Du kanske tror att du är expert på att navigera genom stadstrafik, med smartphone vid din sida. Du kan till och med vandra med enGPS-enhetatt hitta vägen genom backcountryn. Men du skulle förmodligen fortfarande bli förvånad över allt det därGPS—det globala positioneringssystemet som ligger till grund för all modern navigering—kan göra.
GPSbestår av en konstellation av satelliter som skickar signaler till jordens yta. En grundläggandeGPS-mottagare, precis som den i din smartphone, bestämmer var du är – inom cirka 1 till 10 meter – genom att mäta ankomsttiden för signaler från fyra eller fler satelliter. Med snyggare (och dyrare)GPS-mottagare, kan forskare peka ut sina platser ner till centimeter eller till och med millimeter. Med hjälp av den finkorniga informationen, tillsammans med nya sätt att analysera signalerna, upptäcker forskare att GPS kan berätta mycket mer om planeten än de ursprungligen trodde att det kunde.
Under det senaste decenniet, snabbare och mer exaktGPS-enheterhar låtit forskare belysa hur marken rör sig under stora jordbävningar.GPShar lett till bättre varningssystem för naturkatastrofer som översvämningar och vulkanutbrott. Och forskare har till och med MacGyvered en delGPS-mottagareatt fungera som snösensorer, tidvattenmätare och andra oväntade verktyg för att mäta jorden.
"Folk trodde att jag var galen när jag började prata om de här tillämpningarna", säger Kristine Larson, en geofysiker vid University of Colorado Boulder som har lett många av upptäckterna och skrivit om dem i 2019 års årliga översyn av Earth and Planetary Sciences. "Tja, det visade sig att vi kunde göra det."
Här är några överraskande saker som forskare först nyligen har insett att de skulle kunna göra medGPS.
1. KÄNNA EN JORDBÄVNING
I århundraden har geoforskare förlitat sig på seismometrar, som mäter hur mycket marken skakar, för att bedöma hur stor och hur illa en jordbävning är.GPSMottagare tjänade ett annat syfte - att spåra geologiska processer som sker på mycket långsammare skalor, till exempel den hastighet med vilken jordens stora jordskorpplattor maler förbi varandra i den process som kallas plattektonik. SåGPSkan berätta för forskare med vilken hastighet de motsatta sidorna av San Andreas-förkastningen kryper förbi varandra, medan seismometrar mäter markens skakningar när det där Kalifornien-förkastningen brister i ett skalv.
Det trodde de flesta forskareGPSkunde helt enkelt inte mäta platser tillräckligt exakt och tillräckligt snabbt för att vara användbar för att bedöma jordbävningar. Men det visar sig att forskare kan pressa ut extra information ur signalerna som GPS-satelliter sänder till jorden.
Dessa signaler kommer i två komponenter. En är den unika serien av ettor och nollor, känd som koden, som var och enGPSsatellit sänder. Den andra är en "bärvågs"-signal med kortare våglängd som sänder koden från satelliten. Eftersom bärarsignalen har en kortare våglängd - bara 20 centimeter - jämfört med kodens längre våglängd, som kan vara tiotals eller hundratals meter, erbjuder bärarsignalen ett högupplöst sätt att lokalisera en plats på jordens yta. Forskare, lantmätare, militärer och andra behöver ofta en mycket exakt GPS-position, och allt som krävs är en mer komplicerad GPS-mottagare.
Ingenjörer har också förbättrat hastigheten med vilkenGPSMottagare uppdaterar sin plats, vilket innebär att de kan uppdatera sig själva så ofta som 20 gånger per sekund eller mer. När forskarna insåg att de kunde göra exakta mätningar så snabbt började de använda GPS för att undersöka hur marken rörde sig under en jordbävning.
År 2003, i en av de första studierna i sitt slag, använde Larson och hennes kollegor GPS-mottagare över hela västra USA för att studera hur marken skiftade när seismiska vågor skvalpade från en jordbävning med magnituden 7,9 i Alaska. År 2011 kunde forskare ta GPS-data om jordbävningen med magnituden 9,1 som ödelade Japan och visa att havsbotten hade förskjutits svindlande 60 meter under skalvet.
