ممکن است فکر کنید در پیمایش در ترافیک شهری متخصص هستید، گوشی هوشمند در کنار شماست. حتی ممکن است با یک پیاده روی کنیددستگاه جی پی اسبرای پیدا کردن راه خود را از طریق backcountry. اما احتمالاً هنوز از همه چیزهایی که در این مورد وجود دارد شگفت زده خواهید شدجی پی اس- سیستم موقعیت یابی جهانی که زیربنای تمام ناوبری مدرن است - می تواند انجام دهد.
جی پی اساز مجموعه ای از ماهواره ها تشکیل شده است که سیگنال هایی را به سطح زمین می فرستند. یک پایهگیرنده جی پی اسمانند گوشی هوشمندتان، با اندازه‌گیری زمان رسیدن سیگنال‌ها از چهار یا چند ماهواره، تعیین می‌کند که در چه فاصله‌ای از ۱ تا ۱۰ متر هستید. با شیک تر (و گران تر)گیرنده های جی پی اس، دانشمندان می توانند مکان آنها را تا اندازه سانتی متر یا حتی میلی متر مشخص کنند. محققان با استفاده از این اطلاعات دقیق، همراه با روش‌های جدید برای تجزیه و تحلیل سیگنال‌ها، دریافته‌اند که GPS می‌تواند بسیار بیشتر از آنچه در ابتدا تصور می‌کردند درباره سیاره به آنها بگوید.
در طول دهه گذشته، سریعتر و دقیق تردستگاه های جی پی اسبه دانشمندان این امکان را داده اند که چگونگی حرکت زمین در هنگام زلزله های بزرگ را روشن کنند.جی پی اسمنجر به سیستم های هشدار بهتر برای بلایای طبیعی مانند سیل ناگهانی و فوران های آتشفشانی شده است. و محققان حتی MacGyvered برخی از آنهاگیرنده های جی پی اسبه عنوان سنسورهای برف، جزر و مد و سایر ابزارهای غیرمنتظره برای اندازه گیری زمین عمل می کند.
کریستین لارسون، ژئوفیزیکدان دانشگاه کلرادو بولدر که رهبری بسیاری از اکتشافات را برعهده داشته و در بررسی سالانه علوم زمین و سیاره در سال 2019 در مورد آنها نوشته است، می گوید: «مردم فکر می کردند من دیوانه هستم وقتی شروع به صحبت در مورد این برنامه ها کردم. "خب، معلوم شد که ما توانستیم این کار را انجام دهیم."
در اینجا چند چیز شگفت انگیز است که دانشمندان به تازگی متوجه شده اند که می توانند با آنها انجام دهندجی پی اس.
1. زلزله را احساس کنید
قرن‌هاست که دانشمندان زمین‌شناس به لرزه‌سنج‌هایی که میزان لرزش زمین را اندازه‌گیری می‌کنند، برای ارزیابی بزرگی و شدت زلزله تکیه کرده‌اند.جی پی اسگیرنده‌ها هدف متفاوتی را دنبال می‌کردند: ردیابی فرآیندهای زمین‌شناختی که در مقیاس‌های بسیار آهسته‌تر اتفاق می‌افتند، مانند سرعتی که صفحات پوسته بزرگ زمین در فرآیندی به نام تکتونیک صفحه‌ای از کنار یکدیگر آسیاب می‌شوند. بنابراینجی پی اسممکن است سرعت عبور دو طرف گسل سن آندریاس از کنار یکدیگر را به دانشمندان بگوید، در حالی که لرزه‌سنج‌ها لرزش زمین را هنگامی که آن گسل کالیفرنیا در اثر زلزله پاره می‌شود، اندازه‌گیری می‌کنند.
اکثر محققان چنین فکر می کردندجی پی اسبه سادگی نمی توان مکان ها را به اندازه کافی دقیق و به سرعت اندازه گیری کرد تا در ارزیابی زمین لرزه ها مفید باشد. اما معلوم شد که دانشمندان می‌توانند اطلاعات اضافی را از سیگنال‌هایی که ماهواره‌های جی‌پی‌اس به زمین ارسال می‌کنند، جمع کنند.
