Μπορεί να πιστεύετε ότι είστε ειδικός στην πλοήγηση στην κίνηση της πόλης, με smartphone στο πλευρό σας. Μπορεί ακόμη και να κάνετε πεζοπορία με έναΣυσκευή GPSγια να βρείτε το δρόμο σας μέσα από την πίσω χώρα. Αλλά πιθανότατα θα εκπλαγείτε με όλα αυτά τα πράγματαGPS—το παγκόσμιο σύστημα εντοπισμού θέσης που αποτελεί τη βάση όλης της σύγχρονης πλοήγησης—μπορεί να κάνει.
GPSαποτελείται από έναν αστερισμό δορυφόρων που στέλνουν σήματα στην επιφάνεια της Γης. Ένα βασικόΔέκτης GPS, όπως αυτό στο smartphone σας, καθορίζει πού βρίσκεστε—σε περίπου 1 έως 10 μέτρα—μετρώντας τον χρόνο άφιξης σημάτων από τέσσερις ή περισσότερους δορυφόρους. Με πιο φανταχτερά (και πιο ακριβά)Δέκτες GPS, οι επιστήμονες μπορούν να εντοπίσουν τις τοποθεσίες τους σε εκατοστά ή και χιλιοστά. Χρησιμοποιώντας αυτές τις λεπτομερείς πληροφορίες, μαζί με νέους τρόπους ανάλυσης των σημάτων, οι ερευνητές ανακαλύπτουν ότι το GPS μπορεί να τους πει πολύ περισσότερα για τον πλανήτη από ό,τι αρχικά πίστευαν ότι μπορούσε.
Την τελευταία δεκαετία, πιο γρήγορα και πιο ακριβήΣυσκευές GPSεπέτρεψαν στους επιστήμονες να φωτίσουν πώς κινείται το έδαφος κατά τη διάρκεια μεγάλων σεισμών.GPSέχει οδηγήσει σε καλύτερα συστήματα προειδοποίησης για φυσικές καταστροφές όπως πλημμύρες και ηφαιστειακές εκρήξεις. Και οι ερευνητές έχουν ακόμη και MacGyvered μερικάΔέκτες GPSνα λειτουργούν ως αισθητήρες χιονιού, μετρητές παλίρροιας και άλλα απροσδόκητα εργαλεία για τη μέτρηση της Γης.
«Οι άνθρωποι νόμιζαν ότι ήμουν τρελή όταν άρχισα να μιλάω για αυτές τις εφαρμογές», λέει η Κριστίν Λάρσον, γεωφυσικός στο Πανεπιστήμιο του Κολοράντο Μπόλντερ, η οποία ηγήθηκε πολλών από τις ανακαλύψεις και έγραψε για αυτές στην Ετήσια Επιθεώρηση Γης και Πλανητών Επιστημών του 2019. «Λοιπόν, αποδείχθηκε ότι μπορέσαμε να το κάνουμε».
Εδώ είναι μερικά εκπληκτικά πράγματα που οι επιστήμονες μόλις πρόσφατα συνειδητοποίησαν ότι θα μπορούσαν να κάνουνGPS.
1. ΝΙΩΣΤΕ ΣΕΙΣΜΟ
Για αιώνες οι γεωεπιστήμονες βασίζονται σε σεισμόμετρα, τα οποία μετρούν πόσο τρέμει το έδαφος, για να εκτιμήσουν πόσο μεγάλος και πόσο κακός είναι ένας σεισμός.GPSΟι δέκτες εξυπηρετούσαν έναν διαφορετικό σκοπό - την παρακολούθηση γεωλογικών διεργασιών που συμβαίνουν σε πολύ πιο αργές κλίμακες, όπως ο ρυθμός με τον οποίο οι μεγάλες πλάκες του φλοιού της Γης αλέθονται η μία δίπλα στην άλλη στη διαδικασία γνωστή ως τεκτονική πλακών. ΕτσιGPSθα μπορούσε να πει στους επιστήμονες την ταχύτητα με την οποία οι αντίθετες πλευρές του ρήγματος του Σαν Αντρέας περνούν η μία από την άλλη, ενώ τα σεισμόμετρα μετρούν το κούνημα του εδάφους όταν αυτό το ρήγμα της Καλιφόρνια σπάσει σε έναν σεισμό.
