Anda mungkin fikir anda pakar dalam menavigasi melalui trafik bandar, telefon pintar di sebelah anda. Anda mungkin juga mendaki dengan aperanti GPSuntuk mencari jalan anda melalui kawasan pedalaman. Tetapi anda mungkin masih terkejut dengan semua perkara ituGPS—sistem penentududukan global yang mendasari semua navigasi moden—boleh dilakukan.
GPSterdiri daripada buruj satelit yang menghantar isyarat ke permukaan bumi. Satu asaspenerima GPS, seperti telefon pintar anda, menentukan di mana anda berada—dalam jarak kira-kira 1 hingga 10 meter—dengan mengukur masa ketibaan isyarat daripada empat atau lebih satelit. Dengan lebih mewah (dan lebih mahal)Penerima GPS, saintis boleh menentukan lokasi mereka hingga ke sentimeter atau bahkan milimeter. Menggunakan maklumat terperinci itu, bersama-sama dengan cara baharu untuk menganalisis isyarat, penyelidik mendapati bahawa GPS boleh memberitahu mereka lebih banyak tentang planet ini daripada yang mereka sangkakan pada asalnya.
Sepanjang dekad yang lalu, lebih pantas dan lebih tepatperanti GPStelah membenarkan saintis menerangi bagaimana tanah bergerak semasa gempa bumi besar.GPStelah membawa kepada sistem amaran yang lebih baik untuk bencana alam seperti banjir kilat dan letusan gunung berapi. Dan penyelidik juga telah menggunakan beberapa MacGyveredPenerima GPSbertindak sebagai penderia salji, tolok air pasang dan alat lain yang tidak dijangka untuk mengukur Bumi.
"Orang menganggap saya gila apabila saya mula bercakap tentang aplikasi ini, " kata Kristine Larson, ahli geofizik di University of Colorado Boulder yang telah mengetuai banyak penemuan dan menulis tentangnya dalam Kajian Tahunan 2019 Bumi dan Sains Planet. "Nah, ternyata kami mampu melakukannya."
Berikut adalah beberapa perkara yang mengejutkan saintis baru-baru ini menyedari yang boleh mereka lakukanGPS.
1. RASAI GEMPAK
Selama berabad-abad ahli geosains telah bergantung pada seismometer, yang mengukur berapa banyak tanah bergegar, untuk menilai seberapa besar dan betapa teruknya gempa bumi.GPSpenerima mempunyai tujuan yang berbeza—untuk menjejaki proses geologi yang berlaku pada skala yang lebih perlahan, seperti kadar di mana plat kerak bumi yang besar mengisar antara satu sama lain dalam proses yang dikenali sebagai plat tektonik. JadiGPSmungkin memberitahu saintis kelajuan di mana bahagian bertentangan Sesar San Andreas menjalar melepasi satu sama lain, manakala seismometer mengukur tanah bergegar apabila sesar California itu pecah dalam gempa bumi.
Kebanyakan penyelidik berpendapat demikianGPShanya tidak dapat mengukur lokasi dengan cukup tepat, dan cukup cepat, untuk berguna dalam menilai gempa bumi. Tetapi ternyata saintis boleh memerah maklumat tambahan daripada isyarat yang dihantar oleh satelit GPS ke Bumi.
Isyarat tersebut tiba dalam dua komponen. Satu ialah siri unik satu dan sifar, yang dikenali sebagai kod, yang setiap satuGPSmenghantar satelit. Yang kedua ialah isyarat "pembawa" panjang gelombang yang lebih pendek yang menghantar kod dari satelit. Oleh kerana isyarat pembawa mempunyai panjang gelombang yang lebih pendek—hanya 20 sentimeter—berbanding dengan panjang gelombang kod yang lebih panjang, yang boleh berpuluh atau ratusan meter, isyarat pembawa menawarkan cara resolusi tinggi untuk menentukan tempat di permukaan Bumi. Para saintis, juruukur, tentera dan lain-lain selalunya memerlukan lokasi GPS yang sangat tepat, dan yang diperlukan hanyalah penerima GPS yang lebih rumit.
