Võite arvata, et olete linnaliikluses navigeerimise ekspert, nutitelefon teie kõrval. Võite isegi matkata koos aGPSseadeet leida tee läbi tagamaa. Kuid tõenäoliselt üllataks teid ikkagi kõik need asjadGPS— globaalne positsioneerimissüsteem, mis on kogu kaasaegse navigatsiooni aluseks — saab hakkama.
GPSkoosneb satelliitide tähtkujust, mis saadavad signaale Maa pinnale. PõhilineGPSvastuvõtja, nagu ka teie nutitelefonis, määrab teie asukoha – umbes 1–10 meetri täpsusega –, mõõtes nelja või enama satelliidi signaalide saabumisaega. Suurepärasemaga (ja kallimaga)GPSvastuvõtjad, saavad teadlased määrata nende asukoha kuni sentimeetrite või isegi millimeetriteni. Kasutades seda peeneteralist teavet ja uusi signaalide analüüsimise viise, avastavad teadlased, et GPS võib neile planeedi kohta öelda palju rohkem, kui nad algselt arvasid.
Viimase kümnendi jooksul kiirem ja täpsemGPS-seadmedon võimaldanud teadlastel valgustada, kuidas maapind suurte maavärinate ajal liigub.GPSon viinud paremate hoiatussüsteemideni loodusõnnetuste, nagu äkilised üleujutused ja vulkaanipursked, eest. Ja teadlased on isegi MacGyvered mõnedGPSvastuvõtjadtoimima lumeandurite, tõusulainete ja muude ootamatute vahenditena Maa mõõtmiseks.
"Inimesed pidasid mind hulluks, kui hakkasin nendest rakendustest rääkima," ütleb Colorado Boulderi ülikooli geofüüsik Kristine Larson, kes on juhtinud paljusid avastusi ja kirjutas neist 2019. aasta Maa- ja planeediteaduste aastaülevaates. "Noh, selgus, et saime sellega hakkama."
Siin on mõned üllatavad asjad, mida teadlased on alles hiljuti aru saanud, millega nad hakkama saavadGPS.
1. TUNNE MAAVÄRINAT
Geoteadlased on sajandeid tuginenud seismomeetritele, mis mõõdavad, kui palju maapind väriseb, et hinnata, kui suur ja kui tugev maavärin on.GPSvastuvõtjatel oli erinev eesmärk – jälgida geoloogilisi protsesse, mis toimuvad palju aeglasemas mastaabis, näiteks kiirust, millega Maa suured maakooreplaadid laamtektoonikana tuntud protsessis üksteisest mööda lihvivad. NiisiisGPSvõib teadlastele öelda kiiruse, millega San Andrease rikke vastasküljed üksteisest mööda hiilivad, samal ajal kui seismomeetrid mõõdavad maa värinat, kui see California rike maavärina käigus puruneb.
Enamik teadlasi arvas niiGPSlihtsalt ei suutnud mõõta asukohti piisavalt täpselt ja piisavalt kiiresti, et olla kasulik maavärinate hindamisel. Kuid selgub, et teadlased saavad GPS-satelliitide Maale edastatavatest signaalidest välja pigistada lisateavet.
Need signaalid tulevad kahes komponendis. Üks neist on ainulaadne ühtede ja nullide seeria, mida tuntakse koodinaGPSsatelliit edastab. Teine on lühema lainepikkusega "kandja" signaal, mis edastab koodi satelliidilt. Kuna kandesignaalil on lühem lainepikkus – kõigest 20 sentimeetrit – võrreldes koodi pikema lainepikkusega, mis võib olla kümneid või sadu meetreid, pakub kandesignaal suure eraldusvõimega viisi Maa pinnal koha täpseks määramiseks. Teadlased, geodeedid, sõjaväelased ja teised vajavad sageli väga täpset GPS-asukohta ning selleks on vaja vaid keerulisemat GPS-vastuvõtjat.
Insenerid on ka kiirust parandanudGPSvastuvõtjad värskendavad oma asukohta, mis tähendab, et nad saavad end värskendada nii sageli kui 20 korda sekundis või rohkem. Kui teadlased mõistsid, et suudavad nii kiiresti täpseid mõõtmisi teha, hakkasid nad kasutama GPS-i, et uurida, kuidas maavärin maavärina ajal liigub.
2003. aastal kasutasid Larson ja tema kolleegid ühes esimestest omataolistest uuringutest USA lääneosas asuvaid GPS-vastuvõtjaid, et uurida, kuidas maapind nihkus, kui Alaskal toimunud 7,9-magnituudise maavärina lainetus seismilised lained. 2011. aastaks suutsid teadlased võtta GPS-i andmeid Jaapanit laastanud 9,1-magnituudise maavärina kohta ja näidata, et merepõhi oli maavärina ajal nihkunud vapustavalt 60 meetrit.
