Azt gondolhatja, hogy szakértő vagy a városi forgalomban való navigálásban, okostelefonnal az Ön oldalán. Akár túrázhat is aGPSkészülékhogy megtalálja az utat a hátországon keresztül. De valószínűleg még mindig meglepődnél mindenenGPS– a globális helymeghatározó rendszer, amely a modern navigáció alapját képezi – megteheti.
GPSműholdak konstellációjából áll, amelyek jeleket küldenek a Föld felszínére. Egy alapGPSvevőAz okostelefonhoz hasonlóan négy vagy több műholdból érkező jelek érkezési idejének mérésével határozza meg, hogy éppen hol tartózkodik – körülbelül 1–10 méteren belül. Szívesebben (és drágábban)GPSvevők, a tudósok akár centiméteres vagy akár milliméteres méretben is meghatározhatják a helyüket. A finomszemcsés információk, valamint a jelek elemzésének új módszerei felhasználásával a kutatók felfedezik, hogy a GPS sokkal többet tud elárulni a bolygóról, mint azt eredetileg gondolták.
Az elmúlt évtizedben gyorsabban és pontosabbanGPSkészülékeklehetővé tették a tudósok számára, hogy megvilágítsák, hogyan mozog a föld nagy földrengések során.GPSjobb figyelmeztető rendszerekhez vezetett a természeti katasztrófákra, például a hirtelen áradásokra és a vulkánkitörésekre. És a kutatók még MacGyvered is végeztek néhányatGPSvevőkhóérzékelőként, dagálymérőként és egyéb váratlan eszközként működnek a Föld mérésére.
„Az emberek azt hitték, őrült vagyok, amikor elkezdtem beszélni ezekről az alkalmazásokról” – mondja Kristine Larson, a Colorado Boulder Egyetem geofizikusa, aki számos felfedezés vezetője volt, és írt róluk a Föld- és bolygótudományok 2019-es éves áttekintésében. – Nos, kiderült, hogy képesek vagyunk rá.
Íme néhány meglepő dolog, amire a tudósok csak mostanában jöttek rá, hogy képesek lennénekGPS.
1. ÉREZZ FÖLDRENGÉST
A földtudósok évszázadok óta szeizmométerekre támaszkodtak, amelyek azt mérik, hogy mennyire remeg a föld, hogy felmérjék, mekkora és milyen erős a földrengés.GPSA vevőkészülékek más célt szolgáltak – a sokkal lassabb léptékű geológiai folyamatok nyomon követését, például azt, hogy a Föld nagy kéreglemezei milyen sebességgel csiszolódnak egymás mellett a lemeztektonikának nevezett folyamat során. ÍgyGPSMegmondhatja a tudósoknak, hogy a San Andreas-törés ellentétes oldalai milyen sebességgel kúsznak el egymás mellett, míg a szeizmométerek mérik a föld remegését, amikor a kaliforniai hiba felszakad egy rengés során.
A legtöbb kutató úgy gondoltaGPSegyszerűen nem tudta elég pontosan és elég gyorsan mérni a helyszíneket ahhoz, hogy hasznos legyen a földrengések értékelésében. Kiderült azonban, hogy a tudósok extra információkat tudnak kicsikarni a GPS-műholdak által a Földre továbbított jelekből.
Ezek a jelek két komponensben érkeznek. Az egyik az egyesek és nullák egyedi sorozata, az úgynevezett kód, amelyet mindegyikGPSműhold sugároz. A második egy rövidebb hullámhosszú „vivő” jel, amely továbbítja a kódot a műholdról. Mivel a vivőjel hullámhossza rövidebb – mindössze 20 centiméter – a kód hosszabb hullámhosszához képest, amely több tíz vagy több száz méter is lehet, a vivőjel nagy felbontású módot kínál egy folt meghatározására a Föld felszínén. A tudósoknak, földmérőknek, katonaságnak és másoknak gyakran nagyon pontos GPS-helyre van szükségük, és csak egy bonyolultabb GPS-vevőre van szükség.