Οι περισσότεροι ερευνητές το πίστευανGPSαπλά δεν μπόρεσε να μετρήσει τοποθεσίες με αρκετή ακρίβεια, και αρκετά γρήγορα, ώστε να είναι χρήσιμο στην εκτίμηση των σεισμών. Αλλά αποδεικνύεται ότι οι επιστήμονες μπορούν να αποσπάσουν επιπλέον πληροφορίες από τα σήματα που οι δορυφόροι GPS μεταδίδουν στη Γη.
Αυτά τα σήματα φτάνουν σε δύο συνιστώσες. Ένα είναι η μοναδική σειρά μονάδων και μηδενικών, γνωστή ως κωδικός, που το καθέναGPSδορυφορικές εκπομπές. Το δεύτερο είναι ένα σήμα «φορέα» μικρότερου μήκους κύματος που μεταδίδει τον κώδικα από τον δορυφόρο. Επειδή το φέρον σήμα έχει μικρότερο μήκος κύματος - μόλις 20 εκατοστά - σε σύγκριση με το μεγαλύτερο μήκος κύματος του κώδικα, το οποίο μπορεί να είναι δεκάδες ή εκατοντάδες μέτρα, το σήμα φορέα προσφέρει έναν τρόπο υψηλής ανάλυσης για τον εντοπισμό ενός σημείου στην επιφάνεια της Γης. Οι επιστήμονες, οι τοπογράφοι, ο στρατός και άλλοι συχνά χρειάζονται μια πολύ ακριβή τοποθεσία GPS και το μόνο που χρειάζεται είναι ένας πιο περίπλοκος δέκτης GPS.
Οι μηχανικοί έχουν επίσης βελτιώσει τον ρυθμό με τον οποίοGPSΟι δέκτες ενημερώνουν την τοποθεσία τους, που σημαίνει ότι μπορούν να ανανεώνονται έως και 20 φορές το δευτερόλεπτο ή περισσότερες. Μόλις οι ερευνητές συνειδητοποίησαν ότι μπορούσαν να κάνουν ακριβείς μετρήσεις τόσο γρήγορα, άρχισαν να χρησιμοποιούν GPS για να εξετάσουν πώς κινήθηκε το έδαφος κατά τη διάρκεια ενός σεισμού.
Το 2003, σε μια από τις πρώτες μελέτες αυτού του είδους, η Larson και οι συνάδελφοί της χρησιμοποίησαν δέκτες GPS σε όλες τις δυτικές Ηνωμένες Πολιτείες για να μελετήσουν πώς το έδαφος μετατοπίστηκε καθώς τα σεισμικά κύματα κυματίστηκαν από έναν σεισμό μεγέθους 7,9 Ρίχτερ στην Αλάσκα. Μέχρι το 2011, οι ερευνητές μπόρεσαν να λάβουν δεδομένα GPS για τον σεισμό μεγέθους 9,1 Ρίχτερ που κατέστρεψε την Ιαπωνία και να δείξουν ότι ο πυθμένας της θάλασσας είχε μετατοπιστεί κατά 60 μέτρα κατά τη διάρκεια του σεισμού.
