Saatat luulla olevasi asiantuntija kaupunkiliikenteessä navigoinnissa, älypuhelin rinnallasi. Voit jopa vaeltaa aGPS-laitelöytääksesi tiesi takamaan halki. Mutta luultavasti yllätyt silti kaikista asioistaGPS-maailmanlaajuinen paikannusjärjestelmä, joka on kaiken nykyaikaisen navigoinnin perustana - pystyy.
GPSkoostuu satelliiteista, jotka lähettävät signaaleja maan pinnalle. PerusGPS-vastaanotin, kuten älypuhelimesi, määrittää sijaintisi – noin 1–10 metrin etäisyydellä – mittaamalla neljän tai useamman satelliitin signaalien saapumisajan. Tyylikkäämmällä (ja kalliimmalla)GPS-vastaanottimet, tutkijat voivat määrittää niiden sijainnin senttimetreihin tai jopa millimetreihin asti. Käyttämällä näitä hienojakoisia tietoja sekä uusia tapoja analysoida signaaleja, tutkijat huomaavat, että GPS voi kertoa heille paljon enemmän planeettasta kuin he alun perin uskoivat voivan.
Viimeisen vuosikymmenen aikana nopeampi ja tarkempiGPS-laitteetovat antaneet tutkijoille mahdollisuuden valaista, kuinka maa liikkuu suurten maanjäristysten aikana.GPSon johtanut parempiin varoitusjärjestelmiin luonnonkatastrofien, kuten äkillisten tulvien ja tulivuorenpurkausten, varalta. Ja tutkijat ovat jopa MacGyvered joitakinGPS-vastaanottimettoimia lumiantureina, vuorovesimittareina ja muina odottamattomina työkaluina Maan mittaamiseen.
"Ihmiset pitivät minua hulluna, kun aloin puhua näistä sovelluksista", sanoo Kristine Larson, Colorado Boulderin yliopiston geofyysikko, joka on johtanut monia löytöjä ja kirjoitti niistä 2019 Annual Review of Earth and Planetary Sciences -julkaisussa. "No, kävi ilmi, että pystyimme siihen."
Tässä on joitain yllättäviä asioita, joita tiedemiehet ovat vasta äskettäin ymmärtäneet, että he voivat tehdä niistäGPS.
1. TUNNE MAANjäristyksen
Geotieteilijät ovat vuosisatojen ajan luottaneet seismometreihin, jotka mittaavat maan tärisemistä, arvioidakseen, kuinka suuri ja kuinka paha maanjäristys on.GPSVastaanottimilla oli eri tarkoitus – seurata geologisia prosesseja, jotka tapahtuvat paljon hitaammin, kuten nopeus, jolla Maan suuret kuorilevyt jauhavat toistensa ohi prosessissa, joka tunnetaan nimellä levytektoniikka. NiinGPSsaattaa kertoa tutkijoille nopeuden, jolla San Andreasin siirroksen vastakkaiset puolet hiipivät toistensa ohi, kun taas seismometrit mittaavat maan tärinää, kun Kalifornian vika murtuu maanjäristyksessä.
Suurin osa tutkijoista ajatteli niinGPSei yksinkertaisesti pystynyt mittaamaan paikkoja tarpeeksi tarkasti ja tarpeeksi nopeasti, jotta siitä olisi hyötyä maanjäristysten arvioinnissa. Mutta käy ilmi, että tiedemiehet voivat puristaa ylimääräistä tietoa signaaleista, joita GPS-satelliitit lähettävät Maahan.
Nämä signaalit saapuvat kahdessa komponentissa. Yksi on ainutlaatuinen ykkösten ja nollien sarja, joka tunnetaan nimellä koodiGPSsatelliitti lähettää. Toinen on lyhyemmän aallonpituinen "kantoaalto"-signaali, joka lähettää koodin satelliitista. Koska kantoaaltosignaalilla on lyhyempi aallonpituus - vain 20 senttimetriä - verrattuna koodin pidempään aallonpituuteen, joka voi olla kymmeniä tai satoja metrejä, kantoaaltosignaali tarjoaa korkearesoluutioisen tavan paikantaa piste Maan pinnalla. Tiedemiehet, katsastajat, armeija ja muut tarvitsevat usein erittäin tarkan GPS-sijainnin, ja siihen tarvitaan vain monimutkaisempi GPS-vastaanotin.
