Ви можете подумати, що ви експерт у навігації в міському трафіку зі смартфоном під боком. Ви навіть можете піти в похід з aпристрій GPSщоб знайти свій шлях через глуху місцевість. Але ви, ймовірно, все одно будете здивовані всім цимGPS— глобальна система позиціонування, яка лежить в основі всієї сучасної навігації — може зробити.
GPSскладається з сузір'я супутників, які посилають сигнали на поверхню Землі. БазовийGPSприймач, як і у вашому смартфоні, визначає ваше місцезнаходження — з точністю приблизно від 1 до 10 метрів — шляхом вимірювання часу прибуття сигналів від чотирьох або більше супутників. З шикарнішим (і дорожчим)GPSприймачі, вчені можуть точно визначити їх розташування з точністю до сантиметрів або навіть міліметрів. Використовуючи цю дрібнозернисту інформацію разом із новими способами аналізу сигналів, дослідники виявляють, що GPS може розповісти їм про планету набагато більше, ніж вони спочатку думали.
За останнє десятиліття швидше і точнішепристрої GPSдозволили вченим прояснити, як земля рухається під час сильних землетрусів.GPSпризвело до кращих систем попередження про стихійні лиха, такі як раптові повені та виверження вулканів. І дослідники навіть MacGyvered деякіGPSприймачів якості датчиків снігу, мареографів та інших несподіваних інструментів для вимірювання Землі.
«Люди вважали мене божевільною, коли я почала говорити про ці програми», — каже Крістін Ларсон, геофізик з Університету Колорадо в Боулдері, яка очолила багато відкриттів і написала про них у щорічному огляді наук про Землю та планети за 2019 рік. «Ну, виявилося, що ми змогли це зробити».
Ось кілька дивовижних речей, які вчені тільки нещодавно зрозуміли, що вони можуть їх використовуватиGPS.
1. ВІДЧУТИ ЗЕМЛЕТРУС
Століттями вчені-геологи покладалися на сейсмометри, які вимірюють, наскільки сильно трясеться земля, щоб оцінити, наскільки потужним є землетрус.GPSприймачі служили іншій меті — відстежувати геологічні процеси, які відбуваються в набагато повільніших масштабах, наприклад, швидкість, з якою великі плити земної кори протирають одна одну в процесі, відомому як тектоніка плит. ОтжеGPSможе сказати вченим швидкість, з якою протилежні сторони розлому Сан-Андреас повзуть одна повз одну, тоді як сейсмометри вимірюють тремтіння землі, коли цей каліфорнійський розлом розривається під час землетрусу.
Так вважали більшість дослідниківGPSпросто не міг виміряти місцеположення достатньо точно та досить швидко, щоб бути корисним для оцінки землетрусів. Але виявилося, що вчені можуть вичавити додаткову інформацію із сигналів, які супутники GPS передають на Землю.
Ці сигнали надходять у двох компонентах. Одиниця — це унікальний ряд одиниць і нулів, відомий як кодGPSсупутник передає. Другий — короткохвильовий «несучий» сигнал, який передає код із супутника. Оскільки несучий сигнал має коротшу довжину хвилі — лише 20 сантиметрів — порівняно з більшою довжиною хвилі коду, яка може становити десятки чи сотні метрів, несучий сигнал пропонує спосіб визначення точки на поверхні Землі з високою роздільною здатністю. Вченим, геодезистам, військовим та іншим часто потрібне дуже точне місцезнаходження GPS, і для цього потрібен лише складніший GPS-приймач.
Інженери також покращили швидкість, з якоюGPSприймачі оновлюють своє місцезнаходження, тобто вони можуть оновлюватися так часто, як 20 разів на секунду або більше. Коли дослідники зрозуміли, що можуть так швидко проводити точні вимірювання, вони почали використовувати GPS, щоб досліджувати, як земля рухалася під час землетрусу.
У 2003 році в одному з перших досліджень такого роду Ларсон та її колеги використовували GPS-приймачі, розташовані на заході Сполучених Штатів, щоб вивчити, як грунт зміщується під час сейсмічних хвиль, викликаних землетрусом магнітудою 7,9 на Алясці. До 2011 року дослідники змогли взяти дані GPS про землетрус магнітудою 9,1, який спустошив Японію, і показати, що морське дно під час землетрусу змістилося на приголомшливі 60 метрів.
