Morda mislite, da ste strokovnjak za navigacijo v mestnem prometu s pametnim telefonom ob strani. Morda celo hodite z aGPSnapravanajti svojo pot skozi zaledje. Toda verjetno bi bili še vedno presenečeni nad vsem temGPS— globalni sistem za določanje položaja, ki je osnova sodobne navigacije — zmore.
GPSje sestavljen iz konstelacije satelitov, ki pošiljajo signale na zemeljsko površje. OsnovnaGPSsprejemnik, tako kot tisti v vašem pametnem telefonu, določa, kje ste – na približno 1 do 10 metrov natančno – z merjenjem časa prihoda signalov s štirih ali več satelitov. Z lepšim (in dražjim)GPSsprejemniki, lahko znanstveniki natančno določijo njihovo lokacijo do centimetrov ali celo milimetrov. Z uporabo teh natančnih informacij in novih načinov za analizo signalov raziskovalci odkrivajo, da jim lahko GPS pove veliko več o planetu, kot so sprva mislili, da lahko.
V zadnjem desetletju hitrejši in natančnejšiGPSnapraveso znanstvenikom omogočili osvetlitev gibanja tal med velikimi potresi.GPSje privedlo do boljših sistemov opozarjanja na naravne nesreče, kot so hudourniške poplave in vulkanski izbruhi. In raziskovalci so jih celo MacGyvered nekajGPSsprejemnikiv vlogo senzorjev za sneg, merilnikov plime in drugih nepričakovanih orodij za merjenje Zemlje.
»Ljudje so mislili, da sem nora, ko sem začela govoriti o teh aplikacijah,« pravi Kristine Larson, geofizičarka z Univerze Colorado Boulder, ki je vodila številna odkritja in o njih pisala v Letnem pregledu znanosti o Zemlji in planetih 2019. "No, izkazalo se je, da nam je uspelo."
Tukaj je nekaj presenetljivih stvari, za katere so znanstveniki šele pred kratkim ugotovili, da jih lahko naredijoGPS.
1. OBČUTITE POTRES
Geoznanstveniki so se stoletja zanašali na seizmometre, ki merijo, koliko se treseta tla, da bi ocenili, kako velik in kako močan je potres.GPSSprejemniki so služili drugačnemu namenu - slediti geološkim procesom, ki se dogajajo v veliko počasnejših merilih, kot je hitrost, s katero velike plošče zemeljske skorje meljejo druga mimo druge v procesu, znanem kot tektonika plošč. torejGPSlahko znanstvenikom pove, s kakšno hitrostjo se nasprotni strani preloma San Andreas plazita druga mimo druge, medtem ko seizmometri merijo tresenje tal, ko ta kalifornijski prelom poči v potresu.
Večina raziskovalcev je menila, daGPSpreprosto ni mogel izmeriti lokacij dovolj natančno in dovolj hitro, da bi bil uporaben pri ocenjevanju potresov. Toda izkazalo se je, da lahko znanstveniki iz signalov, ki jih sateliti GPS oddajajo na Zemljo, iztisnejo dodatne informacije.
Ti signali prihajajo v dveh komponentah. Ena je edinstvena serija enic in ničel, znana kot koda, ki jo vsakaGPSsatelitsko prenaša. Drugi je "nosilni" signal krajše valovne dolžine, ki oddaja kodo s satelita. Ker ima nosilni signal krajšo valovno dolžino – le 20 centimetrov – v primerjavi z daljšo valovno dolžino kode, ki je lahko na desetine ali stotine metrov, nosilni signal ponuja visoko ločljiv način za natančno določanje točke na zemeljski površini. Znanstveniki, geodeti, vojska in drugi pogosto potrebujejo zelo natančno lokacijo GPS in vse, kar potrebuje, je bolj zapleten sprejemnik GPS.
Inženirji so izboljšali tudi hitrostGPSsprejemniki posodabljajo svojo lokacijo, kar pomeni, da se lahko osvežijo kar 20-krat na sekundo ali več. Ko so raziskovalci ugotovili, da lahko tako hitro opravijo natančne meritve, so začeli uporabljati GPS, da bi preučili, kako se tla premikajo med potresom.
Leta 2003 so Larson in njeni sodelavci v eni od prvih tovrstnih študij uporabili sprejemnike GPS, posejane po zahodu Združenih držav, da bi preučili, kako se tla premikajo, ko se potresni valovi valujejo zaradi potresa z magnitudo 7,9 na Aljaski. Do leta 2011 je raziskovalcem uspelo pridobiti podatke GPS o potresu z magnitudo 9,1, ki je opustošil Japonsko, in pokazati, da se je morsko dno med potresom premaknilo za osupljivih 60 metrov.