Insinöörit ovat myös parantaneet nopeuttaGPSvastaanottimet päivittävät sijaintinsa, mikä tarkoittaa, että he voivat päivittää itsensä jopa 20 kertaa sekunnissa tai useammin. Kun tutkijat ymmärsivät pystyvänsä tekemään tarkkoja mittauksia niin nopeasti, he alkoivat käyttää GPS:ää tutkiakseen, miten maa liikkui maanjäristyksen aikana.
Vuonna 2003 Larson ja hänen kollegansa käyttivät Yhdysvaltojen länsiosassa nastoitettuja GPS-vastaanottimia yhdessä ensimmäisistä tutkimuksista vuonna 2003 tutkiakseen, kuinka maa siirtyi seismisten aaltojen aaltoittaessa 7,9 magnitudin maanjäristyksestä Alaskassa. Vuoteen 2011 mennessä tutkijat pystyivät ottamaan GPS-tiedot Japania tuhonneesta 9,1 magnitudin maanjäristyksestä ja osoittamaan, että merenpohja oli siirtynyt huikeat 60 metriä järistyksen aikana.
Nykyään tiedemiehet tarkastelevat laajemmin, mitenGPS-tiedotvoi auttaa heitä arvioimaan nopeasti maanjäristyksiä. Diego Melgar Oregonin yliopistosta Eugenessa ja Gavin Hayes Yhdysvaltain geologisesta tutkimuskeskuksesta Goldenissa, Coloradossa, tutkivat takautuvasti 12 suurta maanjäristystä nähdäkseen, pystyisivätkö he kertomaan sekunneissa järistyksen alkamisesta, kuinka suuri se tulee olemaan. Sisällyttämällä tietoja järistysten episentrien lähellä sijaitsevilta GPS-asemilta tutkijat pystyivät 10 sekunnissa määrittämään, olisiko järistys voimakkuudeltaan 7 vai täysin tuhoisa magnitudi 9.
Yhdysvaltain länsirannikon tutkijat ovat jopa ottaneet mukaanGPSheidän aloittelevaan maanjäristysvaroitusjärjestelmäänsä, joka havaitsee maan tärinän ja ilmoittaa kaukaisissa kaupungeissa oleville ihmisille, uhkaako tärinä pian. Ja Chile on rakentanut sitäGPSverkkoon saadakseen tarkempia tietoja nopeammin, mikä voi auttaa laskemaan, aiheuttaako rannikon lähellä tapahtuva järistys tsunamin vai ei.
2. VALVOJA TUVIRUPPIA
Beyond maanjäristykset, nopeusGPSauttaa viranomaisia reagoimaan nopeammin muihin luonnonkatastrofeihin niiden kehittyessä.
Esimerkiksi monilla tulivuoren observatorioilla onGPSVuorten ympärille sijoitetut vastaanottimet he tarkkailevat, koska kun magma alkaa siirtyä maan alle, se saa usein myös pinnan siirtymään. Seuraamalla, kuinka tulivuoren ympärillä olevat GPS-asemat nousevat tai uppoavat ajan myötä, tutkijat voivat saada paremman käsityksen siitä, missä sulaa kiveä virtaa.
Ennen viime vuoden suurta Kilauea-tulivuoren purkausta Havaijilla tutkijat käyttivätGPSymmärtää, mitkä osat tulivuoresta liikkuivat nopeimmin. Viranomaiset käyttivät tietoja päättäessään, miltä alueilta asukkaat evakuoidaan.
GPS-tiedotvoi olla hyödyllistä myös tulivuoren purkauksen jälkeen. Koska signaalit kulkevat satelliiteista maahan, niiden on läpäistävä tulivuoren ilmaan sinkoaman materiaalin läpi. Vuonna 2013 tutkittiin useita tutkimusryhmiäGPS-tiedotRedoubt-tulivuoren purkauksesta Alaskassa neljä vuotta aiemmin ja havaitsi, että signaalit vääristyivät pian purkauksen alkamisen jälkeen.