Сьогодні вчені ширше дивляться на те, як це зробитиДані GPSможе допомогти їм швидко оцінити землетруси. Дієго Мелгар з Університету Орегону в Юджині та Гевін Хейс з Геологічної служби США в Голдені, штат Колорадо, ретроспективно вивчили 12 великих землетрусів, щоб побачити, чи зможуть вони за кілька секунд від початку землетрусу сказати, наскільки потужним він буде. Включивши інформацію зі станцій GPS поблизу епіцентрів землетрусів, вчені могли протягом 10 секунд визначити, чи буде землетрус руйнівною магнітудою 7 або повністю руйнівною магнітудою 9.
Дослідники вздовж західного узбережжя США навіть включалиGPSу свою молоду систему раннього попередження про землетруси, яка виявляє поштовхи землі та сповіщає людей у віддалених містах про ймовірність того, що поштовхи вразять їх найближчим часом. І Чилі будує своєGPSмережі, щоб швидше отримати більш точну інформацію, яка може допомогти обчислити, чи може землетрус поблизу узбережжя спричинити цунамі чи ні.
2. МОНІТОРИНГ ЗА ВУЛКАНОМ
Крім землетрусів, швидкістьGPSдопомагає офіційним особам швидше реагувати на інші стихійні лиха, коли вони відбуваються.
Багато вулканічних обсерваторій, наприклад, маютьGPSприймачі, розташовані навколо гір, які вони спостерігають, оскільки коли магма починає зміщуватися під землею, це часто спричиняє зміщення поверхні. Відстежуючи, як станції GPS навколо вулкана піднімаються або опускаються з часом, дослідники можуть отримати краще уявлення про те, куди тече розплавлена порода.
До торішнього великого виверження вулкана Кілауеа на Гаваях дослідники використовувалиGPSщоб зрозуміти, які частини вулкана рухалися найшвидше. Офіційні особи використали цю інформацію, щоб вирішити, з яких районів евакуювати жителів.
Дані GPSтакож може бути корисним навіть після виверження вулкана. Оскільки сигнали передаються від супутників до землі, вони повинні проходити через будь-який матеріал, який вулкан викидає в повітря. У 2013 році кілька дослідницьких груп вивчалиДані GPSвід виверження вулкана Редут на Алясці чотирма роками раніше і виявив, що сигнали стали спотвореними незабаром після початку виверження.
Вивчаючи спотворення, вчені могли оцінити, скільки попелу було викинуто та як швидко він рухався. У наступній статті Ларсон назвав це «новим способом виявлення вулканічних шлейфів».
Вона та її колеги працювали над способами зробити це за допомогою різних смартфонівGPSприймачіа не дорогі наукові приймачі. Це могло б дати вулканологам можливість створити відносно недорогу мережу GPS і стежити за стовпами попелу, коли вони піднімаються. Вулканічні шлейфи є великою проблемою для літаків, яким доводиться літати навколо попелу, щоб не ризикувати, що частинки засмітять їхні реактивні двигуни.
3. ЗОНДУЙТЕ СНІГ
Деякі з найнесподіваніших застосуваньGPSпоходять від найбільш брудних частин його сигналу — частин, які відбиваються від землі.
ТиповийGPSприймач, як у вашому смартфоні, здебільшого вловлює сигнали, які надходять безпосередньо зGPSсупутники над головою. Але він також вловлює сигнали, які відбиваються від землі, по якій ви йдете, і відбиваються до вашого смартфона.
Протягом багатьох років вчені вважали, що ці відбиті сигнали — це не що інше, як шум, своєрідна луна, яка спотворює дані та ускладнює розуміння того, що відбувається. Але близько 15 років тому Ларсон та інші почали задаватися питанням, чи можуть вони скористатися відлунням наукових приймачів GPS. Вона почала дивитися на частоти сигналів, що відбиваються від землі, і на те, як вони поєднуються з сигналами, які надходять безпосередньо до приймача. З цього вона могла зробити висновок про якість поверхні, від якої відбилося відлуння. «Ми просто реконструювали ці відлуння», — каже Ларсон.
Цей підхід дозволяє вченим дізнатися про землю під GPS-приймачем, наприклад, скільки вологи містить ґрунт або скільки снігу накопичилося на поверхні. (Чим більше снігу випадає на землю, тим коротша відстань між луною та приймачем.) GPS-станції можуть працювати як датчики снігу для вимірювання глибини снігу, наприклад, у гірських районах, де щорічний сніговий покрив є основним водним ресурсом.