Σήμερα, οι επιστήμονες εξετάζουν ευρύτερα πώςΔεδομένα GPSμπορεί να τους βοηθήσει να αξιολογήσουν γρήγορα τους σεισμούς. Ο Ντιέγκο Μέλγκαρ του Πανεπιστημίου του Όρεγκον στο Γιουτζίν και ο Γκάβιν Χέις του Γεωλογικού Ινστιτούτου των ΗΠΑ στο Γκόλντεν του Κολοράντο, μελέτησαν αναδρομικά 12 μεγάλους σεισμούς για να δουν αν μπορούσαν να πουν, μέσα σε δευτερόλεπτα από την έναρξη του σεισμού, πόσο μεγάλος θα γινόταν. Συμπεριλαμβάνοντας πληροφορίες από σταθμούς GPS κοντά στα επίκεντρα των σεισμών, οι επιστήμονες θα μπορούσαν να προσδιορίσουν εντός 10 δευτερολέπτων εάν ο σεισμός θα ήταν καταστροφικός μεγέθους 7 ή εντελώς καταστροφικός μεγέθους 9.
Ερευνητές κατά μήκος της δυτικής ακτής των ΗΠΑ έχουν ακόμη και ενσωματώσειGPSστο νεοσύστατο σύστημα έγκαιρης προειδοποίησης για τους σεισμούς, το οποίο ανιχνεύει το κούνημα του εδάφους και ειδοποιεί τους ανθρώπους σε μακρινές πόλεις εάν είναι πιθανό να τους χτυπήσει σύντομα. Και η Χιλή το χτίζειGPSδικτύου προκειμένου να έχουμε πιο ακριβείς πληροφορίες πιο γρήγορα, οι οποίες μπορούν να βοηθήσουν στον υπολογισμό εάν ένας σεισμός κοντά στην ακτή είναι πιθανό να προκαλέσει τσουνάμι ή όχι.
2. ΠΑΡΑΚΟΛΟΥΘΗΣΤΕ ΕΝΑ Ηφαίστειο
Πέρα από τους σεισμούς, η ταχύτητα τουGPSβοηθά τους αξιωματούχους να ανταποκρίνονται ταχύτερα σε άλλες φυσικές καταστροφές καθώς αυτές εκτυλίσσονται.
Πολλά παρατηρητήρια ηφαιστείων, για παράδειγμα, έχουνGPSΟι δέκτες παρατάσσονται γύρω από τα βουνά που παρακολουθούν, επειδή όταν το μάγμα αρχίζει να μετατοπίζεται υπόγεια που συχνά προκαλεί μετατόπιση και της επιφάνειας. Παρακολουθώντας πώς οι σταθμοί GPS γύρω από ένα ηφαίστειο ανεβαίνουν ή βυθίζονται με την πάροδο του χρόνου, οι ερευνητές μπορούν να πάρουν μια καλύτερη ιδέα για το πού ρέει λιωμένο πέτρωμα.
Πριν από την περσινή μεγάλη έκρηξη του ηφαιστείου Kilauea στη Χαβάη, οι ερευνητές χρησιμοποίησανGPSγια να καταλάβουμε ποια μέρη του ηφαιστείου μετακινούνταν πιο γρήγορα. Οι αξιωματούχοι χρησιμοποίησαν αυτές τις πληροφορίες για να αποφασίσουν από ποιες περιοχές θα εκκενώσουν τους κατοίκους.
Δεδομένα GPSμπορεί επίσης να είναι χρήσιμο ακόμη και μετά την έκρηξη ενός ηφαιστείου. Επειδή τα σήματα ταξιδεύουν από τους δορυφόρους στο έδαφος, πρέπει να περάσουν από οποιοδήποτε υλικό εκτοξεύει το ηφαίστειο στον αέρα. Το 2013, πολλές ερευνητικές ομάδες μελέτησανΔεδομένα GPSαπό μια έκρηξη του ηφαιστείου Redoubt στην Αλάσκα τέσσερα χρόνια νωρίτερα και διαπίστωσε ότι τα σήματα παραμορφώθηκαν αμέσως μετά την έναρξη της έκρηξης.
Μελετώντας τις παραμορφώσεις, οι επιστήμονες μπορούσαν να υπολογίσουν πόση στάχτη είχε εκτοξευθεί και πόσο γρήγορα ταξίδευε. Σε ένα έγγραφο που ακολούθησε, ο Λάρσον το ονόμασε «έναν νέο τρόπο ανίχνευσης ηφαιστειακών λοφίων».
