Du tror kanskje du er en ekspert på å navigere gjennom bytrafikk, med smarttelefonen ved din side. Du kan til og med vandre med enGPS-enhetå finne veien gjennom baklandet. Men du vil sannsynligvis fortsatt bli overrasket over alle tingene somGPS– det globale posisjoneringssystemet som ligger til grunn for all moderne navigasjon – kan gjøre det.
GPSbestår av en konstellasjon av satellitter som sender signaler til jordens overflate. En grunnleggendeGPS-mottaker, som den på smarttelefonen din, bestemmer hvor du er – med en avstand på 1 til 10 meter – ved å måle ankomsttiden til signaler fra fire eller flere satellitter. Med mer avansert (og dyrere)GPS-mottakere, kan forskere finne posisjonene deres ned til centimeter eller til og med millimeter. Ved å bruke den finkornede informasjonen, sammen med nye måter å analysere signalene på, oppdager forskere at GPS kan fortelle dem mye mer om planeten enn de opprinnelig trodde den kunne.
I løpet av det siste tiåret, raskere og mer nøyaktigGPS-enheterhar tillatt forskere å belyse hvordan bakken beveger seg under store jordskjelv.GPShar ført til bedre varslingssystemer for naturkatastrofer som lynflom og vulkanutbrudd. Og forskere har til og med MacGyvered noenGPS-mottakeretil å fungere som snøsensorer, tidevannsmålere og andre uventede verktøy for å måle jorden.
"Folk trodde jeg var gal da jeg begynte å snakke om disse applikasjonene," sier Kristine Larson, en geofysiker ved University of Colorado Boulder som har ledet mange av oppdagelsene og skrev om dem i 2019 Annual Review of Earth and Planetary Sciences. "Vel, det viste seg at vi klarte det."
Her er noen overraskende ting forskere først nylig har innsett at de kunne gjøre medGPS.
1. FØL ET JORDSKJELV
I århundrer har geoforskere stolt på seismometre, som måler hvor mye bakken skjelver, for å vurdere hvor stort og hvor ille et jordskjelv er.GPSMottakere tjente et annet formål - å spore geologiske prosesser som skjer på mye langsommere skalaer, for eksempel hastigheten som jordens store jordskorpeplater maler forbi hverandre i prosessen kjent som platetektonikk. SåGPSkan fortelle forskerne hastigheten som de motsatte sidene av San Andreas-forkastningen kryper forbi hverandre, mens seismometre måler bakken som rister når den California-forkastningen brister i et skjelv.
Det mente de fleste forskereGPSkunne ganske enkelt ikke måle plasseringer nøyaktig nok, og raskt nok, til å være nyttig for å vurdere jordskjelv. Men det viser seg at forskere kan presse ekstra informasjon ut av signalene som GPS-satellitter sender til jorden.
Disse signalene kommer i to komponenter. Den ene er den unike serien av enere og nuller, kjent som koden, som hverGPSsatellitt sender. Det andre er et "bæresignal" med kortere bølgelengde som overfører koden fra satellitten. Fordi bæresignalet har en kortere bølgelengde - bare 20 centimeter - sammenlignet med den lengre bølgelengden til koden, som kan være titalls eller hundrevis av meter, tilbyr bæresignalet en høyoppløselig måte å finne et sted på jordoverflaten. Forskere, landmålere, militæret og andre trenger ofte en svært presis GPS-plassering, og alt som trengs er en mer komplisert GPS-mottaker.
Ingeniører har også forbedret hastighetenGPSmottakere oppdaterer posisjonen sin, noe som betyr at de kan oppdatere seg selv så ofte som 20 ganger i sekundet eller mer. Da forskerne innså at de kunne ta nøyaktige målinger så raskt, begynte de å bruke GPS for å undersøke hvordan bakken beveget seg under et jordskjelv.
I 2003, i en av de første studiene av sitt slag, brukte Larson og hennes kolleger GPS-mottakere over hele det vestlige USA for å studere hvordan bakken forskjøv seg ettersom seismiske bølger bølget fra et jordskjelv med styrke 7,9 i Alaska. I 2011 var forskere i stand til å ta GPS-data om jordskjelvet med styrke 9,1 som ødela Japan og vise at havbunnen hadde forskjøvet seg svimlende 60 meter under skjelvet.