A mérnökök az ütemet is javítottákGPSA vevőkészülékek frissítik a helyzetüket, ami azt jelenti, hogy másodpercenként akár 20-szor is frissíthetik magukat. Miután a kutatók rájöttek, hogy ilyen gyorsan tudnak pontos méréseket végezni, elkezdték a GPS segítségével megvizsgálni, hogyan mozog a talaj egy földrengés során.
2003-ban, az egyik első ilyen jellegű tanulmányban Larson és munkatársai az Egyesült Államok nyugati részén elhelyezett GPS-vevőket használtak annak tanulmányozására, hogy miként mozdul el a talaj egy 7,9-es erősségű alaszkai földrengés következtében. 2011-re a kutatók GPS-adatokat vettek fel a Japánban pusztító 9,1-es erősségű földrengésről, és kimutatták, hogy a tengerfenék elképesztően 60 méterrel elmozdult a rengés során.
Ma a tudósok szélesebb körben vizsgálják, hogyanGPSadatoksegíthet nekik gyorsan felmérni a földrengéseket. Diego Melgar, az Eugene-i Oregoni Egyetem munkatársa és Gavin Hayes, az US Geological Survey munkatársa, Goldenben, Coloradoban, utólag 12 nagy földrengést tanulmányoztak, hogy megnézzék, a rengés kezdetétől számított másodperceken belül meg tudják-e mondani, mekkora lesz. A földrengések epicentruma közelében lévő GPS-állomások információinak felvételével a tudósok 10 másodpercen belül meg tudták állapítani, hogy a rengés erőssége 7 vagy teljesen pusztító 9-es magnitúdójú.
Az Egyesült Államok nyugati partvidékén dolgozó kutatók is bevonták eztGPSa földrengés korai figyelmeztető rendszerébe, amely érzékeli a földrengést, és értesíti az embereket a távoli városokban, ha valószínű, hogy hamarosan megrázza őket. Chile pedig kiépítette a sajátjátGPShálózatot, hogy gyorsabban pontosabb információkhoz jusson, amelyek segíthetnek kiszámítani, hogy a part közelében bekövetkező rengés valószínűleg szökőárt generál-e vagy sem.
2. MONITOROZZ EGY VULKÁNT
A földrengéseken túl a sebességGPSsegíti a tisztviselőket abban, hogy gyorsabban reagáljanak más természeti katasztrófákra.
Számos vulkán-megfigyelőközpont rendelkezik példáulGPSa hegyek körül elhelyezett vevőegységeket figyelik, mert amikor a magma elkezd elmozdulni a föld alá, az gyakran a felszín eltolódását is okozza. Ha figyelemmel kísérik, hogyan emelkednek vagy süllyednek a vulkán körüli GPS-állomások idővel, a kutatók jobb képet kaphatnak arról, hogy hol folyik az olvadt kőzet.
A hawaii Kilauea vulkán tavalyi nagy kitörése előtt a kutatók használtákGPShogy megértsük, a vulkán mely részei mozognak a leggyorsabban. A tisztviselők ezt az információt felhasználták annak eldöntésére, hogy mely területekről evakuálják a lakosságot.
GPSadatokvulkán kitörése után is hasznos lehet. Mivel a jelek a műholdakról a földre jutnak, minden olyan anyagon kell áthaladniuk, amelyet a vulkán a levegőbe lövell. 2013-ban több kutatócsoport is vizsgáltaGPSadatokaz alaszkai Redoubt vulkán négy évvel korábbi kitöréséből, és megállapította, hogy a jelek nem sokkal a kitörés kezdete után eltorzultak.
A torzulások tanulmányozásával a tudósok megbecsülhették, hogy mennyi hamu lövellt ki, és milyen gyorsan terjed. Egy későbbi cikkében Larson „új módszernek nevezte a vulkáni csóvák észlelésére”.
