.
4. POCZUJ TONIĘCIE
GPSbyć może zaczęło się od pomiaru lokalizacji na stałym podłożu, ale okazuje się, że jest również przydatne do monitorowania zmian poziomu wody.
W lipcu John Galetzka, inżynier z organizacji badawczej UNAVCO w dziedzinie badań geofizycznych w Boulder w Kolorado, zainstalował stacje GPS w Bangladeszu, u zbiegu rzek Ganges i Brahmaputra. Celem było zmierzenie, czy osady rzeczne zagęszczają się, a ląd powoli tonie, co czyni go bardziej podatnym na powodzie podczas cyklonów tropikalnych i podnoszenia się poziomu morza. „GPS to niesamowite narzędzie, które pomaga odpowiedzieć na to i wiele innych pytań” – mówi Galetzka.
W społeczności rolniczej zwanej Sonatala, na skraju lasu namorzynowego, Galetzka i jego współpracownicy umieściliGPSstacja na betonowym dachu szkoły podstawowej. Założyli drugą stację w pobliżu, na szczycie pręta wbitego w pole ryżowe. Jeżeli grunt rzeczywiście się zapada, to druga stacja GPS będzie wyglądała, jakby powoli wynurzała się z gruntu. Mierząc echa GPS pod stacjami, naukowcy mogą zmierzyć takie czynniki, jak ilość wody stojącej na polach ryżowych w porze deszczowej.
Odbiorniki GPSmoże nawet pomóc oceanografom i marynarzom, pełniąc funkcję mierników pływów. Larson natknął się na to podczas pracy z danymi GPS z zatoki Kachemak na Alasce. Stację założono w celu badania deformacji tektonicznych, ale Larsona zainteresowało to, ponieważ w zatoce tej występują również jedne z największych wahań pływów w Stanach Zjednoczonych. Przyjrzała się sygnałom GPS, które odbijały się od wody i docierały do odbiornika, i była w stanie śledzić zmiany pływów niemal tak dokładnie, jak prawdziwy miernik pływów w pobliskim porcie.
Może to być pomocne w częściach świata, w których nie zainstalowano długoterminowych mierników pływów, ale tak się składa, że mają oneStacja GPS w pobliżu.
5. ANALIZUJ ATMOSFERĘ
Wreszcie,GPSmoże wydobyć informacje o niebie nad głowami w sposób, o którym naukowcy jeszcze kilka lat temu nie myśleli. Para wodna, cząstki naładowane elektrycznie i inne czynniki mogą opóźniać sygnały GPS przemieszczające się przez atmosferę, co pozwala naukowcom na dokonywanie nowych odkryć.
Używa jedna grupa naukowcówGPSbadanie ilości pary wodnej w atmosferze, która może wytrącić się w postaci deszczu lub śniegu. Naukowcy wykorzystali te zmiany do obliczenia, ile wody prawdopodobnie spadnie z nieba podczas ulewnych ulew, co umożliwiło prognostom doprecyzowanie przewidywań dotyczących gwałtownych powodzi w miejscach takich jak Południowa Kalifornia. Podczas burzy w lipcu 2013 r. meteorolodzy wykorzystali tę metodęGPSdane umożliwiające śledzenie wilgoci monsunowej przemieszczającej się tam na brzeg, co okazało się kluczową informacją do wydania ostrzeżenia na 17 minut przed uderzeniem gwałtownej powodzi.
Sygnały GPSna nie wpływa również podróżowanie przez naładowaną elektrycznie część górnych warstw atmosfery, zwaną jonosferą. Naukowcy zastosowaliDane GPSśledzić zmiany w jonosferze podczas wyścigu tsunami przez ocean poniżej. (Siła tsunami powoduje zmiany w atmosferze, które rozciągają się aż do jonosfery). Technika ta może pewnego dnia uzupełnić tradycyjną metodę ostrzegania przed tsunami, która wykorzystuje boje rozmieszczone po całym oceanie do pomiaru wysokości przemieszczającej się fali .
Naukowcy byli nawet w stanie zbadać skutki całkowitego zaćmienia słońca za pomocąGPS. W sierpniu 2017 r. korzystaliStacje GPSw całych Stanach Zjednoczonych, aby zmierzyć, jak liczba elektronów w górnych warstwach atmosfery spadła, gdy cień Księżyca przesuwał się po kontynencie, przyćmiewając światło, które w przeciwnym razie wytwarzałoby elektrony.
WięcGPSprzydaje się do wszystkiego, od trzęsienia się ziemi pod stopami po śnieg spadający z nieba. Całkiem nieźle, jak na coś, co miało pomóc ci odnaleźć drogę przez miasto.
Artykuł ten pierwotnie ukazał się w Knowable Magazine, niezależnym przedsięwzięciu dziennikarskim wydawanym przez Annual Reviews. Zapisz się do newslettera.