این سیگنال ها در دو جزء می رسند. یک سری منحصر به فرد از یک ها و صفرها است که به کد معروف است که هر کدامجی پی اسماهواره ارسال می کند. دومی یک سیگنال "حامل" با طول موج کوتاهتر است که کد را از ماهواره ارسال می کند. از آنجایی که سیگنال حامل در مقایسه با طول موج طولانی‌تر کد که می‌تواند ده‌ها یا صدها متر باشد، طول موج کوتاه‌تری دارد - فقط 20 سانتی‌متر -، سیگنال حامل راهی با وضوح بالا برای مشخص کردن نقطه‌ای در سطح زمین ارائه می‌کند. دانشمندان، نقشه برداران، ارتش و دیگران اغلب به یک مکان GPS بسیار دقیق نیاز دارند و تنها چیزی که لازم است یک گیرنده GPS پیچیده تر است.
مهندسان همچنین نرخی را که در آن بهبود یافته استجی پی اسگیرنده ها موقعیت مکانی خود را به روز می کنند، به این معنی که می توانند خود را 20 بار در ثانیه یا بیشتر به روز کنند. هنگامی که محققان متوجه شدند که می توانند اندازه گیری های دقیق را به سرعت انجام دهند، شروع به استفاده از GPS برای بررسی نحوه حرکت زمین در هنگام زلزله کردند.
در سال 2003، در یکی از اولین مطالعات در نوع خود، لارسون و همکارانش از گیرنده‌های GPS در غرب ایالات متحده استفاده کردند تا چگونگی جابه‌جایی زمین را در اثر امواج لرزه‌ای به بزرگی 7.9 در آلاسکا بررسی کنند. تا سال 2011، محققان توانستند داده های GPS را در مورد زمین لرزه 9.1 ریشتری که ژاپن را ویران کرد، دریافت کنند و نشان دهند که بستر دریا در طول این زمین لرزه 60 متر تغییر کرده است.
امروزه دانشمندان به طور گسترده تری به چگونگی این نگاه می کنندداده های جی پی اسمی تواند به آنها در ارزیابی سریع زلزله کمک کند. دیگو ملگار از دانشگاه اورگان در یوجین و گاوین هیز از سازمان زمین شناسی ایالات متحده در گلدن، کلرادو، به طور گذشته نگر 12 زمین لرزه بزرگ را مورد مطالعه قرار دادند تا ببینند آیا می توانند در عرض چند ثانیه پس از شروع زلزله، میزان بزرگی آن را تشخیص دهند. دانشمندان با گنجاندن اطلاعات ایستگاه‌های GPS در نزدیکی کانون زمین‌لرزه‌ها، می‌توانند در عرض 10 ثانیه تعیین کنند که آیا این زمین‌لرزه با بزرگی 7 ریشتری مخرب خواهد بود یا 9 ریشتر کاملاً مخرب.
محققان در امتداد ساحل غربی ایالات متحده حتی در حال ترکیب هستندجی پی اسبه سیستم هشدار زودهنگام زلزله نوپای خود، که لرزش زمین را تشخیص می دهد و به مردم در شهرهای دور اطلاع می دهد که آیا احتمال دارد لرزش به زودی به آنها ضربه بزند یا خیر. و شیلی در حال ساخت آن بوده استجی پی اسبه منظور دستیابی سریعتر به اطلاعات دقیق تر، که می تواند به محاسبه اینکه آیا یک زلزله در نزدیکی ساحل احتمالاً سونامی ایجاد می کند یا خیر کمک کند.
2. یک آتشفشان را زیر نظر بگیرید
فراتر از زلزله، سرعتجی پی اسبه مقامات کمک می کند تا به سایر بلایای طبیعی در زمان وقوع آنها سریعتر واکنش نشان دهند.
به عنوان مثال، بسیاری از رصدخانه های آتشفشانی دارندجی پی اسگیرنده‌هایی که در اطراف کوه‌ها قرار می‌گیرند، آنها نظارت می‌کنند، زیرا وقتی ماگما شروع به جابجایی در زیر زمین می‌کند، اغلب باعث می‌شود که سطح نیز جابجا شود. با نظارت بر چگونگی افزایش یا غرق شدن ایستگاه های GPS در اطراف یک آتشفشان در طول زمان، محققان می توانند ایده بهتری در مورد محل جریان سنگ مذاب بدست آورند.
قبل از فوران بزرگ سال گذشته آتشفشان Kilauea در هاوایی، محققان ازجی پی اسبرای درک اینکه کدام بخش از آتشفشان با سرعت بیشتری در حال جابجایی است. مقامات از این اطلاعات برای کمک به تصمیم گیری برای تخلیه ساکنان از کدام مناطق استفاده کردند.