Kollégáival együtt azon dolgoznak, hogy miként lehetne ezt megtenni különféle okostelefonokkalGPSvevőknem pedig drága tudományos vevőkészülékek. Ez lehetővé tenné a vulkanológusok számára, hogy viszonylag olcsó GPS-hálózatot hozzanak létre, és nyomon kövessék a felszálló hamuoszlopokat. A vulkáni csóvák nagy problémát jelentenek a repülőgépek számára, amelyeknek inkább a hamu körül kell repülniük, nem pedig azt kockáztatnák, hogy a részecskék eltömítik a sugárhajtóműveiket.
3. MEGSZONDÁLJA A HÓT
Néhány a legváratlanabb felhasználási módok közülGPSjelének legrendetlenebb részeiből származnak – a földről visszapattanó részekből.
Egy tipikusGPSvevő, mint az okostelefonjában található, többnyire olyan jeleket vesz fel, amelyek közvetlenül érkeznekGPSműholdak a fejük felett. De felveszi azokat a jeleket is, amelyek a földre verődve, amelyen sétálsz, és visszaverődnek az okostelefonodra.
A tudósok sok éven át azt hitték, hogy ezek a visszaverődő jelek nem más, mint zaj, egyfajta visszhang, amely összezavarta az adatokat, és megnehezítette annak kiderítését, hogy mi történik. De körülbelül 15 évvel ezelőtt Larson és mások azon töprengtek, hogy vajon ki tudják-e használni a tudományos GPS-vevők visszhangját. Elkezdte nézni a földről visszaverődő jelek frekvenciáját, és azt, hogy ezek hogyan kapcsolódnak össze a közvetlenül a vevőhöz érkezett jelekkel. Ebből következtetni tudott a felület azon tulajdonságaira, amelyekről a visszhangok visszaverődtek. „Csak visszafejtettük ezeket a visszhangokat” – mondja Larson.
Ez a megközelítés lehetővé teszi a tudósok számára, hogy megismerjék a GPS-vevő alatti talajt – például mennyi nedvességet tartalmaz a talaj, vagy mennyi hó halmozódott fel a felszínen. (Minél több hó esik a földre, annál kisebb a távolság a visszhang és a vevő között.) A GPS-állomások hóérzékelőként működhetnek a hómélység mérésére, például hegyvidéki területeken, ahol a hótakaró minden évben jelentős vízkészlet.
A technika jól működik az Északi-sarkvidéken és az Antarktiszon is, ahol kevés meteorológiai állomás figyeli a havazást egész évben. Matt Siegfried, aki jelenleg a Colorado School of Mines in Goldenben dolgozik, és kollégái 2007 és 2017 között 23 nyugat-antarktiszi GPS-állomáson tanulmányozták a hó felhalmozódását. Azt találták, hogy közvetlenül meg tudják mérni a változó havat. Ez kulcsfontosságú információ a kutatók számára, akik fel akarják mérni, mennyi havat halmoz fel az antarktiszi jégtakaró minden télen – és ez hogyan viszonyul ahhoz, ami nyáron elolvad.
4. ÉREZZE AZ ELSÜLYEDÉST
GPSLehet, hogy a szilárd talajon történő helymeghatározási módszernek indult, de a vízszint változásának nyomon követésében is hasznosnak bizonyult.
Júliusban John Galetzka, a coloradói Boulderben található UNAVCO geofizikai kutatószervezet mérnöke GPS-állomásokat telepített Bangladesben, a Gangesz és a Brahmaputra folyók találkozásánál. A cél az volt, hogy megmérjék, hogy a folyó üledékei tömörülnek-e, és a föld lassan süllyed-e, ami sérülékenyebbé teszi az árvizeket a trópusi ciklonok és a tengerszint emelkedése során. „A GPS egy csodálatos eszköz, amely segít megválaszolni ezt a kérdést és még sok mást” – mondja Galetzka.
