Možno si myslíte, že ste expert na navigáciu v mestskej premávke so smartfónom po boku. Môžete sa dokonca vydať na túru s aGPSzariadenienájsť cestu cez zapadákov. Ale pravdepodobne by ste boli stále prekvapení tým všetkýmGPS— globálny systém určovania polohy, ktorý je základom celej modernej navigácie — dokáže.
GPSpozostáva z konštelácie satelitov, ktoré vysielajú signály na zemský povrch. ZákladnéGPSprijímač, ako ten vo vašom smartfóne, určuje, kde sa nachádzate – s presnosťou 1 až 10 metrov – meraním času príchodu signálov zo štyroch alebo viacerých satelitov. S lepším (a drahším)GPSprijímače, vedci dokážu presne určiť ich polohu až na centimetre alebo dokonca milimetre. Pomocou týchto jemnozrnných informácií spolu s novými spôsobmi analýzy signálov výskumníci zisťujú, že GPS im môže povedať oveľa viac o planéte, ako si pôvodne mysleli.
Za posledné desaťročie rýchlejšie a presnejšieGPSzariadeniaumožnili vedcom objasniť, ako sa zem pohybuje počas veľkých zemetrasení.GPSviedla k lepším systémom varovania pred prírodnými katastrofami, akými sú bleskové povodne a sopečné erupcie. A niektorí vedci dokonca MacGyveredaGPSprijímačeako snehové senzory, merače prílivu a odlivu a iné neočakávané nástroje na meranie Zeme.
„Ľudia si mysleli, že som sa zbláznil, keď som začal hovoriť o týchto aplikáciách,“ hovorí Kristine Larson, geofyzička z University of Colorado Boulder, ktorá viedla mnohé objavy a napísala o nich v 2019 Annual Review of Earth and Planetary Sciences. "No, ukázalo sa, že sme to dokázali."
Tu je niekoľko prekvapivých vecí, ktoré si vedci len nedávno uvedomili, že s nimi môžu robiťGPS.
1. CÍTIŤ ZEMEtrasenie
Po stáročia sa geovedci spoliehali na seizmometre, ktoré merajú, do akej miery sa zem trasie, aby posúdili, aké veľké a aké zlé je zemetrasenie.GPSprijímače slúžili na iný účel – na sledovanie geologických procesov, ktoré sa dejú v oveľa pomalších mierkach, ako je rýchlosť, akou sa veľké zemské kôrové platne brúsia jedna cez druhú v procese známom ako platňová tektonika. TakžeGPSmôže povedať vedcom rýchlosť, akou sa protiľahlé strany zlomu San Andreas plížia okolo seba, zatiaľ čo seizmometre merajú otrasy zeme, keď sa tento zlom v Kalifornii pretrhne pri zemetrasení.
Väčšina výskumníkov si to myslelaGPSjednoducho nedokázal zmerať miesta dostatočne presne a dostatočne rýchlo, aby bol užitočný pri hodnotení zemetrasení. Ukazuje sa však, že vedci dokážu zo signálov, ktoré satelity GPS vysielajú na Zem, vytlačiť ďalšie informácie.
Tieto signály prichádzajú v dvoch zložkách. Jedna je jedinečný rad jednotiek a núl, známy ako kód, z ktorých každáGPSsatelit vysiela. Druhým je „nosný“ signál s kratšou vlnovou dĺžkou, ktorý prenáša kód zo satelitu. Pretože nosný signál má kratšiu vlnovú dĺžku – iba 20 centimetrov – v porovnaní s dlhšou vlnovou dĺžkou kódu, ktorá môže byť desiatky alebo stovky metrov, nosný signál ponúka spôsob s vysokým rozlíšením na určenie miesta na zemskom povrchu. Vedci, geodeti, armáda a iní často potrebujú veľmi presnú GPS polohu a stačí na to komplikovanejší GPS prijímač.
Inžinieri tiež zlepšili rýchlosť, ktorouGPSprijímače aktualizujú svoju polohu, čo znamená, že sa môžu obnovovať až 20-krát za sekundu alebo viac. Akonáhle si výskumníci uvedomili, že dokážu urobiť presné merania tak rýchlo, začali používať GPS na skúmanie toho, ako sa zem pohybovala počas zemetrasenia.
V roku 2003, v jednej z prvých štúdií svojho druhu, Larson a jej kolegovia použili prijímače GPS rozmiestnené na západe Spojených štátov, aby študovali, ako sa zem posunula, keď sa seizmické vlny zvlnili od zemetrasenia s magnitúdou 7,9 na Aljaške. Do roku 2011 boli výskumníci schopní získať údaje GPS o zemetrasení s magnitúdou 9,1, ktoré zdevastovalo Japonsko, a ukázali, že morské dno sa počas zemetrasenia posunulo o neuveriteľných 60 metrov.