Danes znanstveniki gledajo širše na to, kakopodatki GPSjim lahko pomaga hitro oceniti potrese. Diego Melgar z Univerze Oregon v Eugenu in Gavin Hayes iz ameriškega geološkega zavoda v Goldenu v Koloradu sta retrospektivno proučila 12 velikih potresov, da bi ugotovila, ali lahko v nekaj sekundah po začetku potresa ugotovita, kako močan bo. Z vključitvijo informacij s postaj GPS v bližini epicentrov potresov so lahko znanstveniki v 10 sekundah ugotovili, ali bo potres imel uničujočo magnitudo 7 ali popolnoma uničujočo magnitudo 9.
Raziskovalci vzdolž zahodne obale ZDA so celo vključiliGPSv njihov nastajajoči sistem za zgodnje opozarjanje na potrese, ki zazna tresenje tal in obvesti ljudi v oddaljenih mestih, ali jih bo tresenje verjetno kmalu zadelo. In Čile je gradil svojeGPSomrežja, da bi hitreje dobili natančnejše podatke, ki lahko pomagajo izračunati, ali bo potres blizu obale verjetno povzročil cunami ali ne.
2. SPREMLJAJ VULKAN
Poleg potresov je hitrostGPSpomaga uradnikom, da se hitreje odzovejo na druge naravne nesreče, ko se odvijajo.
Številni vulkanski observatoriji imajo na primerGPSsprejemnike, razporejene okoli gora, ki jih spremljajo, kajti ko se magma začne premikati pod zemljo, to pogosto povzroči tudi premikanje površine. S spremljanjem, kako se postaje GPS okoli vulkana sčasoma dvigajo ali pogrezajo, lahko raziskovalci dobijo boljšo predstavo o tem, kam teče staljena kamnina.
Pred lanskim velikim izbruhom vulkana Kilauea na Havajih so raziskovalci uporabljaliGPSrazumeti, kateri deli vulkana so se premikali najhitreje. Uradniki so te informacije uporabili za pomoč pri odločitvi, iz katerih območij naj evakuirajo prebivalce.
podatki GPSje lahko uporaben tudi po izbruhu vulkana. Ker signali potujejo od satelitov do tal, morajo preiti skozi material, ki ga vulkan vrže v zrak. Leta 2013 je preučevalo več raziskovalnih skupinpodatki GPSiz izbruha vulkana Redoubt na Aljaski štiri leta prej in ugotovil, da so se signali popačili kmalu po začetku izbruha.
S proučevanjem popačenj so lahko znanstveniki ocenili, koliko pepela je izbruhnilo in kako hitro je potoval. V naslednjem dokumentu je Larson to imenoval "nov način za odkrivanje vulkanskih oblakov."
Ona in njeni kolegi so iskali načine, kako bi to dosegli z različnimi pametnimi telefoniGPSsprejemnikinamesto dragih znanstvenih sprejemnikov. To bi lahko vulkanologom omogočilo vzpostavitev razmeroma poceni omrežja GPS in spremljanje oblakov pepela, ko se dvigajo. Vulkanski oblaki so velik problem za letala, ki morajo leteti okoli pepela, namesto da bi tvegali, da bi delci zamašili njihove reaktivne motorje.
3. SONDIRAJTE SNEG
Nekatere najbolj nepričakovane uporabeGPSprihajajo iz najbolj neurejenih delov signala – delov, ki se odbijajo od tal.
TipičnoGPSsprejemnik, kot je tisti v vašem pametnem telefonu, večinoma zajame signale, ki prihajajo neposredno izGPSsateliti nad glavo. Zajame pa tudi signale, ki so se odbili od tal, po katerih hodite, in se odbili do vašega pametnega telefona.
Dolga leta so znanstveniki mislili, da ti odbiti signali niso nič drugega kot šum, nekakšen odmev, ki zamegli podatke in otežuje ugotovitev, kaj se dogaja. Toda pred približno 15 leti so se Larson in drugi začeli spraševati, ali bi lahko izkoristili odmeve v znanstvenih sprejemnikih GPS. Začela je opazovati frekvence signalov, ki so se odbili od tal, in kako so se združili s signali, ki so prispeli neposredno do sprejemnika. Iz tega je lahko razbrala lastnosti površine, od katere so se odbili odmevi. »Te odmeve smo pravkar izdelali z obratnim inženiringom,« pravi Larson.
Ta pristop omogoča znanstvenikom, da spoznajo tla pod sprejemnikom GPS – na primer, koliko vlage vsebuje prst ali koliko snega se je nabralo na površini. (Več snega pade na tla, krajša je razdalja med odmevom in sprejemnikom.) Postaje GPS lahko delujejo kot senzorji snega za merjenje višine snega, na primer v gorskih območjih, kjer je snežna odeja vsako leto velik vodni vir.