Αυτή και οι συνάδελφοί της εργάζονται για τρόπους για να το κάνουν αυτό με την ποικιλία smartphoneΔέκτες GPSπαρά ακριβούς επιστημονικούς δέκτες. Αυτό θα μπορούσε να επιτρέψει στους ηφαιστειολόγους να δημιουργήσουν ένα σχετικά φθηνό δίκτυο GPS και να παρακολουθούν τα νέφη της τέφρας καθώς ανεβαίνουν. Τα ηφαιστειακά λοφία αποτελούν μεγάλο πρόβλημα για τα αεροπλάνα, τα οποία πρέπει να πετάξουν γύρω από την τέφρα αντί να διακινδυνεύσουν τα σωματίδια να βουλώσουν τους κινητήρες αεριωθουμένων τους.
3. ΑΝΑΚΑΛΥΨΤΕ ΤΟ ΧΙΟΝΙ
Μερικές από τις πιο απροσδόκητες χρήσεις τουGPSπροέρχονται από τα πιο βρώμικα μέρη του σήματος του—τα μέρη που αναπηδούν από το έδαφος.
Ένα τυπικόΔέκτης GPS, όπως αυτό στο smartphone σας, λαμβάνει κυρίως σήματα που προέρχονται απευθείας απόGPSδορυφόρους από πάνω. Αλλά λαμβάνει επίσης σήματα που έχουν αναπηδήσει στο έδαφος στο οποίο περπατάτε και αντανακλώνται στο smartphone σας.
Για πολλά χρόνια οι επιστήμονες πίστευαν ότι αυτά τα ανακλώμενα σήματα δεν ήταν παρά θόρυβος, ένα είδος ηχούς που θόλωσε τα δεδομένα και καθιστούσε δύσκολο να καταλάβουμε τι συνέβαινε. Αλλά πριν από περίπου 15 χρόνια ο Larson και άλλοι άρχισαν να αναρωτιούνται αν μπορούσαν να εκμεταλλευτούν τις ηχώ στους επιστημονικούς δέκτες GPS. Άρχισε να κοιτάζει τις συχνότητες των σημάτων που αντανακλώνται από το έδαφος και πώς αυτές συνδυάζονται με τα σήματα που είχαν φτάσει απευθείας στον δέκτη. Από αυτό μπορούσε να συμπεράνει ποιότητες της επιφάνειας ότι οι ηχώ είχαν αναπηδήσει. «Απλώς δημιουργήσαμε αντίστροφη μηχανική αυτών των ηχών», λέει ο Larson.
Αυτή η προσέγγιση επιτρέπει στους επιστήμονες να μάθουν για το έδαφος κάτω από τον δέκτη GPS - για παράδειγμα πόση υγρασία περιέχει το έδαφος ή πόσο χιόνι έχει συσσωρευτεί στην επιφάνεια. (Όσο περισσότερο χιόνι πέφτει στο έδαφος, τόσο μικρότερη είναι η απόσταση μεταξύ της ηχούς και του δέκτη.) Οι σταθμοί GPS μπορούν να λειτουργήσουν ως αισθητήρες χιονιού για τη μέτρηση του βάθους του χιονιού, όπως σε ορεινές περιοχές όπου το χιόνι είναι ένας σημαντικός πόρος νερού κάθε χρόνο.
Η τεχνική λειτουργεί επίσης καλά στην Αρκτική και την Ανταρκτική, όπου υπάρχουν λίγοι μετεωρολογικοί σταθμοί που παρακολουθούν τις χιονοπτώσεις όλο το χρόνο. Ο Matt Siegfried, τώρα στο Colorado School of Mines στο Golden, και οι συνάδελφοί του μελέτησαν τη συσσώρευση χιονιού σε 23 σταθμούς GPS στη Δυτική Ανταρκτική από το 2007 έως το 2017. Διαπίστωσαν ότι μπορούσαν να μετρήσουν άμεσα το μεταβαλλόμενο χιόνι. Αυτές είναι κρίσιμες πληροφορίες για τους ερευνητές που θέλουν να εκτιμήσουν πόσο χιόνι συσσωρεύει το στρώμα πάγου της Ανταρκτικής κάθε χειμώνα - και πώς αυτό συγκρίνεται με αυτό που λιώνει κάθε καλοκαίρι.