Tänapäeval uurivad teadlased laiemalt, kuidasGPS-andmedaitab neil maavärinaid kiiresti hinnata. Diego Melgar Oregoni ülikoolist Eugene'is ja Gavin Hayes USA geoloogiakeskusest Goldenis, Colorados, uurisid tagasiulatuvalt 12 suurt maavärinat, et näha, kas nad suudavad mõne sekundi jooksul pärast maavärina algust öelda, kui suureks see kujuneb. Lisades teavet maavärinate epitsentrite lähedal asuvatest GPS-jaamadest, suudavad teadlased 10 sekundi jooksul kindlaks teha, kas maavärin on magnituudiga 7 või täiesti hävitav magnituudiga 9.
USA lääneranniku teadlased on isegi kaasanudGPSnende vastsündinud maavärinate varajase hoiatamise süsteemi, mis tuvastab maa värisemise ja teavitab inimesi kaugetes linnades, kas värinad tabavad neid varsti. Ja Tšiili on seda välja ehitanudGPSvõrk, et saada kiiremini täpsemat teavet, mis aitab arvutada, kas ranniku lähedal toimuv maavärin põhjustab tõenäoliselt tsunami või mitte.
2. JÄLGI VULKAANIT
Peale maavärinate kiirusGPSaitab ametnikel kiiremini reageerida teistele loodusõnnetustele nende ilmnemisel.
Näiteks on paljud vulkaanide vaatluskeskusedGPSmägede ümber paiknevad vastuvõtjad, mida nad jälgivad, sest kui magma hakkab maa alla nihkuma, põhjustab see sageli ka pinna nihkumist. Jälgides, kuidas vulkaani ümbritsevad GPS-jaamad aja jooksul tõusevad või vajuvad, saavad teadlased paremini mõista, kus sulakivi voolab.
Enne eelmise aasta suurt Kilauea vulkaanipurset Hawaiil kasutasid teadlasedGPSet mõista, millised vulkaani osad nihkusid kõige kiiremini. Ametnikud kasutasid seda teavet, et otsustada, millistest piirkondadest elanikud evakueerida.
GPS-andmedvõib olla kasulik ka pärast vulkaani purskamist. Kuna signaalid liiguvad satelliitidelt maapinnale, peavad need läbima materjali, mida vulkaan õhku paiskab. 2013. aastal uurisid mitmed uurimisrühmadGPS-andmedneli aastat varem toimunud Redoubti vulkaani purskest Alaskal ja leidis, et signaalid moondusid varsti pärast purske algust.
Moonutusi uurides said teadlased hinnata, kui palju tuhka oli välja pritsinud ja kui kiiresti see liikus. Järgnevas artiklis nimetas Larson seda "uueks viisiks vulkaaniliste voolude tuvastamiseks".
Ta ja ta kolleegid on otsinud võimalusi, kuidas seda nutitelefonide mitmekesisusega tehaGPSvastuvõtjadkui kallid teaduslikud vastuvõtjad. See võib võimaldada vulkanoloogidel luua suhteliselt odav GPS-võrk ja jälgida tuhasambaid, kui need tõusevad. Vulkaanilised ploomid on suureks probleemiks lennukitele, mis peavad lendama ümber tuha, selle asemel et ohustada osakeste reaktiivmootoreid ummistamist.
3. SONDERI LUME
Mõned kõige ootamatumad kasutusviisidGPSpärinevad selle signaali kõige segasematest osadest – osadest, mis põrkavad maapinnast lahti.
TüüpilineGPSvastuvõtja, nagu teie nutitelefonis olev, võtab enamasti vastu signaale, mis tulevad otseGPSsatelliidid pea kohal. Kuid see võtab vastu ka signaale, mis on põrkunud maapinnale, millel kõnnite, ja peegeldunud teie nutitelefoni.
Teadlased olid aastaid arvanud, et need peegelduvad signaalid pole muud kui müra, omamoodi kaja, mis muutis andmed ja raskendas toimuva aru saamist. Kuid umbes 15 aastat tagasi hakkasid Larson ja teised mõtlema, kas nad saaksid ära kasutada teaduslike GPS-vastuvõtjate kajasid. Ta hakkas uurima maapinnalt peegelduvate signaalide sagedusi ja nende kombinatsiooni otse vastuvõtjasse saabunud signaalidega. Sellest sai ta järeldada pinna omadusi, millest kajad olid tagasi põrganud. "Me lihtsalt pöördprojekteerisime need kajad," ütleb Larson.
See lähenemisviis võimaldab teadlastel saada teavet GPS-vastuvõtja all oleva maapinna kohta – näiteks kui palju niiskust pinnas sisaldab või kui palju lund on pinnale kogunenud. (Mida rohkem lund maapinnale sajab, seda lühem on kaja ja vastuvõtja vaheline kaugus.) GPS-jaamad võivad töötada lumeanduritena, et mõõta lume sügavust, näiteks mägipiirkondades, kus lumekott on igal aastal suur veeressurss.
