Вы можете подумать, что являетесь экспертом в городском движении, имея под рукой смартфон. Вы можете даже отправиться в поход сGPS-устройствочтобы найти дорогу через бэккантри. Но вы, вероятно, все равно будете удивлены всем тем вещам, которыеGPS— глобальная система позиционирования, которая лежит в основе всей современной навигации, — может сделать это.
GPSсостоит из созвездия спутников, которые посылают сигналы на поверхность Земли. БазовыйGPS-приемник, как и в вашем смартфоне, определяет, где вы находитесь, с точностью до 1–10 метров, измеряя время прибытия сигналов от четырех или более спутников. С более изысканным (и более дорогим)GPS-приемникиученые могут определить их местоположение с точностью до сантиметров или даже миллиметров. Используя эту детальную информацию, а также новые способы анализа сигналов, исследователи обнаруживают, что GPS может рассказать им о планете гораздо больше, чем они первоначально предполагали.
За последнее десятилетие быстрее и точнееGPS-устройствапозволили ученым пролить свет на то, как движется земля во время сильных землетрясений.GPSпривело к созданию более эффективных систем предупреждения о стихийных бедствиях, таких как наводнения и извержения вулканов. И исследователи даже МакГиверед некоторыеGPS-приемникив качестве датчиков снега, уровнемеров и других неожиданных инструментов для измерения Земли.
«Люди думали, что я сошла с ума, когда я начала говорить об этих приложениях», — говорит Кристин Ларсон, геофизик из Университета Колорадо в Боулдере, которая руководила многими открытиями и писала о них в Ежегодном обзоре наук о Земле и планетах за 2019 год. «Ну, оказалось, что мы смогли это сделать».
Вот некоторые удивительные вещи, которые ученые только недавно поняли, что можно сделать с помощьюGPS.
1. ПОЧУВСТВУЙТЕ ЗЕМЛЕТРЯСЕНИЕ
На протяжении веков ученые-геологи полагались на сейсмометры, которые измеряют силу сотрясений земли, чтобы оценить, насколько сильным и сильным является землетрясение.GPSприемники служили другой цели — отслеживать геологические процессы, которые происходят в гораздо более медленных масштабах, например, скорость, с которой огромные плиты земной коры проходят мимо друг друга в процессе, известном как тектоника плит. ТакGPSможет сообщить ученым скорость, с которой противоположные стороны разлома Сан-Андреас движутся друг мимо друга, в то время как сейсмометры измеряют сотрясение земли, когда этот Калифорнийский разлом разрушается в результате землетрясения.
Большинство исследователей считали, чтоGPSпросто не мог измерить местоположения достаточно точно и быстро, чтобы их можно было использовать при оценке землетрясений. Но оказывается, что ученые могут выжать дополнительную информацию из сигналов, которые спутники GPS передают на Землю.
Эти сигналы поступают в виде двух компонентов. Один из них — это уникальная серия единиц и нулей, известная как код, который каждыйGPSспутник передает. Второй — это более коротковолновый «несущий» сигнал, который передает код со спутника. Поскольку несущая волна имеет более короткую длину волны — всего 20 сантиметров — по сравнению с более длинной длиной волны кода, которая может составлять десятки или сотни метров, несущая волна предлагает способ с высоким разрешением точно определить точку на поверхности Земли. Ученым, геодезистам, военным и другим людям часто требуется очень точное местоположение GPS, и все, что для этого нужно, — это более сложный GPS-приемник.
Инженеры также улучшили скорость, с которойGPSполучатели обновляют свое местоположение, то есть они могут обновляться до 20 раз в секунду или чаще. Как только исследователи поняли, что могут так быстро проводить точные измерения, они начали использовать GPS, чтобы изучить, как движется земля во время землетрясения.
В 2003 году в одном из первых исследований такого рода Ларсон и ее коллеги использовали GPS-приемники, расставленные по всей западной части Соединенных Штатов, чтобы изучить, как смещалась земля, когда сейсмические волны распространялись от землетрясения магнитудой 7,9 на Аляске. К 2011 году исследователи смогли получить данные GPS о землетрясении магнитудой 9,1, которое опустошило Японию, и показать, что морское дно во время землетрясения сместилось на ошеломляющие 60 метров.