4. ΑΙΣΘΗΣΤΕ ΝΑ ΒΥΘΕΙ
GPSμπορεί να ξεκίνησε ως ένας τρόπος μέτρησης της τοποθεσίας σε στερεό έδαφος, αλλά αποδεικνύεται ότι είναι επίσης χρήσιμος για την παρακολούθηση των αλλαγών στα επίπεδα του νερού.
Τον Ιούλιο, ο John Galetzka, μηχανικός στον ερευνητικό οργανισμό γεωφυσικής UNAVCO στο Boulder του Κολοράντο, βρέθηκε να εγκαθιστά σταθμούς GPS στο Μπαγκλαντές, στη συμβολή των ποταμών Γάγγη και Βραχμαπούτρα. Ο στόχος ήταν να μετρηθεί εάν τα ιζήματα του ποταμού συμπιέζονται και η γη βυθίζεται αργά - καθιστώντας την πιο ευάλωτη σε πλημμύρες κατά τη διάρκεια τροπικών κυκλώνων και ανόδου της στάθμης της θάλασσας. "Το GPS είναι ένα καταπληκτικό εργαλείο για να απαντήσετε σε αυτήν την ερώτηση και σε πολλά άλλα", λέει ο Galetzka.
Σε μια αγροτική κοινότητα που ονομάζεται Sonatala, στην άκρη ενός δάσους μαγγρόβων, ο Galetzka και οι συνεργάτες του τοποθέτησαν έναGPSσταθμός στη τσιμεντένια στέγη δημοτικού σχολείου. Έστησαν έναν δεύτερο σταθμό εκεί κοντά, πάνω από μια ράβδο σφυρηλατημένη σε έναν ορυζώνα. Εάν το έδαφος βυθίζεται πραγματικά, τότε ο δεύτερος σταθμός GPS θα μοιάζει σαν να αναδύεται αργά από το έδαφος. Και μετρώντας την ηχώ του GPS κάτω από τους σταθμούς, οι επιστήμονες μπορούν να μετρήσουν παράγοντες όπως το πόσο νερό στέκεται στον ορυζώνα κατά τη διάρκεια της περιόδου των βροχών.
Δέκτες GPSμπορεί ακόμη και να βοηθήσει τους ωκεανογράφους και τους ναυτικούς, λειτουργώντας ως μετρητές παλίρροιας. Ο Larson σκόνταψε σε αυτό ενώ εργαζόταν με δεδομένα GPS από τον κόλπο Kachemak της Αλάσκας. Ο σταθμός ιδρύθηκε για να μελετήσει την τεκτονική παραμόρφωση, αλλά ο Λάρσον ήταν περίεργος επειδή ο κόλπος έχει επίσης μερικές από τις μεγαλύτερες παλιρροϊκές παραλλαγές στις Ηνωμένες Πολιτείες. Κοίταξε τα σήματα GPS που αναπηδούσαν από το νερό και μέχρι τον δέκτη, και ήταν σε θέση να παρακολουθεί τις παλιρροιακές αλλαγές σχεδόν με την ίδια ακρίβεια με ένα πραγματικό μετρητή παλίρροιας σε ένα κοντινό λιμάνι.
Αυτό θα μπορούσε να είναι χρήσιμο σε μέρη του κόσμου που δεν έχουν ρυθμισμένους μετρητές μακροπρόθεσμης παλίρροιας, αλλά τυχαίνει να έχουνΣταθμός GPS σε κοντινή απόσταση.