Vääristymiä tutkimalla tiedemiehet saattoivat arvioida, kuinka paljon tuhkaa oli sylkenyt ulos ja kuinka nopeasti se kulki. Siitä seuranneessa paperissa Larson kutsui sitä "uudeksi tapaksi havaita tulivuoren pilviä".
Hän ja hänen kollegansa ovat työstäneet tapoja tehdä tämä älypuhelinten kanssaGPS-vastaanottimetkalliiden tieteellisten vastaanottimien sijaan. Tämä voisi antaa vulkanologille mahdollisuuden perustaa suhteellisen edullisen GPS-verkon ja seurata tuhkapilviä niiden noustessa. Tulivuoret ovat suuri ongelma lentokoneille, joiden on lentää tuhkan ympärillä sen sijaan, että hiukkaset tukkisivat niiden suihkumoottorit.
3. TEE LUMI
Jotkut odottamattomimmista käyttötavoistaGPStulevat sen signaalin sotkuimmista osista – osista, jotka pomppaavat maasta.
TyypillinenGPS-vastaanotin, kuten älypuhelimesi, enimmäkseen poimii signaaleja, jotka tulevat suoraanGPSsatelliitit yläpuolella. Mutta se poimii myös signaaleja, jotka ovat pomppineet maassa, jolla kävelet, ja heijastuneet älypuhelimeesi.
Monien vuosien ajan tiedemiehet olivat luulleet, että nämä heijastuneet signaalit olivat vain kohinaa, eräänlaista kaikua, joka sotki tiedot ja vaikeutti tapahtuvan ymmärtämistä. Mutta noin 15 vuotta sitten Larson ja muut alkoivat miettiä, voisivatko he hyödyntää tieteellisten GPS-vastaanottimien kaikuja. Hän alkoi tarkastella maasta heijastuneiden signaalien taajuuksia ja niiden yhdistämistä suoraan vastaanottimeen saapuneiden signaalien kanssa. Siitä hän saattoi päätellä pinnan ominaisuuksia, joista kaiut olivat pomppineet. "Me vain käänsimme ne kaiut", Larson sanoo.
Tämän lähestymistavan avulla tutkijat voivat oppia maasta GPS-vastaanottimen alla – esimerkiksi kuinka paljon kosteutta maaperä sisältää tai kuinka paljon lunta on kertynyt pinnalle. (Mitä enemmän lunta sataa maahan, sitä lyhyempi etäisyys kaiun ja vastaanottimen välillä on.) GPS-asemat voivat toimia lumitunnistimina lumen syvyyden mittaamiseksi, kuten vuoristoalueilla, joilla lumipeite on vuosittainen merkittävä vesivarasto.
Tekniikka toimii hyvin myös arktisella alueella ja Etelämantereella, missä on vähän sääasemia, jotka tarkkailevat lumisateita ympäri vuoden. Matt Siegfried, joka työskentelee nyt Colorado School of Minesissa Goldenissa, ja hänen kollegansa tutkivat lumen kertymistä 23 GPS-asemalla Länsi-Antarktiksella vuosina 2007–2017. He havaitsivat pystyvänsä mittaamaan lumen muuttumisen suoraan. Tämä on ratkaisevaa tietoa tutkijoille, jotka haluavat arvioida, kuinka paljon lunta Etelämantereen jääpeitteelle kertyy joka talvi – ja miten se on verrattuna siihen, mikä sulaa pois joka kesä.
4. TUNNISTA UPAKUMINEN
GPSsaattoi alkaa tapa mitata sijaintia kiinteällä maaperällä, mutta se osoittautuu hyödylliseksi myös vedenpinnan muutosten seurannassa.
Heinäkuussa John Galetzka, UNAVCO-geofysiikan tutkimusorganisaation insinööri Boulderissa, Coloradossa, huomasi asentavansa GPS-asemia Bangladeshiin, Ganges- ja Brahmaputra-jokien risteykseen. Tavoitteena oli mitata, tiivistyvätkö jokien sedimentit ja vajoavatko maa hitaasti, mikä tekee siitä alttiimman tulville trooppisten syklonien ja merenpinnan nousun aikana. "GPS on hämmästyttävä työkalu, joka auttaa vastaamaan tähän kysymykseen ja paljon muuta", Galetzka sanoo.
