Ai putea crede că ești un expert în navigarea prin traficul orașului, cu smartphone-ul lângă tine. S-ar putea chiar să faci drumeții cu undispozitiv GPSsă-ți găsești drum prin backcountry. Dar probabil că vei fi totuși surprins de toate lucrurile careGPS— sistemul de poziționare globală care stă la baza întregii navigații moderne — poate face.
GPSconstă dintr-o constelație de sateliți care trimit semnale pe suprafața Pământului. Un element de bazăreceptor GPS, la fel ca cel din smartphone-ul dvs., determină locul în care vă aflați - la aproximativ 1 până la 10 metri - prin măsurarea timpului de sosire a semnalelor de la patru sau mai mulți sateliți. Cu mai scump (și mai scump)Receptoare GPS, oamenii de știință își pot identifica locațiile până la centimetri sau chiar milimetri. Folosind acele informații detaliate, împreună cu noi moduri de a analiza semnalele, cercetătorii descoperă că GPS-ul le poate spune mult mai multe despre planetă decât au crezut inițial că ar putea.
În ultimul deceniu, mai rapid și mai precisDispozitive GPSau permis oamenilor de știință să lumineze cum se mișcă pământul în timpul cutremurelor mari.GPSa condus la sisteme de avertizare mai bune pentru dezastre naturale, cum ar fi inundațiile fulgerătoare și erupțiile vulcanice. Și cercetătorii au chiar și MacGyvered uneleReceptoare GPSsă acționeze ca senzori de zăpadă, mareaj și alte instrumente neașteptate pentru măsurarea Pământului.
„Oamenii au crezut că sunt nebun când am început să vorbesc despre aceste aplicații”, spune Kristine Larson, geofizician la Universitatea din Colorado Boulder, care a condus multe dintre descoperiri și a scris despre ele în 2019 Annual Review of Earth and Planetary Sciences. „Ei bine, s-a dovedit că am reușit să o facem.”
Iată câteva lucruri surprinzătoare pe care oamenii de știință și-au dat seama recent că le-ar putea faceGPS.
1. SIMȚI UN CUTREMUR
De secole, oamenii de știință s-au bazat pe seismometre, care măsoară cât de mult tremură pământul, pentru a evalua cât de mare și cât de grav este un cutremur.GPSreceptorii au avut un alt scop - să urmărească procesele geologice care au loc la o scară mult mai lentă, cum ar fi viteza cu care marile plăci crustale ale Pământului se macină unele pe lângă altele în procesul cunoscut sub numele de tectonică a plăcilor. AşaGPSle-ar putea spune oamenilor de știință viteza cu care părțile opuse ale falii San Andreas trec una pe lângă cealaltă, în timp ce seismometrele măsoară tremurul solului atunci când falia din California se rupe într-un cutremur.
Majoritatea cercetătorilor au crezut astaGPSpur și simplu nu a putut măsura locațiile suficient de precis și suficient de rapid pentru a fi util în evaluarea cutremurelor. Dar se dovedește că oamenii de știință pot extrage informații suplimentare din semnalele pe care sateliții GPS le transmit pe Pământ.
Aceste semnale ajung în două componente. Una este seria unică de unu și zero, cunoscută sub numele de cod, care fiecareGPStransmite prin satelit. Al doilea este un semnal „purtător” cu lungime de undă mai scurtă care transmite codul de la satelit. Deoarece semnalul purtător are o lungime de undă mai scurtă - doar 20 de centimetri - în comparație cu lungimea de undă mai mare a codului, care poate fi de zeci sau sute de metri, semnalul purtător oferă o modalitate de înaltă rezoluție de a identifica un punct de pe suprafața Pământului. Oamenii de știință, topografii, militarii și alții au adesea nevoie de o locație GPS foarte precisă și tot ce este nevoie este un receptor GPS mai complicat.
Inginerii au îmbunătățit, de asemenea, rata la careGPSreceptorii își actualizează locația, ceea ce înseamnă că se pot reîmprospăta chiar de 20 de ori pe secundă sau mai mult. Odată ce cercetătorii și-au dat seama că pot face măsurători precise atât de repede, au început să folosească GPS-ul pentru a examina modul în care se mișca pământul în timpul unui cutremur.
În 2003, într-unul dintre primele studii de acest gen, Larson și colegii ei au folosit receptoare GPS împânzite în vestul Statelor Unite pentru a studia modul în care s-a deplasat solul pe măsură ce undele seismice s-au ondulat de la un cutremur cu magnitudinea 7,9 din Alaska. Până în 2011, cercetătorii au reușit să ia date GPS despre cutremurul cu magnitudinea 9,1 care a devastat Japonia și să arate că fundul mării s-a deplasat uluitor cu 60 de metri în timpul cutremurului.
