Možná si myslíte, že jste expert na navigaci v městském provozu s chytrým telefonem po boku. Můžete dokonce chodit s aGPSzařízenínajít cestu přes zapadákovu. Pravděpodobně byste však byli stále překvapeni všemi těmi věcmiGPS— globální polohový systém, který je základem veškeré moderní navigace — umí.
GPSsestává z konstelace satelitů, které vysílají signály na zemský povrch. ZákladníGPSpřijímač, stejně jako ten ve vašem smartphonu, určuje, kde se nacházíte – na vzdálenost asi 1 až 10 metrů – měřením doby příchodu signálů ze čtyř nebo více satelitů. S lepším (a dražším)GPSpřijímačevědci mohou určit jejich umístění až na centimetry nebo dokonce milimetry. Pomocí těchto jemnozrnných informací spolu s novými způsoby analýzy signálů výzkumníci zjišťují, že jim GPS může o planetě říct mnohem více, než si původně mysleli.
Za poslední desetiletí rychlejší a přesnějšíGPSzařízeníumožnily vědcům osvětlit, jak se země pohybuje během velkých zemětřesení.GPSvedl k lepším systémům varování před přírodními katastrofami, jako jsou bleskové povodně a sopečné erupce. A někteří vědci dokonce MacGyveredGPSpřijímačeaby fungovaly jako sněhové senzory, měřiče přílivu a odlivu a další neočekávané nástroje pro měření Země.
„Lidé si mysleli, že jsem blázen, když jsem začal mluvit o těchto aplikacích,“ říká Kristine Larson, geofyzička z University of Colorado Boulder, která vedla mnoho objevů a napsala o nich v roce 2019 Annual Review of Earth and Planetary Sciences. "No, ukázalo se, že jsme to dokázali."
Zde jsou některé překvapivé věci, které si vědci teprve nedávno uvědomili, že s nimi mohou dělatGPS.
1. CÍTIT ZEMĚTŘESENÍ
Po staletí se geovědci spoléhali na seismometry, které měří, jak moc se země otřásá, aby mohli posoudit, jak velké a jak špatné je zemětřesení.GPSpřijímače sloužily k jinému účelu – ke sledování geologických procesů, které se odehrávají v mnohem pomalejších měřítcích, jako je rychlost, jakou se velké zemské zemské desky obrušují jedna přes druhou v procesu známém jako desková tektonika. TakGPSby mohl vědcům říci, jakou rychlostí se protilehlé strany zlomu San Andreas plíží kolem sebe, zatímco seismometry měří otřesy země, když se tento zlom v Kalifornii protrhne při zemětřesení.
Většina výzkumníků si to myslelaGPSprostě nedokázal změřit místa dostatečně přesně a dostatečně rychle, aby byl užitečný při hodnocení zemětřesení. Ukazuje se ale, že vědci dokážou ze signálů, které satelity GPS vysílají na Zemi, vymáčknout další informace.
Tyto signály přicházejí ve dvou složkách. Jedna je jedinečná řada jedniček a nul, známá jako kód, z nichž každáGPSsatelit vysílá. Druhým je „nosný“ signál kratší vlnové délky, který přenáší kód ze satelitu. Protože nosný signál má kratší vlnovou délku – pouhých 20 centimetrů – ve srovnání s delší vlnovou délkou kódu, která může být desítky nebo stovky metrů, nabízí nosný signál způsob s vysokým rozlišením, jak určit místo na zemském povrchu. Vědci, geodeti, armáda a další často potřebují velmi přesnou GPS polohu a stačí k tomu složitější GPS přijímač.
Inženýři také zlepšili rychlost, kterouGPSpřijímače aktualizují svou polohu, což znamená, že se mohou obnovovat až 20krát za sekundu nebo více. Jakmile si vědci uvědomili, že mohou tak rychle provádět přesná měření, začali používat GPS ke zkoumání toho, jak se země pohybovala během zemětřesení.
V roce 2003, v jedné z prvních studií svého druhu, Larson a její kolegové použili přijímače GPS rozmístěné po celém západě Spojených států, aby studovali, jak se země posunula, když se zemětřesení na Aljašce zvlnilo seismickými vlnami. Do roku 2011 byli vědci schopni získat data GPS o zemětřesení o síle 9,1, které zdevastovalo Japonsko, a ukázat, že se mořské dno během zemětřesení posunulo o ohromujících 60 metrů.