A Sonatala nevű gazdálkodó közösségben, egy mangrove erdő szélén Galetzka és kollégái elhelyeztek egyet.GPSállomás egy általános iskola betontetőjén. Felállítottak egy második állomást a közelben, egy rizsföldbe kalapált rúd tetején. Ha a talaj valóban süllyed, akkor a második GPS-állomás úgy néz ki, mintha lassan emelkedne ki a földből. Az állomások alatti GPS visszhangok mérésével pedig a tudósok olyan tényezőket mérhetnek, mint például, hogy az esős évszakban mennyi víz áll a rizsföldön.
GPSvevőkmég az oceanográfusoknak és tengerészeknek is segíthet, mivel dagálymérőként működnek. Larson ebbe belebotlott, miközben az alaszkai Kachemak-öbölből származó GPS-adatokkal dolgozott. Az állomást a tektonikus deformáció tanulmányozására hozták létre, de Larson kíváncsi volt, mert az öbölben az Egyesült Államok legnagyobb árapály-ingadozásai is vannak. Megnézte a GPS-jeleket, amelyek a vízről és a vevő felé pattantak, és majdnem olyan pontosan tudta követni az árapály változásait, mint egy valódi dagálymérő a közeli kikötőben.
Ez hasznos lehet a világ azon részein, ahol nincs beállítva hosszú távú dagálymérő, de vanGPSállomás a közelben.
5. A LÉGKÖR ELEMZÉSE
Végül,GPSolyan módon ugrathatja ki az égboltról szóló információkat, amit a tudósok néhány évvel ezelőttig nem hittek lehetségesnek. A vízgőz, az elektromosan töltött részecskék és más tényezők késleltethetik a GPS-jelek áthaladását a légkörben, és ez lehetővé teszi a kutatók számára, hogy új felfedezéseket tegyenek.
A tudósok egyik csoportja használjaGPSa légkörben eső vagy hó formájában kicsapódó vízgőz mennyiségének tanulmányozására. A kutatók ezeket a változtatásokat arra használták, hogy kiszámítsák, mennyi víz hullik le az égből áztató esőben, így az előrejelzések finomhangolhatják a hirtelen áradásokra vonatkozó előrejelzéseiket olyan helyeken, mint Dél-Kalifornia. Egy 2013. júliusi vihar során a meteorológusok használtákGPSadatok a parton mozgó monszun nedvesség nyomon követésére, amelyek kulcsfontosságú információnak bizonyultak a figyelmeztetés kibocsátásához 17 perccel a villámárvizek becsapása előtt.
GPSjelekakkor is hatással vannak, amikor áthaladnak a felső légkör elektromosan töltött részén, az ionoszférán. A tudósok használtákGPSadatokhogy nyomon kövessük az ionoszférában bekövetkezett változásokat, amint a cunamik átszáguldanak az óceánon. (A szökőár ereje olyan változásokat idéz elő a légkörben, amelyek egészen az ionoszféráig hullámzanak.) Ez a technika egy napon kiegészítheti a szökőár-riasztás hagyományos módszerét, amely az óceánon elhelyezett bóják segítségével méri a haladó hullám magasságát. .
A tudósok pedig még a teljes napfogyatkozás hatásait is tanulmányozhattákGPS. 2017 augusztusában használtákGPSállomásokszerte az Egyesült Államokban, hogy megmérjék, hogyan csökkent az elektronok száma a felső légkörben, ahogy a Hold árnyéka áthaladt a kontinensen, tompítva az egyébként elektronokat létrehozó fényt.
ÍgyGPSmindenre hasznos, a lábad alatti talajrázkódástól az égből hulló hóig. Nem rossz valamiért, aminek az volt a célja, hogy segítsen eligazodni a városban.
Ez a cikk eredetileg a Knowable Magazine-ban jelent meg, amely az Annual Reviews független újságírói törekvése. Iratkozzon fel a hírlevélre.
