Du tror måske, du er en ekspert i at navigere gennem bytrafik, med smartphone ved din side. Du kan endda vandre med enGPS-enhedat finde vej gennem baglandet. Men du vil sikkert stadig blive overrasket over alle de ting, derGPS—det globale positioneringssystem, der ligger til grund for al moderne navigation — kan gøre.
GPSbestår af en konstellation af satellitter, der sender signaler til jordens overflade. En grundlæggendeGPSmodtager, ligesom den i din smartphone, bestemmer, hvor du er – inden for 1 til 10 meter – ved at måle ankomsttiden for signaler fra fire eller flere satellitter. Med mere avanceret (og dyrere)GPS-modtagere, kan forskere lokalisere deres placeringer ned til centimeter eller endda millimeter. Ved at bruge den finkornede information sammen med nye måder at analysere signalerne på, opdager forskerne, at GPS kan fortælle dem langt mere om planeten, end de oprindeligt troede, det kunne.
I løbet af det sidste årti, hurtigere og mere præcistGPS-enhederhar givet videnskabsmænd mulighed for at belyse, hvordan jorden bevæger sig under store jordskælv.GPShar ført til bedre varslingssystemer for naturkatastrofer som lynflod og vulkanudbrud. Og forskere har endda MacGyvered nogleGPS-modtageretil at fungere som snesensorer, tidevandsmålere og andre uventede værktøjer til måling af Jorden.
"Folk troede, jeg var skør, da jeg begyndte at tale om disse applikationer," siger Kristine Larson, en geofysiker ved University of Colorado Boulder, som har ledet mange af opdagelserne og skrev om dem i 2019 Annual Review of Earth and Planetary Sciences. "Nå, det viste sig, at vi var i stand til at gøre det."
Her er nogle overraskende ting, videnskabsmænd først for nylig har indset, at de kunne gøre medGPS.
1. MÆRK ET JORDSkælv
I århundreder har geovidenskabsfolk stolet på seismometre, som måler, hvor meget jorden ryster, for at vurdere, hvor stort og hvor slemt et jordskælv er.GPSmodtagere tjente et andet formål - at spore geologiske processer, der sker på meget langsommere skalaer, såsom den hastighed, hvormed Jordens store skorpeplader kværner forbi hinanden i processen kendt som pladetektonik. SåGPSkan fortælle videnskabsmænd, hvor hurtigt de modsatte sider af San Andreas-forkastningen kryber forbi hinanden, mens seismometre måler jorden, der ryster, når den californiske forkastning brister i et jordskælv.
Det mente de fleste forskereGPSkunne simpelthen ikke måle placeringer præcist nok og hurtigt nok til at være nyttige til at vurdere jordskælv. Men det viser sig, at forskere kan presse ekstra information ud af de signaler, som GPS-satellitter sender til Jorden.
Disse signaler ankommer i to komponenter. Den ene er den unikke serie af et-taller og nuller, kendt som koden, som hverGPSsatellit sender. Det andet er et "bæresignal" med kortere bølgelængde, der transmitterer koden fra satellitten. Fordi bæresignalet har en kortere bølgelængde - kun 20 centimeter - sammenlignet med kodens længere bølgelængde, som kan være titusinder eller hundreder af meter, tilbyder bæresignalet en højopløselig måde at lokalisere et sted på Jordens overflade. Forskere, landmålere, militæret og andre har ofte brug for en meget præcis GPS-placering, og det eneste, der skal til, er en mere kompliceret GPS-modtager.
Ingeniører har også forbedret hastighedenGPSmodtagere opdaterer deres placering, hvilket betyder, at de kan opdatere sig selv så ofte som 20 gange i sekundet eller mere. Da forskerne indså, at de kunne tage præcise målinger så hurtigt, begyndte de at bruge GPS til at undersøge, hvordan jorden bevægede sig under et jordskælv.
I 2003, i en af de første undersøgelser af sin art, brugte Larson og hendes kolleger GPS-modtagere på tværs af det vestlige USA til at studere, hvordan jorden skiftede, da seismiske bølger bølgede fra et jordskælv med en styrke på 7,9 i Alaska. I 2011 var forskere i stand til at tage GPS-data om jordskælvet med en styrke på 9,1, der ødelagde Japan og vise, at havbunden havde flyttet sig svimlende 60 meter under jordskælvet.