Сегодня ученые смотрят более широко на то, какGPS-данныеможет помочь им быстро оценить землетрясения. Диего Мельгар из Орегонского университета в Юджине и Гэвин Хейс из Геологической службы США в Голдене, штат Колорадо, ретроспективно изучили 12 сильных землетрясений, чтобы увидеть, смогут ли они через несколько секунд после начала землетрясения определить, насколько сильным оно станет. Включив информацию со станций GPS вблизи эпицентров землетрясений, ученые смогли за 10 секунд определить, будет ли землетрясение разрушительным магнитудой 7 или полностью разрушительным магнитудой 9.
Исследователи Западного побережья США даже включилиGPSв свою молодую систему раннего предупреждения о землетрясениях, которая обнаруживает сотрясения земли и уведомляет жителей отдаленных городов о том, может ли землетрясение вскоре поразить их. И Чили строит своюGPSсеть, чтобы быстрее получать более точную информацию, которая может помочь рассчитать, может ли землетрясение у побережья вызвать цунами или нет.
2. НАБЛЮДЕНИЕ ЗА ВУЛКАНОМ
Помимо землетрясений, скоростьGPSпомогает чиновникам быстрее реагировать на другие стихийные бедствия по мере их развития.
Многие обсерватории вулканов, например, имеютGPSприемники расположены вокруг гор, которые они контролируют, потому что, когда магма начинает перемещаться под землей, это часто приводит к смещению и поверхности. Наблюдая за тем, как станции GPS вокруг вулкана поднимаются или опускаются с течением времени, исследователи могут получить лучшее представление о том, куда течет расплавленная порода.
Перед прошлогодним крупным извержением вулкана Килауэа на Гавайях исследователи использовалиGPSчтобы понять, какие части вулкана менялись быстрее всего. Чиновники использовали эту информацию, чтобы решить, из каких районов эвакуировать жителей.
GPS-данныетакже может быть полезен даже после извержения вулкана. Поскольку сигналы передаются от спутников на землю, им приходится проходить через любой материал, который вулкан выбрасывает в воздух. В 2013 году несколько исследовательских групп изучилиGPS-данныеизвержения вулкана Редут на Аляске четырьмя годами ранее и обнаружили, что сигналы искажались вскоре после начала извержения.
Изучая искажения, ученые смогли оценить, сколько пепла высыпалось и с какой скоростью он перемещался. В последующей статье Ларсон назвал это «новым способом обнаружения вулканических шлейфов».
Она и ее коллеги работают над тем, как сделать это с помощью смартфонов.GPS-приемникиа не дорогие научные приемники. Это могло бы позволить вулканологам создать относительно недорогую сеть GPS и отслеживать шлейфы пепла по мере их подъема. Вулканические шлейфы представляют собой большую проблему для самолетов, которым приходится летать вокруг пепла, а не рисковать тем, что частицы засорят их реактивные двигатели.
3. ПРОВЕРЬТЕ СНЕГ
Некоторые из самых неожиданных вариантов использованияGPSисходят из самых запутанных частей сигнала — частей, которые отражаются от земли.
ТипичныйGPS-приемник, как и тот, что в вашем смартфоне, в основном улавливает сигналы, поступающие непосредственно отGPSспутники над головой. Но он также улавливает сигналы, которые отражаются от земли, по которой вы идете, и отражаются на вашем смартфоне.
Многие годы ученые думали, что эти отраженные сигналы — не что иное, как шум, своего рода эхо, которое запутывает данные и затрудняет понимание того, что происходит. Но около 15 лет назад Ларсон и другие начали задаваться вопросом, смогут ли они воспользоваться преимуществами эхо-сигналов в научных GPS-приемниках. Она начала смотреть на частоты сигналов, отражающихся от земли, и на то, как они сочетаются с сигналами, пришедшими непосредственно на приемник. Из этого она могла сделать вывод о свойствах поверхности, от которой отразилось эхо. «Мы просто перепроектировали это эхо», — говорит Ларсон.
Этот подход позволяет ученым узнать о земле под GPS-приемником — например, сколько влаги содержит почва или сколько снега накопилось на поверхности. (Чем больше снега падает на землю, тем короче расстояние между эхо-сигналом и приемником.) GPS-станции могут работать как датчики снега для измерения глубины снежного покрова, например, в горных районах, где снежный покров каждый год является основным водным ресурсом.