Tehnika töötab hästi ka Arktikas ja Antarktikas, kus on vähe ilmajaamu, mis jälgivad lumesadu aastaringselt. Matt Siegfried, kes töötab nüüd Colorado School of Mines in Goldenis, ja tema kolleegid uurisid aastatel 2007–2017 Lääne-Antarktika 23 GPS-jaamas lume kogunemist. Nad leidsid, et suudavad lumemuutust otse mõõta. See on ülioluline teave teadlastele, kes soovivad hinnata, kui palju lund Antarktika jääkilp igal talvel koguneb – ja kuidas seda võrrelda sellega, mis igal suvel ära sulab.
4. TAJU UPJUMIST
GPSvõib olla alguse saanud kindlal pinnasel asukoha mõõtmise viisist, kuid see osutub kasulikuks ka veetaseme muutuste jälgimisel.
Juulis leidis Colorados Boulderis asuva UNAVCO geofüüsika uurimisorganisatsiooni UNAVCO insener John Galetzka paigaldamas GPS-jaamu Bangladeshis, Gangese ja Brahmaputra jõe ristumiskohas. Eesmärk oli mõõta, kas jõesetted tihenevad ja maa vajub aeglaselt, muutes selle troopiliste tsüklonite ja merepinna tõusu ajal üleujutuste suhtes haavatavamaks. "GPS on suurepärane tööriist, mis aitab sellele küsimusele vastata," ütleb Galetzka.
Sonatala-nimelises talukogukonnas mangroovimetsa serval paigutasid Galetzka ja ta kolleegid üheGPSjaam algkooli betoonkatusel. Nad rajasid lähedale teise jaama, riisipadjaks löödud varda otsa. Kui maapind tõesti vajub, näeb teine GPS-jaam välja, nagu tõuseks see aeglaselt maapinnast välja. Mõõtes jaamade all olevaid GPS-i kajasid, saavad teadlased mõõta selliseid tegureid nagu see, kui palju vett vihmaperioodil riisipadjal seisab.
GPSvastuvõtjadvõib isegi aidata okeanograafe ja meremehi, toimides loodete mõõtjatena. Larson komistas sellele Alaska Kachemaki lahe GPS-andmetega töötades. Jaam loodi tektooniliste deformatsioonide uurimiseks, kuid Larson oli uudishimulik, sest lahel on ka mõned USA suurimad loodete kõikumised. Ta vaatas GPS-i signaale, mis põrkasid veest ja vastuvõtjani, ning suutis jälgida loodete muutusi peaaegu sama täpselt kui lähedalasuva sadama tõeline loodete mõõtur.
See võib olla abiks nendes maailma osades, kus pole pikaajalisi loodete mõõtjaid seadistatud, kuid neil onGPS-jaam lähedal.
5. ANALÜÜSI ATmosfääri
LõpuksGPSvõib välja õrritada teavet pea kohal oleva taeva kohta viisil, mida teadlased ei pidanud veel paar aastat tagasi võimalikuks. Veeaur, elektriliselt laetud osakesed ja muud tegurid võivad atmosfääri kaudu levivaid GPS-signaale edasi lükata ja see võimaldab teadlastel teha uusi avastusi.
Üks teadlaste rühm kasutabGPSuurida atmosfääris oleva veeauru hulka, mis on saadaval vihma või lumena väljasademiseks. Teadlased on neid muudatusi kasutanud selleks, et arvutada, kui palju vett tõenäoliselt taevast lausvihmade korral alla langeb, võimaldades ennustajatel täpsustada oma äkiliste üleujutuste ennustusi sellistes kohtades nagu Lõuna-California. 2013. aasta juulitormi ajal kasutasid meteoroloogidGPSandmed seal kaldal liikuva mussoonniiskuse jälgimiseks, mis osutusid oluliseks teabeks hoiatuse andmisel 17 minutit enne äkiliste üleujutuste saabumist.
GPSsignaalidon mõjutatud ka siis, kui nad liiguvad läbi atmosfääri ülemise kihi elektriliselt laetud osa ehk ionosfääri. Teadlased on kasutanudGPS-andmedjälgida muutusi ionosfääris, kui tsunamid kihutavad üle ookeani. (Tsunami jõud tekitab atmosfääris muutusi, mis lainetavad kuni ionosfäärini.) See tehnika võib ühel päeval täiendada traditsioonilist tsunamihoiatuse meetodit, mis kasutab üle ookeani punktiiritud poid, et mõõta liikuva laine kõrgust. .
Ja teadlased on isegi suutnud uurida täieliku päikesevarjutuse mõjuGPS. 2017. aasta augustis kasutasid nadGPS-jaamadkogu Ameerika Ühendriikides, et mõõta, kuidas elektronide arv atmosfääri ülakihtides langes, kui Kuu vari liikus üle kontinendi, muutes valguse, mis muidu elektrone tekitas.
NiisiisGPSon kasulik kõige jaoks, alustades maa värisemisest jalgade all kuni taevast langeva lumeni. Pole paha millegi jaoks, mis pidi lihtsalt aitama teil linnas teed leida.
See artikkel ilmus algselt ajakirjas Knowable Magazine, mis on Annual Reviews sõltumatu ajakirjanduslik ettevõtmine. Liituge uudiskirjaga.