Jurutera juga telah meningkatkan kadar di manaGPSpenerima mengemas kini lokasi mereka, bermakna mereka boleh menyegarkan diri mereka sekerap 20 kali sesaat atau lebih. Apabila penyelidik menyedari bahawa mereka boleh mengambil ukuran yang tepat dengan begitu cepat, mereka mula menggunakan GPS untuk memeriksa bagaimana tanah bergerak semasa gempa bumi.
Pada tahun 2003, dalam salah satu kajian pertama seumpamanya, Larson dan rakan-rakannya menggunakan penerima GPS yang disemat di seluruh barat Amerika Syarikat untuk mengkaji bagaimana tanah berubah apabila gelombang seismik beralun daripada gempa bumi berukuran 7.9 magnitud di Alaska. Menjelang 2011, penyelidik dapat mengambil data GPS mengenai gempa bumi 9.1 magnitud yang memusnahkan Jepun dan menunjukkan bahawa dasar laut telah beralih 60 meter yang mengejutkan semasa gempa itu.
Hari ini, saintis melihat dengan lebih meluas tentang bagaimanadata GPSboleh membantu mereka menilai gempa bumi dengan cepat. Diego Melgar dari University of Oregon di Eugene dan Gavin Hayes dari US Geological Survey di Golden, Colorado, mengkaji secara retrospektif 12 gempa bumi besar untuk melihat sama ada mereka dapat mengetahui, dalam beberapa saat selepas gempa bermula, betapa besarnya ia akan berlaku. Dengan memasukkan maklumat dari stesen GPS berhampiran pusat gempa, saintis boleh menentukan dalam masa 10 saat sama ada gempa itu akan merosakkan magnitud 7 atau magnitud 9 yang merosakkan sepenuhnya.
Penyelidik di sepanjang Pantai Barat AS bahkan telah menggabungkanGPSke dalam sistem amaran awal gempa bumi mereka, yang mengesan gegaran tanah dan memberitahu orang ramai di bandar yang jauh sama ada gegaran mungkin akan menimpa mereka tidak lama lagi. Dan Chile telah membinanyaGPSrangkaian untuk mendapatkan maklumat yang lebih tepat dengan lebih cepat, yang boleh membantu mengira sama ada gempa berhampiran pantai berkemungkinan menjana tsunami atau tidak.
2. PANTAU GUNUNG BERAPI
Di sebalik gempa bumi, kelajuanGPSsedang membantu pegawai bertindak balas dengan lebih cepat kepada bencana alam yang lain semasa ia berlaku.
Banyak balai cerap gunung berapi, contohnya, mempunyaiGPSpenerima tersusun di sekitar gunung yang mereka pantau, kerana apabila magma mula beralih di bawah tanah yang sering menyebabkan permukaan berubah juga. Dengan memantau cara stesen GPS di sekitar gunung berapi naik atau tenggelam dari semasa ke semasa, penyelidik boleh mendapatkan idea yang lebih baik tentang ke mana batu cair mengalir.
Sebelum letusan besar tahun lalu gunung berapi Kilauea di Hawaii, penyelidik menggunakanGPSuntuk memahami bahagian gunung berapi mana yang beralih paling cepat. Pegawai menggunakan maklumat itu untuk membantu menentukan kawasan mana untuk memindahkan penduduk.
data GPSjuga boleh berguna walaupun selepas gunung berapi meletus. Kerana isyarat bergerak dari satelit ke tanah, mereka perlu melalui apa sahaja bahan yang dilontarkan gunung berapi ke udara. Pada tahun 2013, beberapa kumpulan penyelidikan mengkajidata GPSdaripada letusan gunung berapi Redoubt di Alaska empat tahun lebih awal dan mendapati bahawa isyarat menjadi herot sejurus selepas letusan bermula.