I dag ser forskere mere bredt på hvordanGPS-datakan hjælpe dem med hurtigt at vurdere jordskælv. Diego Melgar fra University of Oregon i Eugene og Gavin Hayes fra US Geological Survey i Golden, Colorado, undersøgte retrospektivt 12 store jordskælv for at se, om de inden for sekunder efter jordskælvets begyndelse kunne fortælle, hvor stort det ville blive. Ved at inkludere information fra GPS-stationer i nærheden af jordskælvenes epicentre kunne forskerne inden for 10 sekunder bestemme, om jordskælvet ville være en skadelig størrelsesorden 7 eller en fuldstændig ødelæggende størrelsesorden 9.
Forskere langs den amerikanske vestkyst har endda indarbejdetGPSind i deres begyndende jordskælvsvarslingssystem, som registrerer jordrystelser og giver folk i fjerne byer besked om, hvorvidt rystelser sandsynligvis vil ramme dem snart. Og Chile har bygget sin opGPSnetværk for hurtigere at få mere præcis information, hvilket kan hjælpe med at beregne, om et jordskælv nær kysten sandsynligvis vil generere en tsunami eller ej.
2. OVERVÅG EN VULKAN
Ud over jordskælv, hastigheden afGPShjælper embedsmænd med at reagere hurtigere på andre naturkatastrofer, efterhånden som de udspiller sig.
Mange vulkanobservatorier har f.eksGPSmodtagere opstillet omkring bjergene, de overvåger, for når magma begynder at skifte under jorden, får det ofte også overfladen til at flytte sig. Ved at overvåge, hvordan GPS-stationer omkring en vulkan stiger eller synker over tid, kan forskere få en bedre idé om, hvor smeltet sten flyder.
Før sidste års store udbrud af Kilauea-vulkanen på Hawaii brugte forskereGPSat forstå, hvilke dele af vulkanen der skiftede hurtigst. Embedsmænd brugte disse oplysninger til at hjælpe med at beslutte, hvilke områder beboerne skulle evakueres fra.
GPS-datakan også være nyttig, selv efter en vulkan er gået i udbrud. Fordi signalerne bevæger sig fra satellitter til jorden, skal de passere gennem det materiale, som vulkanen sender ud i luften. I 2013 undersøgte flere forskergrupperGPS-datafra et udbrud af vulkanen Redoubt i Alaska fire år tidligere og fandt ud af, at signalerne blev forvrænget kort efter udbruddet begyndte.
Ved at studere forvrængningerne kunne forskerne vurdere, hvor meget aske der var spyet ud, og hvor hurtigt den rejste. I et efterfølgende papir kaldte Larson det "en ny måde at opdage vulkanske faner på."
Hun og hendes kolleger har arbejdet på måder at gøre dette på med smartphone-variationGPS-modtageresnarere end dyre videnskabelige modtagere. Det kunne gøre det muligt for vulkanologer at oprette et relativt billigt GPS-netværk og overvåge askefaner, når de stiger. Vulkanfaner er et stort problem for flyvemaskiner, som skal flyve rundt om asken i stedet for at risikere, at partiklerne tilstopper deres jetmotorer.
3. UNDERSØG SNEN
Nogle af de mest uventede anvendelser afGPSkommer fra de mest rodede dele af dets signal - de dele, der hopper fra jorden.
En typiskGPSmodtager, som den i din smartphone, opfanger for det meste signaler, der kommer direkte fraGPSsatellitter ovenover. Men den opfanger også signaler, der har hoppet på jorden, du går på, og reflekteret op til din smartphone.
I mange år havde videnskabsmænd troet, at disse reflekterede signaler ikke var andet end støj, en slags ekko, der forvirrede dataene og gjorde det svært at finde ud af, hvad der foregik. Men for omkring 15 år siden begyndte Larson og andre at spekulere på, om de kunne drage fordel af ekkoerne i videnskabelige GPS-modtagere. Hun begyndte at se på frekvenserne af de signaler, der reflekterede fra jorden, og hvordan de blev kombineret med de signaler, der var ankommet direkte til modtageren. Ud fra det kunne hun udlede kvaliteter ved overfladen, som ekkoerne havde prellet af. "Vi har netop reverse-engineeret disse ekkoer," siger Larson.
Denne tilgang giver forskerne mulighed for at lære om jorden under GPS-modtageren - for eksempel hvor meget fugt jorden indeholder, eller hvor meget sne der har samlet sig på overfladen. (Jo mere sne der falder på jorden, jo kortere er afstanden mellem ekkoet og modtageren.) GPS-stationer kan fungere som snesensorer til at måle snedybden, som f.eks. i bjergområder, hvor snepakning er en stor vandressource hvert år.