Idag tittar forskare mer brett på hurGPS-datakan hjälpa dem att snabbt bedöma jordbävningar. Diego Melgar från University of Oregon i Eugene och Gavin Hayes från US Geological Survey i Golden, Colorado, studerade retrospektivt 12 stora jordbävningar för att se om de kunde säga, inom några sekunder efter det att skalvet började, hur stort det skulle bli. Genom att inkludera information från GPS-stationer nära skalvens epicentrum kunde forskarna inom 10 sekunder avgöra om skalvet skulle vara en skadlig magnitud 7 eller en helt destruktiv magnitud 9.
Forskare längs den amerikanska västkusten har till och med införlivatGPSin i deras nystartade jordbävningssystem, som upptäcker markskakningar och meddelar människor i avlägsna städer om skakningar sannolikt kommer att drabba dem snart. Och Chile har byggt ut sinGPSnätverk för att få mer exakt information snabbare, vilket kan hjälpa till att beräkna om ett skalv nära kusten sannolikt kommer att generera en tsunami eller inte.
2. ÖVERVAKA EN VULKAN
Bortom jordbävningar, hastigheten påGPShjälper tjänstemän att reagera snabbare på andra naturkatastrofer när de utvecklas.
Många vulkanobservatorier har till exempelGPSmottagare uppställda runt bergen de övervakar, för när magma börjar förskjutas under jorden får det ofta ytan att förskjutas också. Genom att övervaka hur GPS-stationer runt en vulkan stiger eller sjunker över tid kan forskare få en bättre uppfattning om var smält sten flyter.
Innan förra årets stora utbrott av vulkanen Kilauea på Hawaii använde forskareGPSför att förstå vilka delar av vulkanen som förändrades snabbast. Tjänstemän använde den informationen för att bestämma vilka områden de skulle evakuera invånare från.
GPS-datakan också vara användbart även efter att en vulkan har fått utbrott. Eftersom signalerna färdas från satelliter till marken måste de passera genom vilket material som vulkanen skjuter ut i luften. Under 2013 studerade flera forskargrupperGPS-datafrån ett utbrott av vulkanen Redoubt i Alaska fyra år tidigare och fann att signalerna blev förvrängda strax efter att utbrottet började.
Genom att studera förvrängningarna kunde forskarna uppskatta hur mycket aska som hade spytt ut och hur snabbt den färdades. I en efterföljande tidning kallade Larson det "ett nytt sätt att upptäcka vulkaniska plymer."
Hon och hennes kollegor har arbetat på sätt att göra detta med smartphone-variationGPS-mottagaresnarare än dyra vetenskapliga mottagare. Det skulle kunna göra det möjligt för vulkanologer att skapa ett relativt billigt GPS-nätverk och övervaka askplymer när de stiger. Vulkanplymer är ett stort problem för flygplan, som måste flyga runt askan istället för att riskera att partiklarna täpper till deras jetmotorer.
3. SÖK SNÖN
Några av de mest oväntade användningarna avGPSkommer från de stökigaste delarna av dess signal – delarna som studsar från marken.
En typiskGPS-mottagare, som den i din smartphone, tar för det mesta upp signaler som kommer direkt frånGPSsatelliter ovanför. Men den fångar också upp signaler som har studsat på marken du går på och reflekteras till din smartphone.
I många år hade forskare trott att dessa reflekterade signaler inte var något annat än brus, ett slags eko som förvirrade data och gjorde det svårt att ta reda på vad som pågick. Men för ungefär 15 år sedan började Larson och andra undra om de kunde dra nytta av ekon i vetenskapliga GPS-mottagare. Hon började titta på frekvenserna för signalerna som reflekterades från marken och hur de kombinerades med signalerna som hade kommit direkt till mottagaren. Av det kunde hon härleda egenskaper hos ytan som ekona hade studsat av. "Vi har bara omvänt dessa ekon", säger Larson.
Detta tillvägagångssätt gör det möjligt för forskare att lära sig om marken under GPS-mottagaren - till exempel hur mycket fukt jorden innehåller eller hur mycket snö som har samlats på ytan. (Ju mer snö som faller på marken, desto kortare är avståndet mellan ekot och mottagaren.) GPS-stationer kan fungera som snösensorer för att mäta snödjup, till exempel i bergsområden där snöpackning är en stor vattenresurs varje år.