Этот метод также хорошо работает в Арктике и Антарктиде, где мало метеостанций, отслеживающих снегопад круглый год. Мэтт Зигфрид, сейчас работающий в Колорадской горной школе в Голдене, и его коллеги изучали накопление снега на 23 станциях GPS в Западной Антарктиде с 2007 по 2017 год. Они обнаружили, что могут напрямую измерять изменение снега. Это важная информация для исследователей, желающих оценить, сколько снега накапливается на антарктическом ледяном покрове каждую зиму — и как это соотносится с тем, что тает каждое лето.
4. Ощутите погружение
GPSВозможно, этот метод начинался как способ измерения местоположения на твердой почве, но оказалось, что он также полезен при мониторинге изменений уровня воды.
В июле Джон Галецка, инженер геофизической исследовательской организации UNAVCO в Боулдере, штат Колорадо, установил станции GPS в Бангладеш, на слиянии рек Ганг и Брахмапутра. Целью было определить, уплотняются ли речные отложения и медленно ли опускается земля, что делает ее более уязвимой для наводнений во время тропических циклонов и повышения уровня моря. «GPS — потрясающий инструмент, который поможет ответить на этот и многие другие вопросы», — говорит Галецка.
В фермерском поселке Сонатала, на краю мангрового леса, Галецка и его коллеги разместили одинGPSстанция на бетонной крыше начальной школы. Рядом они установили вторую станцию на вершине стержня, вбитого в рисовое поле. Если земля действительно опускается, то вторая GPS-станция будет выглядеть так, как будто она медленно поднимается из-под земли. А измеряя эхо-сигналы GPS под станциями, ученые могут измерить такие факторы, как количество воды, застоявшейся на рисовых полях в сезон дождей.
GPS-приемникимогут даже помочь океанографам и морякам, выступая в роли измерителей приливов и отливов. Ларсон наткнулся на это, работая с данными GPS из залива Качемак на Аляске. Станция была создана для изучения тектонических деформаций, но Ларсону было любопытно, потому что в заливе также наблюдаются одни из самых больших приливных колебаний в Соединенных Штатах. Она посмотрела на сигналы GPS, которые отражались от воды и доходили до приемника, и смогла отслеживать изменения приливов почти так же точно, как настоящий уровнемер в близлежащей гавани.
Это может быть полезно в тех частях мира, где не установлены долгосрочные приливные датчики, но так уж получилось, что они есть.GPS-станция рядом.
5. АНАЛИЗИРУЙТЕ АТМОСФЕРУ
Окончательно,GPSможет получить информацию о небе над головой способами, которые ученые считали невозможными еще несколько лет назад. Водяной пар, электрически заряженные частицы и другие факторы могут задерживать сигналы GPS, проходящие через атмосферу, и это позволяет исследователям делать новые открытия.
Одна группа учёных используетGPSизучить количество водяного пара в атмосфере, который может выпасть в виде дождя или снега. Исследователи использовали эти изменения, чтобы подсчитать, сколько воды может упасть с неба во время проливных ливней, что позволило синоптикам уточнить свои прогнозы ливневых паводков в таких местах, как Южная Калифорния. Во время шторма в июле 2013 года метеорологи использовалиGPSданные для отслеживания муссонной влаги, перемещающейся на берег, что оказалось важной информацией для выдачи предупреждения за 17 минут до начала ливневых паводков.
GPS-сигналыони также подвергаются воздействию, когда проходят через электрически заряженную часть верхних слоев атмосферы, известную как ионосфера. Ученые использовалиGPS-данныечтобы отслеживать изменения в ионосфере, когда цунами мчатся по океану внизу. (Сила цунами вызывает изменения в атмосфере, которые колеблются вплоть до ионосферы.) Этот метод однажды может дополнить традиционный метод предупреждения о цунами, который использует буи, разбросанные по океану для измерения высоты бегущей волны. .
Учёным даже удалось изучить последствия полного солнечного затмения, используяGPS. В августе 2017 года они использовалиGPS-станциипо Соединенным Штатам, чтобы измерить, как количество электронов в верхних слоях атмосферы падает по мере того, как тень Луны перемещается по континенту, затемняя свет, который в противном случае создавал бы электроны.
ТакGPSполезен во всем: от тряски земли под ногами до снега, падающего с неба. Неплохо для чего-то, что должно было помочь вам найти дорогу в городе.
Эта статья первоначально появилась в журнале Knowable Magazine, независимом журналистском издании Annual Reviews. Подпишитесь на рассылку.