5. ΑΝΑΛΥΣΤΕ ΤΗΝ ΑΤΜΟΣΦΑΙΡΑ
Τελικά,GPSμπορεί να πειράξει πληροφορίες για τον ουρανό από πάνω, με τρόπους που οι επιστήμονες δεν είχαν σκεφτεί μέχρι πριν από λίγα χρόνια. Οι υδρατμοί, τα ηλεκτρικά φορτισμένα σωματίδια και άλλοι παράγοντες μπορούν να καθυστερήσουν τα σήματα GPS να ταξιδεύουν στην ατμόσφαιρα και αυτό επιτρέπει στους ερευνητές να κάνουν νέες ανακαλύψεις.
Μια ομάδα επιστημόνων χρησιμοποιείGPSνα μελετήσει την ποσότητα των υδρατμών στην ατμόσφαιρα που είναι διαθέσιμη για να κατακρημνιστεί ως βροχή ή χιόνι. Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν αυτές τις αλλαγές για να υπολογίσουν πόσο νερό είναι πιθανό να πέσει από τον ουρανό σε βροχοπτώσεις, επιτρέποντας στους μετεωρολόγους να βελτιώσουν τις προβλέψεις τους για ξαφνικές πλημμύρες σε μέρη όπως η Νότια Καλιφόρνια. Κατά τη διάρκεια μιας καταιγίδας του Ιουλίου του 2013, οι μετεωρολόγοι χρησιμοποίησανGPSδεδομένα για την παρακολούθηση της υγρασίας των μουσώνων που κινείται στην ξηρά εκεί, τα οποία αποδείχθηκαν κρίσιμες πληροφορίες για την έκδοση προειδοποίησης 17 λεπτά πριν χτυπήσουν ξαφνικές πλημμύρες.
Σήματα GPSεπηρεάζονται επίσης όταν ταξιδεύουν μέσω του ηλεκτρικά φορτισμένου τμήματος της ανώτερης ατμόσφαιρας, γνωστό ως ιονόσφαιρα. Οι επιστήμονες έχουν χρησιμοποιήσειΔεδομένα GPSγια να παρακολουθείτε τις αλλαγές στην ιονόσφαιρα καθώς τα τσουνάμι διασχίζουν τον ωκεανό κάτω. (Η δύναμη του τσουνάμι προκαλεί αλλαγές στην ατμόσφαιρα που κυματίζουν μέχρι την ιονόσφαιρα.) Αυτή η τεχνική θα μπορούσε μια μέρα να συμπληρώσει την παραδοσιακή μέθοδο προειδοποίησης για τσουνάμι, η οποία χρησιμοποιεί σημαδούρες διακεκομμένες στον ωκεανό για να μετρήσει το ύψος του ταξιδιού κύματος .
Και οι επιστήμονες μπόρεσαν ακόμη και να μελετήσουν τα αποτελέσματα μιας ολικής έκλειψης ηλίου χρησιμοποιώνταςGPS. Τον Αύγουστο του 2017 χρησιμοποίησανΣταθμοί GPSσε όλες τις Ηνωμένες Πολιτείες για να μετρήσει πώς ο αριθμός των ηλεκτρονίων στην ανώτερη ατμόσφαιρα μειώθηκε καθώς η σκιά του φεγγαριού μετακινήθηκε σε όλη την ήπειρο, μειώνοντας το φως που διαφορετικά δημιουργούσε ηλεκτρόνια.
ΕτσιGPSείναι χρήσιμο για τα πάντα, από το κούνημα του εδάφους κάτω από τα πόδια σας μέχρι το χιόνι που πέφτει από τον ουρανό. Δεν είναι κακό για κάτι που απλώς υποτίθεται ότι θα σας βοηθήσει να βρείτε το δρόμο σας στην πόλη.
Αυτό το άρθρο εμφανίστηκε αρχικά στο Knowable Magazine, μια ανεξάρτητη δημοσιογραφική προσπάθεια από την Annual Reviews. Εγγραφείτε για το ενημερωτικό δελτίο.