داده های جی پی اسحتی پس از فوران آتشفشان نیز می تواند مفید باشد. از آنجایی که سیگنال ها از ماهواره ها به زمین منتقل می شوند، باید از هر ماده ای که آتشفشان به هوا پرتاب می کند عبور کند. در سال 2013، چندین گروه تحقیقاتی مورد مطالعه قرار گرفتندداده های جی پی اساز فوران آتشفشان Redoubt در آلاسکا چهار سال قبل و دریافت که سیگنال ها به زودی پس از شروع فوران تحریف شدند.
با مطالعه اعوجاج ها، دانشمندان توانستند تخمین بزنند که چه مقدار خاکستر بیرون ریخته و با چه سرعتی حرکت می کند. در مقاله بعدی، لارسون آن را "روشی جدید برای تشخیص توده های آتشفشانی" نامید.
او و همکارانش روی راه‌هایی برای انجام این کار با انواع گوشی‌های هوشمند کار کرده‌اندگیرنده های جی پی اسبه جای گیرنده های علمی گران قیمت این امر می تواند آتشفشان شناسان را قادر سازد تا یک شبکه جی پی اس نسبتاً ارزان را راه اندازی کنند و توده های خاکستر را در حین بالا رفتن زیر نظر بگیرند. توده های آتشفشانی یک مشکل بزرگ برای هواپیماها هستند، که به جای خطر مسدود شدن ذرات موتور جت خود، مجبورند در اطراف خاکستر پرواز کنند.
3. برف را بررسی کنید
برخی از غیرمنتظره ترین موارد استفاده ازجی پی اساز آشفته‌ترین قسمت‌های سیگنال آن - قسمت‌هایی که از زمین پرش می‌کنند - می‌آیند.
معمولیگیرنده جی پی اسمانند گوشی هوشمند شما، بیشتر سیگنال هایی را دریافت می کند که مستقیماً از آن می آیندجی پی اسماهواره های بالای سر اما سیگنال‌هایی را نیز دریافت می‌کند که روی زمینی که روی آن راه می‌روید منعکس شده و به گوشی هوشمند شما منعکس شده‌اند.
برای سال‌های متمادی دانشمندان فکر می‌کردند این سیگنال‌های منعکس‌شده چیزی جز نویز نیستند، نوعی پژواک که داده‌ها را گل‌آلود می‌کند و تشخیص اینکه چه اتفاقی می‌افتد را دشوار می‌کرد. اما حدود 15 سال پیش لارسون و دیگران به این فکر افتادند که آیا می‌توانند از پژواک موجود در گیرنده‌های علمی GPS استفاده کنند. او شروع به نگاه کردن به فرکانس سیگنال‌هایی کرد که از روی زمین منعکس می‌شوند و اینکه چگونه آنها با سیگنال‌هایی که مستقیماً به گیرنده رسیده بودند ترکیب می‌شوند. از آن او می‌توانست کیفیت‌هایی از سطح را استنباط کند که پژواک‌ها از آن خارج شده‌اند. لارسون می گوید: «ما فقط آن پژواک ها را مهندسی معکوس کردیم.
این رویکرد به دانشمندان اجازه می دهد تا در مورد زمین زیر گیرنده جی پی اس بیاموزند – به عنوان مثال، چه مقدار رطوبت در خاک وجود دارد یا چه مقدار برف روی سطح انباشته شده است. (هرچه برف بیشتری روی زمین ببارد، فاصله بین پژواک و گیرنده کمتر است.) ایستگاه های GPS می توانند به عنوان حسگرهای برف برای اندازه گیری عمق برف کار کنند، مانند مناطق کوهستانی که هر سال برف منبع اصلی آب است.
این تکنیک همچنین در قطب شمال و قطب جنوب، جایی که ایستگاه های هواشناسی کمی وجود دارند که بارش برف را در طول سال نظارت می کنند، به خوبی کار می کند. مت زیگفرید که اکنون در مدرسه معادن کلرادو در گلدن مشغول به کار است و همکارانش انباشت برف را در 23 ایستگاه GPS در غرب قطب جنوب از سال 2007 تا 2017 مورد مطالعه قرار دادند. آنها دریافتند که می توانند مستقیماً برف در حال تغییر را اندازه گیری کنند. این اطلاعات بسیار مهمی برای محققانی است که به دنبال ارزیابی میزان برف ورقه‌های یخی قطب جنوب در هر زمستان می‌باشند - و اینکه چگونه با آنچه در تابستان آب می‌شود مقایسه می‌شود.
