Galite pamanyti, kad esate miesto eismo navigacijos ekspertas, o šalia jūsų yra išmanusis telefonas. Jūs netgi galite žygiuoti su aGPSįrenginysrasti kelią per užmiestį. Bet tikriausiai vis tiek nustebsite visais dalykaisGPS– pasaulinė padėties nustatymo sistema, kuri yra visos šiuolaikinės navigacijos pagrindas – gali tai padaryti.
GPSsusideda iš palydovų, siunčiančių signalus į Žemės paviršių, žvaigždyno. PagrindinisGPSimtuvas, kaip ir jūsų išmaniajame telefone, apytiksliai 1–10 metrų atstumu nustato jūsų buvimo vietą, matuodamas signalų iš keturių ar daugiau palydovų atvykimo laiką. Su įmantresniu (ir brangesniu)GPSimtuvai, mokslininkai gali tiksliai nustatyti jų vietą iki centimetrų ar net milimetrų. Naudodami šią smulkią informaciją ir naujus signalų analizės būdus, mokslininkai atranda, kad GPS gali jiems pasakyti daug daugiau apie planetą, nei jie iš pradžių manė.
Per pastarąjį dešimtmetį greičiau ir tiksliauGPSįrenginiaileido mokslininkams išsiaiškinti, kaip žemė juda didelių žemės drebėjimų metu.GPSleido sukurti geresnes įspėjimo apie stichines nelaimes, pvz., staigius potvynius ir ugnikalnių išsiveržimus, sistemas. Ir tyrėjai kai kuriuos netgi ištyrė „MacGyver“.GPSimtuvaiveikti kaip sniego jutikliai, potvynių ir atoslūgių matuokliai ir kiti netikėti Žemės matavimo įrankiai.
„Žmonės manė, kad aš išprotėjau, kai pradėjau kalbėti apie šias programas“, – sako Kristine Larson, Kolorado Boulderio universiteto geofizikė, kuri vadovavo daugeliui atradimų ir rašė apie juos 2019 m. metinėje Žemės ir planetų mokslų apžvalgoje. „Na, paaiškėjo, kad mums pavyko tai padaryti“.
Štai keletas stebinančių dalykų, kuriuos mokslininkai tik neseniai suprato, kad jie gali padarytiGPS.
1. PAJAUSK ŽEMĖS DREBĖJIMĄ
Geomokslininkai šimtmečius rėmėsi seismometrais, kurie matuoja, kiek dreba žemė, kad įvertintų, koks didelis ir koks stiprus yra žemės drebėjimas.GPSimtuvai turėjo skirtingą paskirtį – sekti geologinius procesus, vykstančius daug lėtesniu masteliu, pvz., greitį, kuriuo didžiosios Žemės plutos plokštės šlifuoja viena pro šalį procese, vadinamame plokščių tektonika. TaigiGPSgali pasakyti mokslininkams greitį, kuriuo priešingos San Andreaso lūžio pusės slenka viena pro kitą, o seismometrai matuoja žemės drebėjimą, kai Kalifornijos lūžis plyšta per drebėjimą.
Dauguma tyrinėtojų manė, kadGPStiesiog negalėjo pakankamai tiksliai ir pakankamai greitai išmatuoti vietų, kad būtų naudinga vertinant žemės drebėjimus. Tačiau paaiškėja, kad mokslininkai gali išspausti papildomos informacijos iš signalų, kuriuos GPS palydovai siunčia į Žemę.
Tie signalai ateina iš dviejų komponentų. Vienas iš jų yra unikali vienetų ir nulių serija, žinoma kaip kodasGPSpalydovas perduoda. Antrasis yra trumpesnio bangos ilgio „nešiklio“ signalas, perduodantis kodą iš palydovo. Kadangi nešiklio signalo bangos ilgis yra trumpesnis - tik 20 centimetrų, palyginti su ilgesniu kodo bangos ilgiu, kuris gali būti dešimtys ar šimtai metrų, nešiklio signalas yra didelės skiriamosios gebos būdas tiksliai nustatyti vietą Žemės paviršiuje. Mokslininkams, geodezininkams, kariškiams ir kitiems dažnai reikia labai tikslios GPS vietos, o tereikia sudėtingesnio GPS imtuvo.