Dnes se vědci dívají šířeji na to, jakGPSdatamůže jim pomoci rychle vyhodnotit zemětřesení. Diego Melgar z University of Oregon v Eugene a Gavin Hayes z US Geological Survey v Golden, Colorado, retrospektivně studovali 12 velkých zemětřesení, aby zjistili, zda dokážou během několika sekund od začátku zemětřesení říci, jak velké bude. Zahrnutím informací ze stanic GPS v blízkosti epicenter zemětřesení mohli vědci během 10 sekund určit, zda bude zemětřesení mít ničivou magnitudu 7 nebo zcela destruktivní magnitudu 9.
Výzkumníci podél západního pobřeží USA dokonce začleňovaliGPSdo jejich začínajícího systému včasného varování před zemětřesením, který detekuje otřesy země a informuje lidi ve vzdálených městech, zda je otřesy pravděpodobně brzy zasáhnou. A Chile to budujeGPSsítě, aby bylo možné rychleji získat přesnější informace, což může pomoci vypočítat, zda zemětřesení poblíž pobřeží pravděpodobně vygeneruje tsunami či nikoli.
2. MONITORUJTE SOPKU
Kromě zemětřesení, rychlostGPSpomáhá úředníkům rychleji reagovat na další přírodní katastrofy, jak se vyvíjejí.
Mnoho sopečných observatoří má napříkladGPSpřijímače rozmístěné kolem hor, které monitorují, protože když se magma začne posouvat pod zemí, často se posune i povrch. Sledováním toho, jak stanice GPS kolem sopky v průběhu času stoupají nebo klesají, mohou výzkumníci získat lepší představu o tom, kde teče roztavená hornina.
Před loňskou velkou erupcí sopky Kilauea na Havaji vědci použiliGPSabychom pochopili, které části sopky se pohybovaly nejrychleji. Úředníci použili tyto informace, aby pomohli rozhodnout, ze kterých oblastí evakuovat obyvatele.
GPSdatamůže být také užitečné i po výbuchu sopky. Protože signály putují ze satelitů na zem, musí projít jakýmkoliv materiálem, který sopka vyvrhuje do vzduchu. V roce 2013 studovalo několik výzkumných skupinGPSdataz erupce sopky Redoubt na Aljašce před čtyřmi lety a zjistili, že signály se brzy po začátku erupce zkreslily.
Studiem deformací mohli vědci odhadnout, kolik popela vyvrhlo a jak rychle se pohyboval. V následujícím článku to Larson nazval „nový způsob, jak detekovat sopečné oblaky“.
Ona a její kolegové pracovali na způsobech, jak toho dosáhnout pomocí různých chytrých telefonůGPSpřijímačespíše než drahé vědecké přijímače. To by mohlo umožnit vulkanologům vytvořit relativně levnou GPS síť a monitorovat vlečky popela, jak stoupají. Sopečné vlečky jsou velkým problémem pro letadla, která musí létat kolem popela, než aby riskovali, že částice zanesou jejich tryskové motory.
3. ZKOUŠEJTE SNĚH
Některé z nejvíce neočekávaných použitíGPSpocházejí z nejšpinavějších částí jeho signálu – z částí, které se odrážejí od země.
TypickéGPSpřijímač, jako ten ve vašem smartphonu, většinou zachytí signály, které přicházejí přímo zGPSsatelity nad hlavou. Ale také zachytí signály, které se odrazily od země, po které jdete, a odrážely se až do vašeho smartphonu.
Po mnoho let si vědci mysleli, že tyto odražené signály nejsou ničím jiným než šumem, jakousi ozvěnou, která zamlžuje data a ztěžuje zjištění, co se děje. Ale asi před 15 lety Larson a další začali přemýšlet, zda by mohli využít ozvěny ve vědeckých přijímačích GPS. Začala zkoumat frekvence signálů, které se odrážely od země, a jak se tyto signály kombinují se signály, které dorazily přímo do přijímače. Z toho mohla odvodit vlastnosti povrchu, od kterého se odrazily ozvěny. "Právě jsme provedli zpětnou analýzu těchto ozvěny," říká Larson.
Tento přístup umožňuje vědcům dozvědět se o zemi pod přijímačem GPS – například kolik vlhkosti půda obsahuje nebo kolik sněhu se nahromadilo na povrchu. (Čím více sněhu padá na zem, tím kratší je vzdálenost mezi ozvěnou a přijímačem.) Stanice GPS mohou fungovat jako sněhové senzory pro měření hloubky sněhu, například v horských oblastech, kde je sněhová pokrývka každoročně hlavním vodním zdrojem.