Dnes sa vedci na to pozerajú širšieGPSdátamôže im pomôcť rýchlo posúdiť zemetrasenia. Diego Melgar z University of Oregon v Eugene a Gavin Hayes z US Geological Survey v Golden, Colorado, retrospektívne študovali 12 veľkých zemetrasení, aby zistili, či dokážu v priebehu niekoľkých sekúnd od začiatku zemetrasenia povedať, aké veľké bude. Zahrnutím informácií zo staníc GPS v blízkosti epicentier zemetrasení mohli vedci do 10 sekúnd určiť, či by zemetrasenie malo ničivú magnitúdu 7 alebo úplne deštruktívnu magnitúdu 9.
Výskumníci pozdĺž západného pobrežia USA boli dokonca začleneníGPSdo ich začínajúceho systému včasného varovania pred zemetrasením, ktorý rozpozná otrasy zeme a upozorní ľudí vo vzdialených mestách, či ich otrasy pravdepodobne čoskoro zasiahnu. A Čile buduje svojeGPSsiete, aby sme rýchlejšie získali presnejšie informácie, čo môže pomôcť vypočítať, či zemetrasenie v blízkosti pobrežia pravdepodobne vyvolá cunami alebo nie.
2. SLEDUJTE SOPKU
Okrem zemetrasení, rýchlosťGPSpomáha úradníkom rýchlejšie reagovať na ďalšie prírodné katastrofy, keď sa vyvinú.
Mnohé observatóriá sopiek majú naprGPSprijímače rozmiestnené okolo hôr, ktoré monitorujú, pretože keď sa magma začne presúvať do podzemia, často sa posunie aj povrch. Monitorovaním toho, ako stanice GPS okolo sopky v priebehu času stúpajú alebo klesajú, môžu výskumníci získať lepšiu predstavu o tom, kde tečie roztavená hornina.
Pred minuloročnou veľkou erupciou sopky Kilauea na Havaji vedci použiliGPSpochopiť, ktoré časti sopky sa pohybovali najrýchlejšie. Úradníci použili tieto informácie, aby pomohli rozhodnúť, z ktorých oblastí evakuovať obyvateľov.
GPSdátamôžu byť užitočné aj po výbuchu sopky. Pretože signály putujú zo satelitov na zem, musia prejsť akýmkoľvek materiálom, ktorý sopka vyvrhne do vzduchu. V roku 2013 študovalo niekoľko výskumných skupínGPSdátaz erupcie sopky Redoubt na Aljaške pred štyrmi rokmi a zistili, že signály sa skreslili krátko po začiatku erupcie.
Štúdiom deformácií mohli vedci odhadnúť, koľko popola vyvrhlo a ako rýchlo sa pohyboval. V nasledujúcom dokumente to Larson nazval „nový spôsob detekcie sopečných oblakov“.
Ona a jej kolegovia pracovali na spôsoboch, ako to dosiahnuť pomocou rôznych smartfónovGPSprijímačenamiesto drahých vedeckých prijímačov. To by mohlo umožniť vulkanológom vytvoriť relatívne lacnú sieť GPS a monitorovať oblaky popola, keď stúpajú. Sopečné oblaky sú veľkým problémom pre lietadlá, ktoré musia lietať okolo popola namiesto toho, aby riskovali, že častice upchajú ich prúdové motory.
3. SONDUJTE SNEH
Niektoré z najneočakávanejších použitíGPSpochádzajú z najšpinavších častí jeho signálu – častí, ktoré sa odrážajú od zeme.
TypickýGPSprijímač, ako ten vo vašom smartfóne, väčšinou zachytáva signály, ktoré prichádzajú priamo zGPSsatelity nad hlavou. Zachytáva však aj signály, ktoré sa odrazili od zeme, po ktorej kráčate, a odrazili sa na váš smartfón.
Vedci si mnoho rokov mysleli, že tieto odrazené signály nie sú nič iné ako šum, akési ozveny, ktoré zahmlievajú údaje a sťažujú zistenie, čo sa deje. Ale asi pred 15 rokmi Larson a ďalší začali uvažovať, či by mohli využiť ozveny vo vedeckých prijímačoch GPS. Začala sa pozerať na frekvencie signálov, ktoré sa odrážali od zeme, a ako sa tieto kombinujú so signálmi, ktoré prišli priamo do prijímača. Z toho mohla odvodiť vlastnosti povrchu, od ktorého sa odrazili ozveny. „Tieto ozveny sme práve spätne skonštruovali,“ hovorí Larson.
Tento prístup umožňuje vedcom dozvedieť sa o zemi pod prijímačom GPS – napríklad koľko vlhkosti pôda obsahuje alebo koľko snehu sa nahromadilo na povrchu. (Čím viac snehu padá na zem, tým kratšia je vzdialenosť medzi ozvenou a prijímačom.) Stanice GPS môžu fungovať ako snehové senzory na meranie hĺbky snehu, napríklad v horských oblastiach, kde je snehová pokrývka každoročne hlavným zdrojom vody.