Astăzi, oamenii de știință analizează mai larg cumdate GPSîi poate ajuta să evalueze rapid cutremurele. Diego Melgar de la Universitatea Oregon din Eugene și Gavin Hayes de la US Geological Survey din Golden, Colorado, au studiat retrospectiv 12 cutremure mari pentru a vedea dacă ar putea spune, în câteva secunde de la începutul cutremurului, cât de mare va fi acesta. Prin includerea informațiilor de la stațiile GPS din apropierea epicentrelor cutremurelor, oamenii de știință ar putea determina în 10 secunde dacă cutremurul va avea o magnitudine dăunătoare 7 sau o magnitudine complet distructivă 9.
Cercetătorii de-a lungul coastei de vest a SUA chiar s-au încorporatGPSîn sistemul lor de avertizare timpurie a cutremurelor, care detectează tremurul solului și anunță oamenii din orașe îndepărtate dacă este posibil ca tremurul să-i lovească în curând. Și Chile și-a construitGPSrețea pentru a avea informații mai precise mai rapid, ceea ce poate ajuta la calcularea dacă un cutremur lângă coastă este probabil să genereze un tsunami sau nu.
2. MONITORIZAȚI UN VULCAN
Dincolo de cutremure, viteza deGPSajută oficialii să răspundă mai rapid la alte dezastre naturale pe măsură ce acestea se desfășoară.
Multe observatoare de vulcani, de exemplu, auGPSreceptori așezați în jurul munților pe care îi monitorizează, deoarece atunci când magma începe să se deplaseze în subteran, aceasta determină adesea deplasarea și suprafața. Prin monitorizarea modului în care stațiile GPS din jurul unui vulcan se ridică sau se scufundă în timp, cercetătorii își pot face o idee mai bună despre unde curge roca topită.
Înainte de marea erupție de anul trecut a vulcanului Kilauea din Hawaii, au folosit cercetătoriiGPSpentru a înțelege care părți ale vulcanului se mișcau cel mai rapid. Oficialii au folosit aceste informații pentru a decide din ce zone să evacueze rezidenții.
date GPSpoate fi util și după ce un vulcan a erupt. Deoarece semnalele călătoresc de la sateliți la sol, ele trebuie să treacă prin orice material pe care vulcanul îl aruncă în aer. În 2013, au studiat mai multe grupuri de cercetaredate GPSde la o erupție a vulcanului Redoubt din Alaska cu patru ani mai devreme și a constatat că semnalele au fost distorsionate la scurt timp după ce a început erupția.
Studiind distorsiunile, oamenii de știință au putut estima cât de multă cenușă a vărsat și cât de repede se deplasează. Într-o lucrare care a urmat, Larson a numit-o „o nouă modalitate de a detecta penele vulcanice”.
Ea și colegii ei au lucrat la modalități de a face acest lucru cu o varietate de smartphone-uriReceptoare GPSmai degrabă decât receptoare științifice scumpe. Acest lucru le-ar putea permite vulcanologilor să înființeze o rețea GPS relativ ieftină și să monitorizeze pene de cenușă pe măsură ce se ridică. Penele vulcanice sunt o mare problemă pentru avioane, care trebuie să zboare în jurul cenușii, mai degrabă decât să riscă ca particulele să le blocheze motoarele cu reacție.
3. SONDAȚI ZĂPADA
Unele dintre cele mai neașteptate utilizări aleGPSprovin din cele mai dezordonate părți ale semnalului său - părțile care sară de pe pământ.
Un tipicreceptor GPS, ca și cel din smartphone-ul dvs., preia în mare parte semnale care vin direct de laGPSsateliți deasupra capului. Dar captează și semnalele care au sărit pe solul pe care mergi și s-au reflectat în smartphone-ul tău.
Timp de mulți ani, oamenii de știință au crezut că aceste semnale reflectate nu erau altceva decât zgomot, un fel de ecou care tulbura datele și făcea greu să-ți dai seama ce se întâmplă. Dar cu aproximativ 15 ani în urmă, Larson și alții au început să se întrebe dacă ar putea profita de ecourile din receptoarele GPS științifice. Ea a început să se uite la frecvențele semnalelor care se reflectau de pe sol și la modul în care acestea se combinau cu semnalele care ajunseseră direct la receptor. De aici a putut deduce calități ale suprafeței de care ecourile răsunaseră. „Am realizat o inginerie inversă a acestor ecouri”, spune Larson.
Această abordare permite oamenilor de știință să învețe despre pământul de sub receptorul GPS - de exemplu cât de multă umiditate conține solul sau câtă zăpadă s-a acumulat la suprafață. (Cu cât cade mai multă zăpadă pe sol, cu atât distanța dintre ecou și receptor este mai mică.) Stațiile GPS pot funcționa ca senzori de zăpadă pentru a măsura adâncimea zăpezii, cum ar fi în zonele montane unde stratul de zăpadă este o resursă de apă majoră în fiecare an.