Inžinieriai taip pat pagerino greitįGPSimtuvai atnaujina savo buvimo vietą, tai reiškia, kad jie gali atsinaujinti 20 kartų per sekundę ar dažniau. Kai mokslininkai suprato, kad gali taip greitai atlikti tikslius matavimus, jie pradėjo naudoti GPS, kad ištirtų, kaip žemė juda žemės drebėjimo metu.
2003 m., viename iš pirmųjų tokio pobūdžio tyrimų, Larson ir jos kolegos naudojo GPS imtuvus, išdėstytus vakarinėje JAV dalyje, kad ištirtų, kaip žemė pasislinko po 7,9 balo žemės drebėjimo Aliaskoje raibuliuojant seisminėms bangoms. Iki 2011 m. mokslininkai sugebėjo paimti GPS duomenis apie 9,1 balo žemės drebėjimą, nusiaubusį Japoniją, ir parodyti, kad per drebėjimą jūros dugnas pasislinko stulbinančiai 60 metrų.
Šiandien mokslininkai plačiau ieško, kaipGPSduomenysgali padėti jiems greitai įvertinti žemės drebėjimus. Diego Melgar iš Oregono universiteto Eugene'e ir Gavinas Hayesas iš JAV geologijos tarnybos Goldene, Kolorado valstijoje, retrospektyviai ištyrė 12 didelių žemės drebėjimų, kad sužinotų, ar per kelias sekundes nuo drebėjimo pradžios jie galėtų pasakyti, kokio stiprumo jis bus. Įtraukę informaciją iš GPS stočių, esančių netoli žemės drebėjimo epicentrų, mokslininkai per 10 sekundžių galėtų nustatyti, ar žemės drebėjimas bus 7 balo, ar visiškai destruktyvus 9 balų.
JAV vakarinės pakrantės mokslininkai netgi įtraukėGPSį savo dar tik pradedančią žemės drebėjimo išankstinio įspėjimo sistemą, kuri aptinka žemės drebėjimą ir praneša žmonėms tolimuose miestuose, ar drebėjimas juos netrukus ištiks. O Čilė ją kuriaGPStinklą, kad greičiau gautų tikslesnę informaciją, kuri padėtų apskaičiuoti, ar netoli kranto įvykęs drebėjimas gali sukelti cunamį, ar ne.
2. STEBĖKITE VULKANIJĄ
Be žemės drebėjimų, greitisGPSpadeda pareigūnams greičiau reaguoti į kitas stichines nelaimes joms besivystant.
Pavyzdžiui, yra daug ugnikalnių observatorijųGPSimtuvai, išdėstyti aplink kalnus, kuriuos jie stebi, nes kai magma pradeda judėti po žeme, dažnai pasislenka ir paviršius. Stebėdami, kaip laikui bėgant pakyla arba skęsta aplink ugnikalnį esančios GPS stotys, mokslininkai gali geriau suprasti, kur teka išlydyta uoliena.
Prieš praėjusių metų didelį Kilauea ugnikalnio Havajuose išsiveržimą, mokslininkai naudojoGPSsuprasti, kurios ugnikalnio dalys slinko greičiausiai. Pareigūnai pasinaudojo šia informacija, kad padėtų nuspręsti, iš kurių rajonų evakuoti gyventojus.
GPSduomenystaip pat gali būti naudinga net išsiveržus ugnikalniui. Kadangi signalai keliauja iš palydovų į žemę, jie turi praeiti pro bet kokią medžiagą, kurią ugnikalnis išmeta į orą. 2013 metais studijavo kelios tyrimų grupėsGPSduomenysiš Redoubt ugnikalnio išsiveržimo Aliaskoje prieš ketverius metus ir nustatė, kad signalai buvo iškraipyti netrukus po išsiveržimo pradžios.
Tyrinėdami iškraipymus, mokslininkai galėjo įvertinti, kiek pelenų išspjovė ir kaip greitai jie keliauja. Tolesniame dokumente Larsonas tai pavadino „nauju būdu aptikti ugnikalnių stulpelius“.