Táto technika dobre funguje aj v Arktíde a Antarktíde, kde je málo meteorologických staníc monitorujúcich sneženie po celý rok. Matt Siegfried, teraz na Colorado School of Mines v Golden, a jeho kolegovia študovali akumuláciu snehu na 23 staniciach GPS v Západnej Antarktíde v rokoch 2007 až 2017. Zistili, že dokážu priamo merať meniaci sa sneh. To sú kľúčové informácie pre výskumníkov, ktorí chcú posúdiť, koľko snehu sa na Antarktíde nahromadí každú zimu – a ako sa to porovnáva s tým, čo sa každé leto topí.
4. VNÍMAJTE POTOPENIE
GPSmožno začal ako spôsob merania polohy na pevnej zemi, ale ukazuje sa, že je užitočný aj pri monitorovaní zmien hladín vody.
V júli sa John Galetzka, inžinier z geofyzikálnej výskumnej organizácie UNAVCO v Boulder, Colorado, ocitol pri inštalácii staníc GPS v Bangladéši, na sútoku riek Ganga a Brahmaputra. Cieľom bolo zmerať, či sa riečne sedimenty zhutňujú a či sa krajina pomaly potápa, čím sa stáva zraniteľnejšou voči záplavám počas tropických cyklónov a stúpaním hladiny morí. „GPS je úžasný nástroj, ktorý vám pomôže odpovedať na túto otázku a ešte viac,“ hovorí Galetzka.
Vo farmárskej komunite zvanej Sonatala na okraji mangrovového lesa Galetzka a jeho kolegovia umiestnili jedenGPSstanice na betónovej streche základnej školy. Neďaleko postavili druhú stanicu na tyči zarazenej do ryžového poľa. Ak zem naozaj klesá, potom bude druhá GPS stanica vyzerať, akoby sa pomaly vynárala zo zeme. A meraním ozveny GPS pod stanicami môžu vedci merať faktory, ako je množstvo vody, ktoré stojí v ryžovom poli počas obdobia dažďov.
GPSprijímačemôže dokonca pomôcť oceánografom a námorníkom tým, že funguje ako meradlo prílivu a odlivu. Larson na to narazil pri práci s údajmi GPS z Kachemak Bay na Aljaške. Stanica bola založená na štúdium tektonickej deformácie, ale Larson bol zvedavý, pretože záliv má tiež jedny z najväčších prílivových variácií v Spojených štátoch. Pozrela sa na signály GPS, ktoré sa odrážali od vody až k prijímaču, a dokázala sledovať zmeny prílivu a odlivu takmer tak presne ako skutočný príliv a odliv v neďalekom prístave.
To by mohlo byť užitočné v častiach sveta, ktoré nemajú nastavené dlhodobé merače prílivu a odlivu – ale náhodou majúGPSstanica v blízkosti.
5. ANALÝZA ATMOSFÉRY
nakoniecGPSdokáže získať informácie o oblohe nad hlavou spôsobom, ktorý vedci ešte pred niekoľkými rokmi nepovažovali za možné. Vodná para, elektricky nabité častice a ďalšie faktory môžu oneskoriť signály GPS prechádzajúce atmosférou, čo umožňuje výskumníkom robiť nové objavy.
Jedna skupina vedcov používaGPSna štúdium množstva vodnej pary v atmosfére, ktorá sa môže vyzrážať vo forme dažďa alebo snehu. Výskumníci použili tieto zmeny na výpočet toho, koľko vody pravdepodobne padne z oblohy v silných lejakoch, čo umožňuje prognostikom doladiť svoje predpovede bleskových povodní na miestach, ako je južná Kalifornia. Počas búrky z júla 2013 meteorológovia použiliGPSúdaje na sledovanie monzúnovej vlhkosti, ktorá sa tam pohybuje na pobreží, čo sa ukázalo ako rozhodujúca informácia pre vydanie varovania 17 minút pred bleskovými povodňami.
GPSsignálysú tiež ovplyvnené, keď cestujú cez elektricky nabitú časť hornej atmosféry, známu ako ionosféra. Vedci použiliGPSdátasledovať zmeny v ionosfére, keď tsunami pretekajú cez oceán pod ním. (Sila cunami spôsobuje zmeny v atmosfére, ktoré sa vlnia až po ionosféru.) Táto technika by jedného dňa mohla doplniť tradičnú metódu varovania pred cunami, ktorá využíva bóje rozmiestnené ponad oceán na meranie výšky postupujúcej vlny. .
A vedci boli dokonca schopní študovať účinky úplného zatmenia Slnka pomocouGPS. V auguste 2017 využiliGPSstanicenaprieč Spojenými štátmi, aby zmerali, ako počet elektrónov v hornej atmosfére klesal, keď sa mesačný tieň pohyboval po kontinente, čím sa tlmilo svetlo, ktoré inak vytváralo elektróny.
TakžeGPSje užitočný pri všetkom, od chvenia zeme pod nohami až po sneh padajúci z neba. Nie je to zlé na niečo, čo vám malo pomôcť nájsť cestu cez mesto.
Tento článok sa pôvodne objavil v časopise Knowable Magazine, nezávislom novinárskom úsilí z výročných recenzií. Prihláste sa na odber noviniek.
