Може би си мислите, че сте експерт в навигирането в градския трафик със смартфон до вас. Може дори да се разходите сGPSустройствоза да намерите пътя си през провинцията. Но вероятно все още ще се изненадате от всички неща, коитоGPS— глобалната система за позициониране, която е в основата на цялата съвременна навигация — може да направи.
GPSсе състои от съзвездие от сателити, които изпращат сигнали към земната повърхност. ОсновенGPSприемник, подобно на този във вашия смартфон, определя къде се намирате - с точност от около 1 до 10 метра - чрез измерване на времето на пристигане на сигнали от четири или повече сателита. С по-луксозни (и по-скъпи)GPSприемници, учените могат да определят местоположението им до сантиметри или дори милиметри. Използвайки тази фина информация, заедно с нови начини за анализиране на сигналите, изследователите откриват, че GPS може да им каже много повече за планетата, отколкото първоначално са смятали, че може.
През последното десетилетие по-бързо и по-точноGPSустройстваса позволили на учените да осветлят как се движи земята по време на големи земетресения.GPSдоведе до по-добри системи за предупреждение за природни бедствия като внезапни наводнения и вулканични изригвания. И изследователите дори MacGyvered някоиGPSприемницида действат като сензори за сняг, мареографи и други неочаквани инструменти за измерване на Земята.
„Хората ме помислиха за луда, когато започнах да говоря за тези приложения“, казва Кристин Ларсън, геофизик от Университета на Колорадо Боулдър, която ръководи много от откритията и пише за тях в Годишния преглед на науките за Земята и планетите за 2019 г. „Е, оказа се, че сме в състояние да го направим.“
Ето някои изненадващи неща, с които учените едва наскоро разбраха, че могат да се справятGPS.
1. ПОЧУВСТВАЙТЕ ЗЕМЕТРЕСЕНИЕ
От векове геолозите са разчитали на сеизмометри, които измерват колко силно се тресе земята, за да преценят колко голямо и колко силно е едно земетресение.GPSприемниците са служили за различна цел - да проследяват геоложки процеси, които се случват в много по-бавни мащаби, като скоростта, с която големите плочи на земната кора се смилат една покрай друга в процеса, известен като тектоника на плочите. И такаGPSможе да каже на учените скоростта, с която противоположните страни на разлома Сан Андреас пълзят една покрай друга, докато сеизмометрите измерват треперенето на земята, когато този калифорнийски разлом се разкъса при земетресение.
Повечето изследователи мислеха такаGPSпросто не можеше да измерва местата достатъчно точно и достатъчно бързо, за да бъде полезен при оценката на земетресенията. Но се оказва, че учените могат да изтръгнат допълнителна информация от сигналите, които GPS сателитите предават на Земята.
Тези сигнали пристигат в два компонента. Едното е уникалната поредица от единици и нули, известна като код, която всякаGPSсателитно предаване. Вторият е "носещ" сигнал с по-къса дължина на вълната, който предава кода от сателита. Тъй като носещият сигнал има по-къса дължина на вълната – само 20 сантиметра – в сравнение с по-дългата дължина на вълната на кода, която може да бъде десетки или стотици метри, носещият сигнал предлага начин с висока разделителна способност за определяне на точка на земната повърхност. Учените, геодезистите, военните и други често се нуждаят от много точно GPS местоположение и всичко, което е необходимо, е по-сложен GPS приемник.
Инженерите също са подобрили скоростта, с коятоGPSприемниците актуализират местоположението си, което означава, че могат да се опресняват често до 20 пъти в секунда или повече. След като изследователите разбраха, че могат да правят точни измервания толкова бързо, те започнаха да използват GPS, за да изследват как земята се движи по време на земетресение.
През 2003 г., в едно от първите по рода си проучвания, Ларсън и нейните колеги използваха GPS приемници, разпръснати из западните Съединени щати, за да проучат как земята се измества, когато сеизмичните вълни се вълнуват от земетресение с магнитуд 7,9 в Аляска. До 2011 г. изследователите успяха да вземат GPS данни за земетресението с магнитуд 9,1, което опустоши Япония, и да покажат, че морското дъно се е изместило със зашеметяващите 60 метра по време на земетресението.