Teknikken fungerer også godt i Arktis og Antarktis, hvor der er få vejrstationer, der overvåger snefald året rundt. Matt Siegfried, nu på Colorado School of Mines i Golden, og hans kolleger studerede sneophobning på 23 GPS-stationer i Vestantarktis fra 2007 til 2017. De fandt ud af, at de direkte kunne måle den skiftende sne. Det er afgørende information for forskere, der ønsker at vurdere, hvor meget sne den antarktiske iskappe bygger op hver vinter - og hvordan det kan sammenlignes med det, der smelter væk hver sommer.
4. FORANSER ET SYNK
GPSkan have startet som en måde at måle placering på fast grund, men det viser sig også at være nyttigt til overvågning af ændringer i vandstanden.
I juli fandt John Galetzka, en ingeniør ved UNAVCOs geofysiske forskningsorganisation i Boulder, Colorado, sig selv i at installere GPS-stationer i Bangladesh, ved krydset mellem Ganges og Brahmaputra-floderne. Målet var at måle, om flodsedimenterne komprimeres, og landet langsomt synker - hvilket gør det mere sårbart over for oversvømmelser under tropiske cykloner og havniveaustigning. "GPS er et fantastisk værktøj til at hjælpe med at besvare dette spørgsmål og mere," siger Galetzka.
I et landbrugssamfund kaldet Sonatala, i udkanten af en mangroveskov, placerede Galetzka og hans kolleger enGPSstation på betontaget af en folkeskole. De oprettede en anden station i nærheden, oven på en stang hamret ind i en rismark. Hvis jorden virkelig synker, så vil den anden GPS-station se ud, som om den langsomt kommer frem fra jorden. Og ved at måle GPS-ekkoerne under stationerne kan forskerne måle faktorer som, hvor meget vand der står i rismarken i regntiden.
GPS-modtagerekan endda hjælpe oceanografer og søfolk ved at fungere som tidevandsmålere. Larson faldt over dette, mens han arbejdede med GPS-data fra Kachemak Bay, Alaska. Stationen blev etableret for at studere tektonisk deformation, men Larson var nysgerrig, fordi bugten også har nogle af de største tidevandsvariationer i USA. Hun kiggede på GPS-signalerne, der hoppede af vandet og op til modtageren, og var i stand til at spore tidevandsændringer næsten lige så præcist som en rigtig tidevandsmåler i en nærliggende havn.
Dette kan være nyttigt i dele af verden, der ikke har opsat langsigtede tidevandsmålere - men som tilfældigvis har enGPS-station i nærheden.
5. ANALYSER ATMOSFÆREN
Endelig,GPSkan pirre information om himlen over hovedet på måder, som videnskabsmænd ikke havde troet var mulige indtil for blot et par år siden. Vanddamp, elektrisk ladede partikler og andre faktorer kan forsinke GPS-signaler, der rejser gennem atmosfæren, og det giver forskere mulighed for at gøre nye opdagelser.
En gruppe videnskabsmænd brugerGPSat studere mængden af vanddamp i atmosfæren, der er tilgængelig til at udfælde som regn eller sne. Forskere har brugt disse ændringer til at beregne, hvor meget vand der sandsynligvis vil falde ned fra himlen i drivende regnskyl, hvilket gør det muligt for prognosemænd at finjustere deres forudsigelser om oversvømmelser på steder som det sydlige Californien. Under en storm i juli 2013 brugte meteorologerGPSdata til at spore monsunfugt, der bevæger sig på land dér, hvilket viste sig at være afgørende information for at udsende en advarsel 17 minutter før oversvømmelser ramte.
GPS-signalerpåvirkes også, når de rejser gennem den elektrisk ladede del af den øvre atmosfære, kendt som ionosfæren. Forskere har brugtGPS-dataat spore ændringer i ionosfæren, når tsunamier raser hen over havet nedenfor. (Tsunamiens kraft frembringer ændringer i atmosfæren, der kruser hele vejen op til ionosfæren.) Denne teknik kunne en dag supplere den traditionelle metode til tsunamivarsling, som bruger bøjer spredt ud over havet til at måle højden af den vandrende bølge .
Og videnskabsmænd har endda været i stand til at studere virkningerne af en total solformørkelse vhaGPS. I august 2017 brugte deGPS-stationerpå tværs af USA for at måle, hvordan antallet af elektroner i den øvre atmosfære faldt, da månens skygge bevægede sig hen over kontinentet og dæmpede lyset, der ellers skabte elektroner.
SåGPSer nyttig til alt fra jorden, der ryster under dine fødder til sne, der falder ned fra himlen. Ikke dårligt for noget, der bare skulle hjælpe dig med at finde vej gennem byen.
Denne artikel dukkede oprindeligt op i Knowable Magazine, en uafhængig journalistisk indsats fra Annual Reviews. Tilmeld dig nyhedsbrevet.