Tato technika také dobře funguje v Arktidě a Antarktidě, kde je málo meteorologických stanic monitorujících sněžení po celý rok. Matt Siegfried, nyní na Colorado School of Mines v Golden, a jeho kolegové studovali akumulaci sněhu na 23 stanicích GPS v západní Antarktidě v letech 2007 až 2017. Zjistili, že mohou přímo měřit měnící se sníh. To je zásadní informace pro výzkumníky, kteří chtějí posoudit, kolik sněhu se na antarktickém ledovém štítu nahromadí každou zimu – a jak je to ve srovnání s tím, co každé léto taje.
4. CÍTÍTE POTOPENÍ
GPSmůže začít jako způsob měření polohy na pevné zemi, ale ukazuje se, že je také užitečný při sledování změn vodních hladin.
V červenci John Galetzka, inženýr z geofyzikální výzkumné organizace UNAVCO v Boulderu v Coloradu, zjistil, že instaloval stanice GPS v Bangladéši, na soutoku řek Ganga a Brahmaputra. Cílem bylo změřit, zda se říční sedimenty zhutňují a země se pomalu potápí, což ji činí zranitelnější vůči záplavám během tropických cyklónů a vzestupu hladiny moře. „GPS je úžasný nástroj, který vám pomůže odpovědět na tuto otázku a další,“ říká Galetzka.
V zemědělské komunitě zvané Sonatala na okraji mangrovového lesa Galetzka a jeho kolegové umístili jedenGPSnádraží na betonové střeše základní školy. Poblíž postavili druhou stanici na tyči zatlučené do rýžového pole. Pokud se země skutečně propadá, pak bude druhá stanice GPS vypadat, jako by se pomalu vynořovala ze země. A měřením ozvěny GPS pod stanicemi mohou vědci měřit faktory, jako je množství vody stojící v rýžovém poli během období dešťů.
GPSpřijímačemůže dokonce pomoci oceánografům a námořníkům tím, že působí jako měřiče přílivu a odlivu. Larson na to narazil při práci s GPS daty z Kachemak Bay na Aljašce. Stanice byla založena, aby studovala tektonickou deformaci, ale Larson byl zvědavý, protože záliv má také některé z největších přílivových změn ve Spojených státech. Podívala se na signály GPS, které se odrážely od vody až k přijímači, a byla schopna sledovat změny přílivu a odlivu téměř tak přesně jako skutečný příliv a odliv v nedalekém přístavu.
To by mohlo být užitečné v částech světa, které nemají nastaveny dlouhodobé měřiče přílivu a odlivu – ale náhodou majíGPSstanice poblíž.
5. ANALÝZA ATMOSFÉRY
Konečně,GPSdokáže získat informace o obloze nad hlavou způsobem, který vědci ještě před několika lety nepovažovali za možné. Vodní pára, elektricky nabité částice a další faktory mohou zpozdit signály GPS putující atmosférou, což umožňuje výzkumníkům činit nové objevy.
Jedna skupina vědců používáGPSstudovat množství vodní páry v atmosféře, která se může vysrážet jako déšť nebo sníh. Výzkumníci použili tyto změny k výpočtu toho, kolik vody pravděpodobně spadne z oblohy v lijácích, což umožňuje prognostikům vyladit jejich předpovědi bleskových povodní v místech, jako je jižní Kalifornie. Při bouři v červenci 2013 meteorologové použiliGPSúdaje pro sledování monzunové vlhkosti pohybující se tam na pobřeží, což se ukázalo jako zásadní informace pro vydání varování 17 minut před přívalovými povodněmi.
GPSsignályjsou také ovlivněny, když cestují přes elektricky nabitou část horní atmosféry, známou jako ionosféra. Vědci použiliGPSdatasledovat změny v ionosféře, jak se tsunami prohání oceánem pod ním. (Síla tsunami způsobuje změny v atmosféře, které se vlní až do ionosféry.) Tato technika by jednoho dne mohla doplnit tradiční metodu varování před tsunami, která využívá bóje rozmístěné po celém oceánu k měření výšky putující vlny. .
A vědci byli dokonce schopni studovat účinky úplného zatmění Slunce pomocíGPS. V srpnu 2017 využiliGPSstanicepo celých Spojených státech amerických, aby změřil, jak počet elektronů v horních vrstvách atmosféry klesal, když se měsíční stín pohyboval po kontinentu a tlumil světlo, které jinak elektrony vytvářelo.
TakGPSje užitečný pro vše od chvění země pod nohama až po sníh padající z nebe. Není to špatné na něco, co vám mělo pomoci najít cestu přes město.
Tento článek se původně objevil v Knowable Magazine, nezávislém novinářském počinu z Annual Reviews. Přihlaste se k odběru newsletteru.