Tehnika dobro deluje tudi na Arktiki in Antarktiki, kjer je malo vremenskih postaj, ki spremljajo sneženje skozi vse leto. Matt Siegfried, zdaj na rudarski šoli Colorado v mestu Golden, in njegovi kolegi so med letoma 2007 in 2017 preučevali kopičenje snega na 23 postajah GPS na Zahodni Antarktiki. Ugotovili so, da lahko neposredno merijo spreminjanje snega. To je ključna informacija za raziskovalce, ki želijo oceniti, koliko snega nastane na antarktičnem ledenem pokrovu vsako zimo – in kako se to primerja s tem, kar se vsako poletje stopi.
4. ZAČUTITE POTOP
GPSse je morda začelo kot način merjenja lokacije na trdnih tleh, vendar se je izkazalo, da je uporabno tudi pri spremljanju sprememb nivoja vode.
Julija se je John Galetzka, inženir geofizične raziskovalne organizacije UNAVCO v Boulderju v Koloradu, znašel pri nameščanju postaj GPS v Bangladešu, na stičišču rek Ganges in Brahmaputra. Cilj je bil izmeriti, ali se rečni sedimenti stiskajo in kopno počasi tone, zaradi česar je bolj občutljivo na poplave med tropskimi cikloni in dvigom morske gladine. "GPS je čudovito orodje za pomoč pri odgovoru na to vprašanje in še več," pravi Galetzka.
V kmetijski skupnosti, imenovani Sonatala, na robu gozda mangrov, so Galetzka in njegovi kolegi postaviliGPSpostaja na betonski strehi osnovne šole. V bližini so postavili drugo postajo, na vrhu palice, zabite v riževo polje. Če se tla res tonejo, bo druga GPS postaja videti, kot da se počasi dviguje iz tal. In z merjenjem odmevov GPS pod postajami lahko znanstveniki izmerijo dejavnike, kot je na primer, koliko vode stoji na riževem polju v deževnem obdobju.
GPSsprejemnikilahko celo pomagajo oceanografom in pomorščakom, saj delujejo kot merilci plime in oseke. Larson je na to naletel med delom s podatki GPS iz zaliva Kachemak na Aljaski. Postaja je bila ustanovljena za preučevanje tektonskih deformacij, vendar je bil Larson radoveden, ker ima zaliv tudi nekaj največjih nihanj plimovanja v Združenih državah. Pogledala je signale GPS, ki so se odbijali od vode in vse do sprejemnika, in lahko sledila spremembam plimovanja skoraj tako natančno kot pravi mareograf v bližnjem pristanišču.
To bi lahko bilo koristno v delih sveta, kjer nimajo vzpostavljenih dolgoročnih merilnikov plime in oseke, vendar imajoGPSpostaja v bližini.
5. ANALIZIRAJTE ATMOSFERO
končno,GPSlahko izbrska informacije o nebu nad glavo na načine, za katere znanstveniki do pred nekaj leti niso mislili, da so možni. Vodna para, električno nabiti delci in drugi dejavniki lahko upočasnijo potovanje signalov GPS skozi ozračje, kar raziskovalcem omogoča nova odkritja.
Ena skupina znanstvenikov uporabljaGPSza preučevanje količine vodne pare v ozračju, ki je na voljo za obarjanje kot dež ali sneg. Raziskovalci so uporabili te spremembe, da bi izračunali, koliko vode bo verjetno padlo z neba v močnih nalivih, kar je napovedovalcem omogočilo, da natančno prilagodijo svoje napovedi hudourniških poplav v krajih, kot je južna Kalifornija. Med nevihto julija 2013 so meteorologi uporabiliGPSpodatki za sledenje monsunski vlagi, ki se giblje tam na kopnem, kar se je izkazalo za ključno informacijo za izdajo opozorila 17 minut pred nenadnimi poplavami.
GPSsignalivplivajo tudi, ko potujejo skozi električno nabit del zgornje atmosfere, znan kot ionosfera. Znanstveniki so uporabilipodatki GPSslediti spremembam v ionosferi, ko cunamiji divjajo čez ocean spodaj. (Sila cunamija povzroči spremembe v atmosferi, ki valovijo vse do ionosfere.) Ta tehnika bi lahko nekega dne dopolnila tradicionalno metodo opozarjanja na cunami, ki uporablja boje, razporejene po oceanu, za merjenje višine potujočega vala. .
In znanstveniki so celo lahko preučevali učinke popolnega sončnega mrka z uporaboGPS. Avgusta 2017 so uporabiliGPSpostajepo Združenih državah, da bi izmerili, kako se je število elektronov v zgornji atmosferi zmanjšalo, ko se je lunina senca premikala čez celino in zatemnila svetlobo, ki je sicer ustvarjala elektrone.
torejGPSje uporaben za vse, od tresenja tal pod nogami do snega, ki pada z neba. Ni slabo za nekaj, kar naj bi ti pomagalo najti pot po mestu.
Ta članek je bil prvotno objavljen v reviji Knowable Magazine, neodvisnem novinarskem podvigu Annual Reviews. Prijavite se na glasilo.