Днес учените разглеждат по-широко какGPSданниможе да им помогне бързо да оценят земетресенията. Диего Мелгар от Университета на Орегон в Юджийн и Гавин Хейс от Геоложкия институт на САЩ в Голдън, Колорадо, проучиха ретроспективно 12 големи земетресения, за да видят дали могат да кажат, в рамките на секунди след началото на земетресението, колко силно ще стане. Чрез включването на информация от GPS станции в близост до епицентровете на земетресенията учените могат да определят в рамките на 10 секунди дали земетресението ще бъде с разрушителен магнитуд 7 или напълно разрушителен с магнитуд 9.
Изследователи по западното крайбрежие на САЩ дори включватGPSв тяхната новосъздадена система за ранно предупреждение за земетресения, която открива земни треперения и уведомява хората в отдалечени градове дали има вероятност трусовете да ги ударят скоро. И Чили изгражда своетоGPSмрежа, за да имате по-точна информация по-бързо, което може да помогне да се изчисли дали земетресение близо до брега има вероятност да предизвика цунами или не.
2. НАБЛЮДАЙТЕ ВУЛКАН
Отвъд земетресенията, скоростта наGPSпомага на служителите да реагират по-бързо на други природни бедствия, докато се развиват.
Много обсерватории за вулкани например иматGPSприемници, подредени около планините, които наблюдават, защото когато магмата започне да се измества под земята, това често води до изместване и на повърхността. Като наблюдават как GPS станциите около вулкан се издигат или потъват с течение на времето, изследователите могат да получат по-добра представа за това къде тече разтопена скала.
Преди миналогодишното голямо изригване на вулкана Килауеа в Хавай, изследователите използвахаGPSза да разбере кои части от вулкана се изместват най-бързо. Длъжностните лица използваха тази информация, за да решат от кои райони да евакуират жителите.
GPSданнисъщо може да бъде полезно дори след изригване на вулкан. Тъй като сигналите пътуват от сателитите до земята, те трябва да преминат през какъвто и да е материал, който вулканът изхвърля във въздуха. През 2013 г. няколко изследователски групи проучватGPSданниот изригване на вулкана Redoubt в Аляска четири години по-рано и установи, че сигналите са се изкривили скоро след началото на изригването.
Чрез изучаване на изкривяванията учените можеха да преценят колко пепел е изхвърлила и колко бързо се е движила. В последвалата статия Ларсън го нарече „нов начин за откриване на вулканични струи“.
Тя и нейните колеги работят върху начини да направят това с различни смартфониGPSприемнициа не скъпи научни приемници. Това би могло да позволи на вулканолозите да създадат сравнително евтина GPS мрежа и да наблюдават стълбовете пепел, докато се издигат. Вулканичните струи са голям проблем за самолетите, които трябва да летят около пепелта, вместо да рискуват частиците да запушат реактивните им двигатели.
3. СОНДУВАЙТЕ СНЕГА
Някои от най-неочакваните употреби наGPSидват от най-обърканите части на неговия сигнал - частите, които отскачат от земята.
ТипиченGPSприемник, подобно на този във вашия смартфон, улавя предимно сигнали, които идват директно отGPSсателити над главата. Но също така улавя сигнали, които са отскочили на земята, по която вървите, и са отразени до вашия смартфон.
В продължение на много години учените смятаха, че тези отразени сигнали не са нищо друго освен шум, нещо като ехо, което замъглява данните и затруднява разбирането какво се случва. Но преди около 15 години Ларсън и други започнаха да се чудят дали могат да се възползват от ехото в научните GPS приемници. Тя започна да разглежда честотите на сигналите, които се отразяват от земята, и как те се комбинират със сигналите, които са пристигнали директно в приемника. От това тя можеше да заключи качествата на повърхността, от която ехото беше отскочило. „Ние просто направихме обратно инженерство на тези ехота“, казва Ларсън.
Този подход позволява на учените да научат за земята под GPS приемника - например колко влага съдържа почвата или колко сняг се е натрупал на повърхността. (Колкото повече сняг пада върху земята, толкова по-късо е разстоянието между ехото и приемника.) GPS станциите могат да работят като сензори за сняг за измерване на дълбочината на снега, като например в планински райони, където снежната покривка е основен воден ресурс всяка година.