I dag ser forskere bredere på hvordanGPS-datakan hjelpe dem raskt å vurdere jordskjelv. Diego Melgar fra University of Oregon i Eugene og Gavin Hayes fra US Geological Survey i Golden, Colorado, studerte retrospektivt 12 store jordskjelv for å se om de kunne fortelle, i løpet av sekunder etter at skjelvet begynte, hvor stort det ville bli. Ved å inkludere informasjon fra GPS-stasjoner i nærheten av skjelvenes episentre, kunne forskerne innen 10 sekunder fastslå om skjelvet ville være en skadelig styrke på 7 eller en fullstendig ødeleggende styrke på 9.
Forskere langs den amerikanske vestkysten har til og med innlemmetGPSinn i deres tidlige varslingssystem for jordskjelv, som oppdager jordskjelv og varsler folk i fjerne byer om risting sannsynligvis vil ramme dem snart. Og Chile har bygget ut sittGPSnettverk for å få mer nøyaktig informasjon raskere, noe som kan bidra til å beregne om et skjelv nær kysten sannsynligvis vil generere en tsunami eller ikke.
2. OVERVÅK EN VULKAN
Utover jordskjelv, hastigheten påGPShjelper tjenestemenn med å reagere raskere på andre naturkatastrofer etter hvert som de utspiller seg.
Mange vulkanobservatorier har for eksempelGPSmottakere oppstilt rundt fjellene de overvåker, fordi når magma begynner å forskyve seg under jorden, fører det ofte til at overflaten også skifter. Ved å overvåke hvordan GPS-stasjoner rundt en vulkan stiger eller synker over tid, kan forskere få en bedre ide om hvor smeltet stein flyter.
Før fjorårets store utbrudd av Kilauea-vulkanen på Hawaii, brukte forskereGPSfor å forstå hvilke deler av vulkanen som endret seg raskest. Tjenestemenn brukte denne informasjonen til å hjelpe med å bestemme hvilke områder de skulle evakuere innbyggere fra.
GPS-datakan også være nyttig selv etter at en vulkan har hatt utbrudd. Fordi signalene går fra satellitter til bakken, må de passere gjennom det materialet vulkanen sender ut i luften. I 2013 studerte flere forskningsgrupperGPS-datafra et utbrudd av Redoubt-vulkanen i Alaska fire år tidligere og fant ut at signalene ble forvrengt like etter at utbruddet startet.
Ved å studere forvrengningene kunne forskerne estimere hvor mye aske som hadde spydd ut og hvor fort den reiste. I en påfølgende artikkel kalte Larson det "en ny måte å oppdage vulkanskyl på."
Hun og kollegene hennes har jobbet med måter å gjøre dette på med smarttelefonvariasjonGPS-mottakereheller enn dyre vitenskapelige mottakere. Det kan gjøre det mulig for vulkanologer å sette opp et relativt billig GPS-nettverk og overvåke askeplumene når de stiger. Vulkanskyer er et stort problem for fly, som må fly rundt asken i stedet for å risikere at partiklene tetter til jetmotorene deres.
3. UNDERSØK SNØEN
Noen av de mest uventede bruken avGPSkommer fra de mest rotete delene av signalet – delene som spretter fra bakken.
En typiskGPS-mottaker, som den i smarttelefonen din, fanger stort sett opp signaler som kommer direkte fraGPSsatellitter over hodet. Men den fanger også opp signaler som har spratt på bakken du går på og reflektert til smarttelefonen din.
I mange år hadde forskere trodd at disse reflekterte signalene ikke var annet enn støy, et slags ekko som gjorde det vanskelig å finne ut hva som foregikk. Men for rundt 15 år siden begynte Larson og andre å lure på om de kunne dra nytte av ekkoene i vitenskapelige GPS-mottakere. Hun begynte å se på frekvensene til signalene som reflekterte fra bakken og hvordan de ble kombinert med signalene som hadde kommet direkte til mottakeren. Ut fra det kunne hun utlede kvaliteter ved overflaten som ekkoene hadde prellet av. "Vi har nettopp reversert disse ekkoene," sier Larson.
Denne tilnærmingen lar forskere lære om bakken under GPS-mottakeren – for eksempel hvor mye fuktighet jorda inneholder eller hvor mye snø som har samlet seg på overflaten. (Jo mer snø som faller på bakken, desto kortere er avstanden mellom ekkoet og mottakeren.) GPS-stasjoner kan fungere som snøsensorer for å måle snødybde, for eksempel i fjellområder hvor snøpakke er en stor vannressurs hvert år.