Ji ir jos kolegos ieško būdų, kaip tai padaryti naudojant įvairius išmaniuosius telefonusGPSimtuvaio ne brangūs moksliniai imtuvai. Tai leistų vulkanologams sukurti santykinai nebrangų GPS tinklą ir stebėti pelenų stulpus jiems kylant. Vulkaniniai spūstys yra didelė problema lėktuvams, kurie turi skristi aplink pelenus, o ne rizikuoti, kad dalelės užkimš jų reaktyvinius variklius.
3. ZONDUOTI SNIEGĄ
Kai kurie netikėčiausi naudojimo būdaiGPSateina iš netvarkingiausių jo signalo dalių – dalių, kurios atsimuša į žemę.
TipiškasGPSimtuvas, kaip ir jūsų išmaniajame telefone, dažniausiai priima signalus, kurie ateina tiesiai išGPSpalydovai virš galvos. Tačiau jis taip pat fiksuoja signalus, kurie atsimušė į žemę, kuria einate, ir atsispindi jūsų išmaniajame telefone.
Daugelį metų mokslininkai manė, kad šie atsispindėję signalai yra ne kas kita, kaip triukšmas, tam tikras aidas, kuris sujaukė duomenis ir apsunkino suprasti, kas vyksta. Tačiau maždaug prieš 15 metų Larsonas ir kiti pradėjo domėtis, ar galėtų pasinaudoti mokslinių GPS imtuvų aidais. Ji pradėjo žiūrėti į signalų, kurie atsispindėjo nuo žemės, dažnius ir kaip jie derinami su signalais, kurie atkeliavo tiesiai į imtuvą. Iš to ji galėjo spręsti apie paviršiaus savybes, nuo kurių atsimušė aidai. „Mes ką tik pakeitėme tuos aidus“, – sako Larsonas.
Šis metodas leidžia mokslininkams sužinoti apie žemę po GPS imtuvu, pavyzdžiui, kiek drėgmės yra dirvožemyje arba kiek sniego susikaupė ant paviršiaus. (Kuo daugiau sniego iškrenta ant žemės, tuo mažesnis atstumas tarp aido ir imtuvo.) GPS stotys gali veikti kaip sniego jutikliai, matuojantys sniego gylį, pavyzdžiui, kalnuotose vietovėse, kur sniego danga kasmet yra pagrindinis vandens išteklius.
Ši technika taip pat gerai veikia Arktyje ir Antarktidoje, kur yra nedaug meteorologinių stočių, stebinčių sniegą ištisus metus. Mattas Siegfriedas, dabar dirbantis Kolorado kasyklų mokykloje Auksinėje, ir jo kolegos 2007–2017 m. tyrinėjo sniego kaupimąsi 23 GPS stotyse Vakarų Antarktidoje. Jie nustatė, kad gali tiesiogiai išmatuoti besikeičiantį sniegą. Tai labai svarbi informacija tyrėjams, norintiems įvertinti, kiek sniego Antarkties ledynas sukaupia kiekvieną žiemą ir kaip tai lyginama su tuo, kas ištirpsta kiekvieną vasarą.
4. PAJAUSKITE SKENDIMĄ
GPSgalėjo būti pradėtas kaip būdas išmatuoti vietą ant kieto pagrindo, tačiau pasirodė, kad tai taip pat naudinga stebint vandens lygio pokyčius.
Liepos mėnesį Johnas Galetzka, UNAVCO geofizikos tyrimų organizacijos Boulder mieste, Kolorado valstijoje, inžinierius, įrengė GPS stotis Bangladeše, Gango ir Brahmaputros upių sandūroje. Tikslas buvo įvertinti, ar upių nuosėdos tankėja, o žemė lėtai grimzta, todėl ji yra labiau pažeidžiama potvynių per atogrąžų ciklonus ir kylant jūros lygiui. „GPS yra nuostabi priemonė, padedanti atsakyti į šį klausimą ir dar daugiau“, – sako Galetzka.