Техниката работи добре и в Арктика и Антарктида, където има малко метеорологични станции, наблюдаващи снеговалежа през цялата година. Мат Зигфрид, сега в Минното училище на Колорадо в Голдън, и колегите му изследваха натрупването на сняг в 23 GPS станции в Западна Антарктика от 2007 до 2017 г. Те откриха, че могат директно да измерват променящия се сняг. Това е важна информация за изследователите, които искат да оценят колко сняг натрупва ледената покривка на Антарктида всяка зима и как това се сравнява с това, което се топи всяко лято.
4. УСЕЩАЙТЕ ПОТЪПВАНЕ
GPSможе да е започнал като начин за измерване на местоположението на твърда земя, но се оказва полезен и при наблюдение на промените в нивата на водата.
През юли Джон Галецка, инженер в изследователската организация за геофизика UNAVCO в Боулдър, Колорадо, се озова да инсталира GPS станции в Бангладеш, на кръстовището на реките Ганг и Брахмапутра. Целта беше да се измери дали речните седименти се уплътняват и земята бавно потъва, правейки я по-уязвима от наводнения по време на тропически циклони и покачване на морското равнище. „GPS е невероятен инструмент, който помага да се отговори на този въпрос и много други“, казва Галецка.
Във фермерска общност, наречена Сонатала, на ръба на мангрова гора, Галецка и колегите му поставиха единGPSстанция върху бетонен покрив на основно училище. Те поставиха втора станция наблизо, върху прът, забит в оризово поле. Ако земята наистина потъва, тогава втората GPS станция ще изглежда така, сякаш бавно излиза от земята. И чрез измерване на GPS ехото под станциите, учените могат да измерват фактори като това колко вода стои в оризовото поле по време на дъждовния сезон.
GPSприемницимогат дори да помогнат на океанографи и моряци, като действат като мареографи. Ларсън се натъкна на това, докато работеше с GPS данни от залива Качемак, Аляска. Станцията е създадена, за да изследва тектоничните деформации, но Ларсън беше любопитен, защото заливът също има някои от най-големите колебания на приливите и отливите в Съединените щати. Тя погледна GPS сигналите, които отскачаха от водата и нагоре към приемника, и успя да проследи промените в приливите и отливите почти толкова точно, колкото истински мареограф в близкото пристанище.
Това може да бъде полезно в части на света, които нямат инсталирани дългосрочни мареографи, но случайно иматGPSстанция наблизо.
5. АНАЛИЗИРАЙТЕ АТМОСФЕРАТА
накраяGPSможе да извлече информация за небето над главата по начини, които учените не са смятали за възможни допреди няколко години. Водната пара, електрически заредените частици и други фактори могат да забавят GPS сигналите, пътуващи през атмосферата, и това позволява на изследователите да правят нови открития.
Една група учени използваGPSза изследване на количеството водна пара в атмосферата, което може да се утаи като дъжд или сняг. Изследователите са използвали тези промени, за да изчислят колко вода е вероятно да падне от небето при проливен дъжд, позволявайки на синоптиците да прецизират своите прогнози за внезапни наводнения на места като Южна Калифорния. По време на буря през юли 2013 г. метеоролозите използвахаGPSданни за проследяване на мусонната влага, движеща се на брега там, което се оказа решаваща информация за издаване на предупреждение 17 минути преди внезапните наводнения.
GPSсигналисъщо са засегнати, когато пътуват през електрически заредената част на горната атмосфера, известна като йоносфера. Учените са използвалиGPSданниза проследяване на промените в йоносферата, докато цунамито препуска през океана отдолу. (Силата на цунамито предизвиква промени в атмосферата, които се вълнуват чак до йоносферата.) Тази техника може един ден да допълни традиционния метод за предупреждение за цунами, който използва шамандури, разпръснати над океана, за измерване на височината на пътуващата вълна .
И учените дори са успели да проучат ефектите от пълно слънчево затъмнение, използвайкиGPS. През август 2017 г. използвахаGPSстанциив Съединените щати, за да измери как броят на електроните в горните слоеве на атмосферата е намалял, докато сянката на луната се движи през континента, затъмнявайки светлината, която иначе създава електрони.
И такаGPSе полезно за всичко - от треперене на земята под краката ви до сняг, падащ от небето. Не е лошо за нещо, което просто трябваше да ви помогне да намерите пътя си в града.
Тази статия първоначално се появи в списание Knowable, независимо журналистическо начинание от Annual Reviews. Абонирайте се за бюлетина.