Tehnica funcționează bine și în Arctica și Antarctica, unde există puține stații meteo care monitorizează ninsorile pe tot parcursul anului. Matt Siegfried, acum la Școala de Mine din Colorado din Golden, și colegii săi au studiat acumularea de zăpadă la 23 de stații GPS din Antarctica de Vest din 2007 până în 2017. Ei au descoperit că ar putea măsura direct zăpada în schimbare. Acestea sunt informații esențiale pentru cercetătorii care doresc să evalueze cât de multă zăpadă se acumulează calota glaciară din Antarctica în fiecare iarnă – și cum se compară aceasta cu ceea ce se topește în fiecare vară.
4. SENȚI O ASCUNDARE
GPSpoate să fi început ca o modalitate de a măsura locația pe un teren solid, dar se dovedește a fi util și în monitorizarea modificărilor nivelului apei.
În iulie, John Galetzka, inginer la organizația de cercetare geofizică UNAVCO din Boulder, Colorado, s-a trezit instalând stații GPS în Bangladesh, la intersecția râurilor Gange și Brahmaputra. Scopul a fost de a măsura dacă sedimentele râului se compactează și pământul se scufundă încet, făcându-l mai vulnerabil la inundații în timpul ciclonilor tropicali și a creșterii nivelului mării. „GPS este un instrument uimitor pentru a răspunde la această întrebare și la multe altele”, spune Galetzka.
Într-o comunitate de fermieri numită Sonatala, la marginea unei păduri de mangrove, Galetzka și colegii săi au plasat unaGPSstație pe acoperișul de beton al unei școli primare. Au înființat o a doua stație în apropiere, deasupra unei tije bătute cu ciocanul într-o orez. Dacă pământul se scufundă cu adevărat, atunci a doua stație GPS va arăta ca și cum iese încet de pe sol. Și măsurând ecourile GPS de sub stații, oamenii de știință pot măsura factori precum cantitatea de apă care stă în orezul în timpul sezonului ploios.
Receptoare GPSpoate ajuta chiar oceanografii și marinarii, acționând ca mareometre. Larson a dat peste asta în timp ce lucra cu date GPS din Kachemak Bay, Alaska. Stația a fost înființată pentru a studia deformațiile tectonice, dar Larson a fost curios pentru că golful are și unele dintre cele mai mari variații de maree din Statele Unite. Ea s-a uitat la semnalele GPS care sară de pe apă și până la receptor și a fost capabilă să urmărească schimbările de maree aproape la fel de precis ca un mareeometru real dintr-un port din apropiere.
Acest lucru ar putea fi util în părți ale lumii care nu au mareemetre pe termen lung instalate, dar se întâmplă să aibă unStație GPS în apropiere.
5. ANALIZAȚI ATMOSFERA
In sfarsit,GPSpoate scoate informații despre cerul deasupra capului, în moduri pe care oamenii de știință nu credeau că sunt posibile până acum câțiva ani. Vaporii de apă, particulele încărcate electric și alți factori pot întârzia semnalele GPS care călătoresc prin atmosferă, ceea ce le permite cercetătorilor să facă noi descoperiri.
Un grup de oameni de știință foloseșteGPSpentru a studia cantitatea de vapori de apă din atmosferă care este disponibilă pentru a precipita sub formă de ploaie sau zăpadă. Cercetătorii au folosit aceste modificări pentru a calcula cât de multă apă este probabil să cadă din cer în ploi puternice, permițând prognozatorilor să-și ajusteze predicțiile privind inundațiile fulgerătoare în locuri precum California de Sud. În timpul unei furtuni din iulie 2013, meteorologii au folositGPSdate pentru a urmări umiditatea musoonală care se deplasează pe țărm acolo, care s-a dovedit a fi o informație crucială pentru emiterea unui avertisment cu 17 minute înainte de apariția inundațiilor.
Semnale GPSsunt, de asemenea, afectate atunci când călătoresc prin partea încărcată electric a atmosferei superioare, cunoscută sub numele de ionosferă. Oamenii de știință au folositdate GPSpentru a urmări schimbările din ionosferă pe măsură ce tsunami-urile traversează oceanul de dedesubt. (Forța tsunami-ului produce schimbări în atmosferă care se unduiesc până la ionosferă.) Această tehnică ar putea într-o zi să completeze metoda tradițională de avertizare de tsunami, care folosește geamanduri punctate peste ocean pentru a măsura înălțimea valului de călătorie. .
Și oamenii de știință au reușit chiar să studieze efectele unei eclipse totale de soare folosindGPS. În august 2017, au folositstații GPSîn Statele Unite pentru a măsura modul în care numărul de electroni din atmosfera superioară a scăzut pe măsură ce umbra lunii s-a deplasat pe continent, diminuând lumina care altfel crea electroni.
AşaGPSeste util pentru orice, de la zguduirea pământului sub picioarele tale până la zăpada care cade din cer. Nu e rău pentru ceva care trebuia să te ajute să-ți găsești drumul prin oraș.
Acest articol a apărut inițial în Knowable Magazine, un efort jurnalistic independent de la Annual Reviews. Înscrieți-vă pentru newsletter.