Ūkininkų bendruomenėje, vadinamoje Sonatala, mangrovių miško pakraštyje, Galetzka ir jo kolegos pastatė vienąGPSstotis ant betoninio pradinės mokyklos stogo. Jie įrengė antrą stotį netoliese, ant strypo, įkalto į ryžių padą. Jei žemė tikrai skęsta, tada antroji GPS stotis atrodys taip, lyg ji lėtai kyla iš žemės. O matuodami GPS aidus po stotimis, mokslininkai gali išmatuoti tokius veiksnius kaip vandens kiekis ryžių žaliavoje lietaus sezono metu.
GPSimtuvaigali net padėti okeanografams ir jūrininkams, veikdami kaip potvynių matuokliai. Larsonas suklupo dirbdamas su GPS duomenimis iš Kachemak įlankos, Aliaskoje. Stotis buvo įkurta tektoninėms deformacijoms tirti, tačiau Larsonui buvo įdomu, nes įlankoje taip pat yra didžiausių potvynių ir atoslūgių svyravimų Jungtinėse Valstijose. Ji žiūrėjo į GPS signalus, kurie atsimušdavo nuo vandens iki imtuvo, ir galėjo sekti potvynių pokyčius beveik taip pat tiksliai, kaip tikras potvynių matuoklis netoliese esančiame uoste.
Tai gali būti naudinga tose pasaulio dalyse, kuriose nėra nustatyti ilgalaikiai potvynių matuokliai, tačiau jie turiGPSstotis netoliese.
5. ANALIZUOK ATMOSFERĄ
Galiausiai,GPSgali išvilioti informaciją apie dangų virš galvos taip, kaip mokslininkai nemanė, kad tai įmanoma dar prieš kelerius metus. Vandens garai, elektra įkrautos dalelės ir kiti veiksniai gali atidėti GPS signalų sklidimą per atmosferą, o tai leidžia tyrėjams padaryti naujų atradimų.
Viena mokslininkų grupė naudojaGPSištirti vandens garų kiekį atmosferoje, kuris gali iškristi kaip lietus ar sniegas. Tyrėjai pasinaudojo šiais pakeitimais, kad apskaičiuotų, kiek vandens gali nukristi iš dangaus per šlapdrias liūtis, todėl sinoptikai gali patikslinti savo prognozes dėl staigių potvynių tokiose vietose kaip Pietų Kalifornija. Per 2013 metų liepos mėnesio audrą meteorologai naudojoGPSduomenys, skirti stebėti musoninę drėgmę, judančią ant kranto, o tai buvo labai svarbi informacija norint įspėti likus 17 minučių iki staigių potvynių.
GPSsignalaiTaip pat paveikiami, kai jie keliauja per elektra įkrautą viršutinę atmosferos dalį, vadinamą jonosfera. Mokslininkai naudojoGPSduomenysstebėti pokyčius jonosferoje, kai cunamiai lenktyniauja per vandenyną apačioje. (Cunamio jėga sukelia pokyčius atmosferoje, kurie banguoja iki pat jonosferos.) Ši technika vieną dieną galėtų papildyti tradicinį įspėjimo apie cunamį metodą, pagal kurį naudojami plūdurai, išdėstyti skersai vandenyno, matuojant keliaujančios bangos aukštį. .
Ir mokslininkai netgi sugebėjo ištirti visiško saulės užtemimo poveikįGPS. 2017 metų rugpjūčio mėnesį jie naudojoGPSstotysvisoje JAV, kad būtų galima išmatuoti, kaip sumažėjo elektronų skaičius viršutinėje atmosferoje, kai Mėnulio šešėlis judėjo žemynu, pritemdydamas šviesą, kuri kitaip sukūrė elektronus.
TaigiGPSyra naudinga viskam – nuo žemės drebėjimo po kojomis iki sniego, krentančio iš dangaus. Neblogai dėl to, kas tik turėjo padėti rasti kelią per miestą.
Šis straipsnis iš pradžių pasirodė „Knowable Magazine“, nepriklausomame žurnalistiniame darbe iš metinių apžvalgų. Užsisakykite naujienlaiškį.