Tekniken fungerar också bra i Arktis och Antarktis, där det finns få väderstationer som övervakar snöfall året runt. Matt Siegfried, nu vid Colorado School of Mines i Golden, och hans kollegor studerade snöansamling på 23 GPS-stationer i västra Antarktis från 2007 till 2017. De fann att de direkt kunde mäta den föränderliga snön. Det är avgörande information för forskare som vill bedöma hur mycket snö den antarktiska inlandsisen bygger upp varje vinter - och hur det kan jämföras med vad som smälter bort varje sommar.
4. KÄNNA EN SJUKNING
GPSkan ha börjat som ett sätt att mäta läge på fast mark, men det visar sig också vara användbart för att övervaka förändringar i vattennivåer.
I juli fann John Galetzka, ingenjör vid UNAVCOs geofysiska forskningsorganisation i Boulder, Colorado, att han installerade GPS-stationer i Bangladesh, vid korsningen av floderna Ganges och Brahmaputra. Målet var att mäta om flodsedimenten komprimeras och landet sakta sjunker – vilket gör det mer sårbart för översvämningar under tropiska cykloner och havsnivåhöjningar. "GPS är ett fantastiskt verktyg för att svara på den här frågan och mer", säger Galetzka.
I ett jordbrukssamhälle som heter Sonatala, i utkanten av en mangroveskog, placerade Galetzka och hans kollegor enGPSstation på betongtaket på en grundskola. De satte upp en andra station i närheten, ovanpå en stav som hamrades in i en rismark. Om marken verkligen sjunker, kommer den andra GPS-stationen att se ut som om den sakta kommer upp ur marken. Och genom att mäta GPS-ekon under stationerna kan forskarna mäta faktorer som hur mycket vatten som står i risfältet under regnperioden.
GPS-mottagarekan till och med hjälpa oceanografer och sjömän genom att fungera som tidvattenmätare. Larson snubblade över detta när han arbetade med GPS-data från Kachemak Bay, Alaska. Stationen etablerades för att studera tektonisk deformation, men Larson var nyfiken eftersom viken också har några av de största tidvattenvariationerna i USA. Hon tittade på GPS-signalerna som studsade från vattnet och upp till mottagaren och kunde spåra tidvattenförändringar nästan lika exakt som en riktig tidvattenmätare i en närliggande hamn.
Detta kan vara till hjälp i delar av världen som inte har långtidsvattenmätare inställda – men som råkar ha enGPS-station i närheten.
5. ANALYSE ATMOSFÄREN
Slutligen,GPSkan reta ut information om himlen ovanför, på sätt som forskare inte trodde var möjligt förrän för bara några år sedan. Vattenånga, elektriskt laddade partiklar och andra faktorer kan fördröja GPS-signaler som färdas genom atmosfären, och det gör det möjligt för forskare att göra nya upptäckter.
En grupp forskare använderGPSatt studera mängden vattenånga i atmosfären som är tillgänglig att fälla ut som regn eller snö. Forskare har använt dessa förändringar för att beräkna hur mycket vatten som sannolikt kommer att falla från himlen i dränkande skyfall, vilket gör att prognosmakare kan finjustera sina förutsägelser om snabba översvämningar på platser som södra Kalifornien. Under en storm i juli 2013 använde meteorologerGPSdata för att spåra monsunfuktighet som rör sig på land där, vilket visade sig vara avgörande information för att utfärda en varning 17 minuter innan översvämningar drabbade.
GPS-signalerpåverkas också när de färdas genom den elektriskt laddade delen av den övre atmosfären, känd som jonosfären. Forskare har använtGPS-dataatt spåra förändringar i jonosfären när tsunamier rasar över havet nedanför. (Tsunamins kraft producerar förändringar i atmosfären som krusar hela vägen upp till jonosfären.) Denna teknik skulle en dag kunna komplettera den traditionella metoden för tsunamivarning, som använder bojar utspridda över havet för att mäta höjden på den resande vågen .
Och forskare har till och med kunnat studera effekterna av en total solförmörkelse med hjälp avGPS. I augusti 2017 använde deGPS-stationeröver hela USA för att mäta hur antalet elektroner i den övre atmosfären minskade när månens skugga rörde sig över kontinenten och dämpade ljuset som annars skapade elektroner.
SåGPSär användbar för allt från att marken skakar under dina fötter till snö som faller från himlen. Inte illa för något som bara skulle hjälpa dig att hitta över stan.
Denna artikel dök ursprungligen upp i Knowable Magazine, en oberoende journalistisk strävan från Annual Reviews. Anmäl dig till nyhetsbrevet.