Sonatala-nimiseen viljelijäyhteisöön, mangrovemetsän reunaan, Galetzka ja hänen kollegansa asettivat yhdenGPSasema peruskoulun betonikatolla. He perustivat toisen aseman lähistölle riisipelloksi vasaroidun tangon huipulle. Jos maa todella vajoaa, toinen GPS-asema näyttää siltä kuin se nousee hitaasti maasta. Ja mittaamalla asemien alla olevia GPS-kaikuja, tutkijat voivat mitata tekijöitä, kuten kuinka paljon vettä on riisipellolla sadekauden aikana.
GPS-vastaanottimetvoi jopa auttaa valtameren tutkijoita ja merenkulkijoita toimimalla vuorovesimittarina. Larson törmäsi tähän työskennellessään GPS-tietojen kanssa Alaskasta Kachemak Baystä. Asema perustettiin tutkimaan tektonisia muodonmuutoksia, mutta Larson oli utelias, koska lahdella on myös joitain Yhdysvaltojen suurimmista vuorovesivaihteluista. Hän katsoi GPS-signaaleja, jotka pomppivat vedestä ja ylöspäin vastaanottimeen, ja pystyi seuraamaan vuorovesimuutoksia lähes yhtä tarkasti kuin todellinen vuorovesimittari läheisessä satamassa.
Tästä voi olla apua sellaisissa osissa maailmaa, joissa ei ole asennettuna pitkän aikavälin vuorovesimittareita, mutta joilla onGPS-asema lähellä.
5. ANALYSOI ILMAKE
Lopuksi,GPSvoi kiusata tietoa taivaasta tavoilla, joita tiedemiehet eivät olleet uskoneet mahdolliseksi vasta muutama vuosi sitten. Vesihöyry, sähköisesti varautuneet hiukkaset ja muut tekijät voivat viivyttää ilmakehän läpi kulkevia GPS-signaaleja, mikä antaa tutkijoille mahdollisuuden tehdä uusia löytöjä.
Yksi tiedemiesryhmä käyttääGPStutkia ilmakehän vesihöyryn määrää, joka voi saostua sateena tai lumena. Tutkijat ovat käyttäneet näitä muutoksia laskeakseen, kuinka paljon vettä todennäköisesti putoaa taivaalta kosteissa sateissa, jolloin ennustajat voivat hienosäätää ennusteitaan äkillisistä tulvista esimerkiksi Etelä-Kaliforniassa. Heinäkuun 2013 myrskyn aikana meteorologit käyttivätGPStiedot, joilla seurataan rannikolla liikkuvaa monsuunikosteutta, mikä osoittautui ratkaisevan tärkeäksi tiedoksi varoituksen antamiselle 17 minuuttia ennen tulvien alkamista.
GPS-signaalitvaikuttaa myös, kun ne kulkevat ylemmän ilmakehän sähköisesti varautuneen osan, ionosfäärin, läpi. Tiedemiehet ovat käyttäneetGPS-tiedotseurata muutoksia ionosfäärissä, kun tsunamit juoksevat valtameren yli. (Tsunamin voima saa aikaan muutoksia ilmakehässä, joka värähtelee aina ionosfääriin asti.) Tämä tekniikka voisi jonain päivänä täydentää perinteistä tsunamivaroitusmenetelmää, jossa valtameren poikki pisteytettyjen poijujen avulla mitataan kulkevan aallon korkeus. .
Ja tiedemiehet ovat jopa pystyneet tutkimaan täydellisen auringonpimennyksen vaikutuksia käyttämälläGPS. Elokuussa 2017 he käyttivätGPS-asematympäri Yhdysvaltoja mittaamaan, kuinka elektronien määrä ylemmissä ilmakehissä laski kuun varjon liikkuessa mantereen poikki, himmentäen valoa, joka muuten loi elektroneja.
NiinGPSon hyödyllinen kaikessa maan tärisemisestä jalkojen alla tai taivaalta putoaviin lumiin. Ei huono asia, jonka piti vain auttaa sinua löytämään tiesi kaupungin halki.
Tämä artikkeli ilmestyi alun perin Knowable Magazinessa, joka on Annual Reviews -julkaisun riippumaton journalistinen yritys. Tilaa uutiskirje.