Dengan mengkaji herotan, saintis boleh menganggarkan berapa banyak abu yang telah dimuntahkan dan berapa cepat ia bergerak. Dalam makalah berikutnya, Larson menyebutnya "cara baharu untuk mengesan kepulan gunung berapi."
Dia dan rakan sekerjanya telah mengusahakan cara untuk melakukan ini dengan pelbagai telefon pintarPenerima GPSbukannya penerima saintifik yang mahal. Itu boleh membolehkan ahli gunung berapi menyediakan rangkaian GPS yang agak murah dan memantau kepulan abu apabila ia meningkat. Kepulan gunung berapi adalah masalah besar bagi kapal terbang, yang terpaksa terbang mengelilingi abu dan bukannya mengambil risiko zarah-zarah itu menyumbat enjin jet mereka.
3. SIASAT SALJI
Beberapa penggunaan yang paling tidak dijangkaGPSdatang dari bahagian isyaratnya yang paling kucar-kacir—bahagian yang melantun dari tanah.
Sebuah tipikalpenerima GPS, seperti yang terdapat dalam telefon pintar anda, kebanyakannya mengambil isyarat yang datang terus daripadaGPSsatelit di atas kepala. Tetapi ia juga mengambil isyarat yang telah melantun di atas tanah yang anda jalani dan dipantulkan ke telefon pintar anda.
Selama bertahun-tahun saintis menganggap isyarat yang dipantulkan ini hanyalah bunyi bising, sejenis gema yang mengotori data dan menyukarkan untuk mengetahui apa yang sedang berlaku. Tetapi kira-kira 15 tahun yang lalu Larson dan yang lain mula tertanya-tanya sama ada mereka boleh mengambil kesempatan daripada gema dalam penerima GPS saintifik. Dia mula melihat pada frekuensi isyarat yang dipantulkan dari tanah dan bagaimana ia digabungkan dengan isyarat yang tiba terus ke penerima. Daripada itu dia dapat menyimpulkan kualiti permukaan yang gema telah melantun. "Kami hanya merekayasa balik gema itu," kata Larson.
Pendekatan ini membolehkan saintis mempelajari tentang tanah di bawah penerima GPS—contohnya berapa banyak lembapan yang terkandung dalam tanah atau berapa banyak salji yang terkumpul di permukaan. (Semakin banyak salji turun ke atas tanah, semakin pendek jarak antara gema dan penerima.) Stesen GPS boleh berfungsi sebagai penderia salji untuk mengukur kedalaman salji, seperti di kawasan pergunungan yang pek salji merupakan sumber air utama setiap tahun.
Teknik ini juga berfungsi dengan baik di Artik dan Antartika, di mana terdapat beberapa stesen cuaca memantau salji sepanjang tahun. Matt Siegfried, kini di Colorado School of Mines di Golden, dan rakan-rakannya mengkaji pengumpulan salji di 23 stesen GPS di Antartika Barat dari 2007 hingga 2017. Mereka mendapati mereka boleh mengukur secara langsung salji yang berubah-ubah. Itulah maklumat penting untuk penyelidik yang ingin menilai jumlah salji yang terkumpul di lembaran ais Antartika setiap musim sejuk-dan bagaimana ia dibandingkan dengan apa yang cair setiap musim panas.
4. PERASAAN SEKALI
GPSmungkin bermula sebagai cara untuk mengukur lokasi di tanah pepejal, tetapi ternyata ia juga berguna dalam memantau perubahan paras air.
Pada bulan Julai, John Galetzka, seorang jurutera di organisasi penyelidikan geofizik UNAVCO di Boulder, Colorado, mendapati dirinya memasang stesen GPS di Bangladesh, di persimpangan sungai Ganges dan Brahmaputra. Matlamatnya adalah untuk mengukur sama ada sedimen sungai menjadi padat dan tanah perlahan-lahan tenggelam—menjadikannya lebih terdedah kepada banjir semasa siklon tropika dan kenaikan paras laut. "GPS ialah alat yang hebat untuk membantu menjawab soalan ini dan banyak lagi," kata Galetzka.