Техніка також добре працює в Арктиці та Антарктиді, де є кілька метеостанцій, які спостерігають за снігопадом цілий рік. Метт Зігфрід, який зараз працює в Колорадській гірничій школі в Голдені, та його колеги вивчали накопичення снігу на 23 станціях GPS у Західній Антарктиді з 2007 по 2017 рік. Вони виявили, що можуть безпосередньо вимірювати зміну снігу. Це важлива інформація для дослідників, які хочуть оцінити, скільки снігу накопичується на антарктичному крижаному покриві щозими — і як це порівняти з тим, що тане щоліта.
4. ВІДЧУТИ ПОТОПЕННЯ
GPSможливо, починався як спосіб вимірювання розташування на твердій землі, але він також виявився корисним для моніторингу змін рівня води.
У липні Джон Галецка, інженер геофізичної дослідницької організації UNAVCO в Боулдері, штат Колорадо, виявив, що встановлює GPS-станції в Бангладеш, у місці злиття річок Ганг і Брахмапутра. Мета полягала в тому, щоб виміряти, чи ущільнюються річкові відкладення, а земля повільно опускається, що робить її більш вразливою до повеней під час тропічних циклонів і підвищення рівня моря. «GPS — чудовий інструмент, який допоможе відповісти на це та багато іншого запитання», — каже Галецька.
У фермерській громаді під назвою Сонатала, на краю мангрового лісу, Галецька та його колеги розмістили одинGPSстанція на бетонному даху початкової школи. Вони встановили другу станцію неподалік, на стрижні, вбитому в рисове поле. Якщо земля дійсно опускається, то друга GPS-станція виглядатиме так, ніби вона повільно виривається з-під землі. Вимірюючи відлуння GPS під станціями, вчені можуть вимірювати такі фактори, як кількість води, яка стоїть на рисовому полі протягом сезону дощів.
GPSприймачіможуть навіть допомогти океанографам і морякам, діючи як мареографи. Ларсон натрапив на це під час роботи з даними GPS із затоки Качемак, Аляска. Станція була створена для вивчення тектонічних деформацій, але Ларсону було цікаво, оскільки в затоці також спостерігаються одні з найбільших коливань припливів і відливів у Сполучених Штатах. Вона подивилася на сигнали GPS, які відбивалися від води до приймача, і змогла відстежити зміни припливів майже так само точно, як справжній мареограф у сусідній гавані.
Це може бути корисним у тих частинах світу, де не встановлено довгострокові мареографи, але єGPSстанція поруч.
5. ПРОАНАЛІЗУЙТЕ АТМОСФЕРУ
нарешті,GPSможе витягти інформацію про небо над головою у спосіб, який вчені не вважали можливим ще кілька років тому. Водяна пара, електрично заряджені частинки та інші фактори можуть затримувати сигнали GPS, що проходять через атмосферу, і це дозволяє дослідникам робити нові відкриття.
Одна група вчених використовуєGPSдля вивчення кількості водяної пари в атмосфері, яка може випадати у вигляді дощу чи снігу. Дослідники використали ці зміни, щоб обчислити, скільки води, ймовірно, впаде з неба під час проливних злив, дозволяючи синоптикам точно налаштувати свої прогнози раптових повеней у таких місцях, як Південна Каліфорнія. Під час шторму в липні 2013 року метеорологи використовувалиGPSдані для відстеження мусонної вологи, що переміщується на берег, що виявилося важливою інформацією для видачі попередження за 17 хвилин до раптових повеней.
сигнали GPSтакож впливають, коли вони подорожують через електрично заряджену частину верхньої атмосфери, відому як іоносфера. Вчені використовувалиДані GPSщоб відстежувати зміни в іоносфері, коли цунамі мчить через океан. (Сила цунамі викликає зміни в атмосфері, які хвилюються аж до іоносфери.) Ця техніка одного разу може доповнити традиційний метод попередження про цунамі, який використовує буї, розставлені в океані, для вимірювання висоти хвилі, що поширюється. .
І вчені навіть змогли вивчити наслідки повного сонячного затемнення за допомогоюGPS. У серпні 2017 року скористалисяGPSстанціїпо Сполучених Штатах, щоб виміряти, як зменшилася кількість електронів у верхніх шарах атмосфери, коли місячна тінь рухалася через континент, приглушуючи світло, яке інакше створювало електрони.
ОтжеGPSкорисний для всього: від коливань землі під ногами до снігу, що падає з неба. Непогано для того, що просто мало допомогти вам знайти дорогу через місто.
Ця стаття спочатку була опублікована в журналі Knowable, незалежному журналістському виданні Annual Reviews. Підпишіться на розсилку.