Teknikken fungerer også godt i Arktis og Antarktis, hvor det er få værstasjoner som overvåker snøfall året rundt. Matt Siegfried, nå ved Colorado School of Mines i Golden, og hans kolleger studerte snøakkumulering ved 23 GPS-stasjoner i Vest-Antarktis fra 2007 til 2017. De fant ut at de direkte kunne måle snøen i endring. Det er avgjørende informasjon for forskere som ønsker å vurdere hvor mye snø den antarktiske isdekket bygger opp hver vinter – og hvordan det sammenlignes med det som smelter bort hver sommer.
4. FØL ET SYNK
GPSkan ha startet som en måte å måle plassering på fast grunn, men det viser seg også å være nyttig for å overvåke endringer i vannstanden.
I juli fant John Galetzka, en ingeniør ved UNAVCO geofysikkforskningsorganisasjonen i Boulder, Colorado, at han installerte GPS-stasjoner i Bangladesh, ved krysset mellom elvene Ganges og Brahmaputra. Målet var å måle om elvesedimentene komprimeres og landet sakte synker – noe som gjør det mer sårbart for flom under tropiske sykloner og havnivåstigning. "GPS er et fantastisk verktøy for å svare på dette spørsmålet og mer," sier Galetzka.
I et bondesamfunn kalt Sonatala, i utkanten av en mangroveskog, plasserte Galetzka og hans kolleger enGPSstasjon på betongtaket til en barneskole. De satte opp en andre stasjon i nærheten, på toppen av en stang hamret inn i en rismark. Hvis bakken virkelig synker, vil den andre GPS-stasjonen se ut som om den sakte dukker opp fra bakken. Og ved å måle GPS-ekkoene under stasjonene, kan forskerne måle faktorer som hvor mye vann som står i rismarken i regntiden.
GPS-mottakerekan til og med hjelpe havforskere og sjøfolk ved å fungere som tidevannsmålere. Larson snublet over dette mens han jobbet med GPS-data fra Kachemak Bay, Alaska. Stasjonen ble etablert for å studere tektonisk deformasjon, men Larson var nysgjerrig fordi bukten også har noen av de største tidevannsvariasjonene i USA. Hun så på GPS-signalene som spratt av vannet og opp til mottakeren, og var i stand til å spore tidevannsendringer nesten like nøyaktig som en ekte tidevannsmåler i en havn i nærheten.
Dette kan være nyttig i deler av verden som ikke har langsiktige tidevannsmålere satt opp - men som tilfeldigvis har enGPS-stasjon i nærheten.
5. ANALYSER ATMOSFÆREN
Endelig,GPSkan erte informasjon om himmelen over hodet, på måter som forskerne ikke hadde trodd var mulig før for bare noen få år siden. Vanndamp, elektrisk ladede partikler og andre faktorer kan forsinke GPS-signaler som reiser gjennom atmosfæren, og det gjør det mulig for forskere å gjøre nye oppdagelser.
En gruppe forskere brukerGPSå studere mengden vanndamp i atmosfæren som er tilgjengelig for å felle ut som regn eller snø. Forskere har brukt disse endringene til å beregne hvor mye vann som sannsynligvis vil falle ned fra himmelen i rennende regnskyll, slik at spådommere kan finjustere sine spådommer om flom på steder som Sør-California. Under en storm i juli 2013 brukte meteorologerGPSdata for å spore monsunfuktighet som beveger seg på land der, noe som viste seg å være avgjørende informasjon for å utstede en advarsel 17 minutter før lynflom traff.
GPS-signalerpåvirkes også når de reiser gjennom den elektrisk ladede delen av den øvre atmosfæren, kjent som ionosfæren. Forskere har bruktGPS-dataå spore endringer i ionosfæren når tsunamier raser over havet nedenfor. (Tsunamiens kraft produserer endringer i atmosfæren som kruser helt opp til ionosfæren.) Denne teknikken kan en dag utfylle den tradisjonelle metoden for tsunamivarsling, som bruker bøyer spredt over havet for å måle høyden på den reisende bølgen .
Og forskere har til og med vært i stand til å studere effekten av en total solformørkelse ved hjelp avGPS. I august 2017 brukte deGPS-stasjonerover hele USA for å måle hvordan antallet elektroner i den øvre atmosfæren falt etter hvert som månens skygge beveget seg over kontinentet, og dempet lyset som ellers skapte elektroner.
SåGPSer nyttig for alt fra bakken som rister under føttene til snø som faller ned fra himmelen. Ikke verst for noe som bare skulle hjelpe deg å finne veien over byen.
Denne artikkelen dukket opprinnelig opp i Knowable Magazine, et uavhengig journalistisk forsøk fra Annual Reviews. Meld deg på nyhetsbrevet.