Dalam komuniti petani bernama Sonatala, di pinggir hutan bakau, Galetzka dan rakan-rakannya meletakkan satuGPSstesen di atas bumbung konkrit sebuah sekolah rendah. Mereka menubuhkan stesen kedua berhampiran, di atas sebatang joran yang dipalu ke dalam padi. Jika tanah benar-benar tenggelam, maka stesen GPS kedua akan kelihatan seolah-olah ia perlahan-lahan muncul dari tanah. Dan dengan mengukur gema GPS di bawah stesen, saintis boleh mengukur faktor seperti berapa banyak air yang berada di dalam padi semasa musim hujan.
Penerima GPSmalah boleh membantu ahli oseanografi dan pelaut, dengan bertindak sebagai pengukur air pasang. Larson terjumpa perkara ini semasa bekerja dengan data GPS dari Teluk Kachemak, Alaska. Stesen ini ditubuhkan untuk mengkaji ubah bentuk tektonik, tetapi Larson ingin tahu kerana teluk itu juga mempunyai beberapa variasi pasang surut terbesar di Amerika Syarikat. Dia melihat isyarat GPS yang melantun di atas air dan sehingga ke penerima, dan dapat mengesan perubahan pasang surut hampir sama tepat dengan tolok air pasang sebenar di pelabuhan berdekatan.
Ini boleh membantu di bahagian dunia yang tidak menyediakan tolok air pasang jangka panjang—tetapi adaStesen GPS berdekatan.
5. ANALISIS SUASANA
Akhirnya,GPSboleh mengusik maklumat tentang langit di atas kepala, dengan cara yang saintis tidak fikir mungkin sehingga beberapa tahun yang lalu. Wap air, zarah bercas elektrik dan faktor lain boleh melambatkan isyarat GPS bergerak melalui atmosfera, dan ini membolehkan penyelidik membuat penemuan baharu.
Satu kumpulan saintis menggunakanGPSuntuk mengkaji jumlah wap air di atmosfera yang tersedia untuk memendakan sebagai hujan atau salji. Penyelidik telah menggunakan perubahan ini untuk mengira berapa banyak air yang mungkin jatuh dari langit dalam hujan lebat, membolehkan peramal memperhalusi ramalan mereka tentang banjir kilat di tempat seperti California Selatan. Semasa ribut Julai 2013, ahli meteorologi menggunakanGPSdata untuk mengesan lembapan monsun yang bergerak ke daratan di sana, yang ternyata menjadi maklumat penting untuk mengeluarkan amaran 17 minit sebelum banjir kilat melanda.
Isyarat GPSturut terjejas apabila ia bergerak melalui bahagian atmosfera atas yang bercas elektrik, yang dikenali sebagai ionosfera. Para saintis telah menggunakandata GPSuntuk mengesan perubahan dalam ionosfera semasa tsunami berlumba-lumba merentasi lautan di bawah. (Kuasa tsunami menghasilkan perubahan dalam atmosfera yang beralun sehingga ke ionosfera.) Teknik ini suatu hari nanti boleh melengkapkan kaedah tradisional amaran tsunami, yang menggunakan pelampung yang bertitik di seberang lautan untuk mengukur ketinggian gelombang perjalanan. .
Dan saintis juga telah dapat mengkaji kesan gerhana matahari penuh menggunakanGPS. Pada Ogos 2017, mereka menggunakanstesen GPSdi seluruh Amerika Syarikat untuk mengukur bagaimana bilangan elektron di atmosfera atas menurun apabila bayang-bayang bulan bergerak merentasi benua, memalapkan cahaya yang sebaliknya mencipta elektron.
JadiGPSberguna untuk segala-galanya daripada gegaran tanah di bawah kaki anda hingga salji yang turun dari langit. Tidak buruk untuk sesuatu yang sepatutnya membantu anda mencari jalan merentasi bandar.
Artikel ini pada asalnya muncul dalam Majalah Knowable, usaha kewartawanan bebas daripada Ulasan Tahunan. Daftar untuk surat berita.