4. احساس غرق شدن
جی پی اسممکن است به عنوان روشی برای اندازه گیری مکان در زمین جامد شروع شده باشد، اما معلوم می شود که در نظارت بر تغییرات سطح آب نیز مفید است.
در ماه جولای، جان گالتزکا، مهندس سازمان تحقیقات ژئوفیزیک UNAVCO در بولدر، کلرادو، خود را در حال نصب ایستگاه های GPS در بنگلادش، در محل اتصال رودخانه های گنگ و براهماپوترا دید. هدف این بود که اندازه‌گیری شود که آیا رسوبات رودخانه متراکم می‌شوند و زمین به آرامی در حال غرق شدن است یا خیر، که آن را در برابر سیل در طول طوفان‌های استوایی و افزایش سطح دریا آسیب‌پذیرتر می‌کند. Galetzka می گوید: «GPS ابزاری شگفت انگیز برای کمک به پاسخ به این سؤال و موارد دیگر است.
در یک جامعه کشاورز به نام سوناتالا، در لبه جنگل حرا، گالتزکا و همکارانش یکی را قرار دادند.جی پی اسایستگاه روی سقف سیمانی یک مدرسه ابتدایی. آنها ایستگاه دومی را در همان نزدیکی، بالای میله ای که در یک شالیزار برنج کوبیده شده بود، راه اندازی کردند. اگر زمین واقعاً در حال غرق شدن است، ایستگاه دوم GPS به نظر می رسد که به آرامی از زمین خارج می شود. و با اندازه‌گیری پژواک GPS در زیر ایستگاه‌ها، دانشمندان می‌توانند عواملی مانند میزان آب موجود در شالیزار برنج در طول فصل بارانی را اندازه‌گیری کنند.
گیرنده های جی پی اسحتی می تواند به اقیانوس شناسان و دریانوردان با عمل به عنوان اندازه گیر جزر و مد کمک کند. لارسون هنگام کار با داده های GPS از خلیج Kachemak در آلاسکا به این موضوع برخورد کرد. این ایستگاه برای مطالعه تغییر شکل زمین ساختی تأسیس شد، اما لارسون کنجکاو بود زیرا خلیج همچنین دارای برخی از بزرگترین تغییرات جزر و مدی در ایالات متحده است. او به سیگنال‌های جی‌پی‌اس که از روی آب و به سمت گیرنده پرتاب می‌شد، نگاه کرد و توانست تغییرات جزر و مدی را تقریباً با دقت یک اندازه‌گیر جزر و مد واقعی در بندرگاه نزدیک ردیابی کند.
این می‌تواند در بخش‌هایی از جهان که سنج‌های جزر و مد بلندمدت راه‌اندازی نشده‌اند مفید باشد – اما اتفاقاًایستگاه GPS در نزدیکی.
5. اتمسفر را تجزیه و تحلیل کنید
در نهایت،جی پی اسمی تواند اطلاعاتی را درباره آسمان بالای سر به دست بیاورد، به روشی که دانشمندان تا چند سال پیش امکان پذیر نبودند. بخار آب، ذرات باردار الکتریکی و عوامل دیگر می‌توانند سیگنال‌های GPS را در اتمسفر به تأخیر بیندازند و این به محققان اجازه می‌دهد تا اکتشافات جدیدی انجام دهند.
یک گروه از دانشمندان استفاده می کنندجی پی اسبرای مطالعه میزان بخار آب موجود در جو که به صورت باران یا برف رسوب می کند. محققان از این تغییرات برای محاسبه میزان احتمال سقوط آب از آسمان در باران‌های شدید استفاده کرده‌اند و به پیش‌بینی‌کنندگان این امکان را می‌دهند تا پیش‌بینی‌های خود را در مورد سیل‌های ناگهانی در مکان‌هایی مانند کالیفرنیای جنوبی تنظیم کنند. در طوفان جولای 2013، هواشناسان استفاده کردندجی پی اسداده‌هایی برای ردیابی رطوبت موسمی در حال حرکت در خشکی، که معلوم شد اطلاعاتی حیاتی برای صدور هشدار ۱۷ دقیقه قبل از وقوع سیل‌های ناگهانی است.
سیگنال های جی پی اسهمچنین هنگامی که آنها از طریق بخش باردار الکتریکی جو بالایی که به نام یونوسفر شناخته می شود، عبور می کنند، تحت تأثیر قرار می گیرند. دانشمندان استفاده کرده اندداده های جی پی اسبرای ردیابی تغییرات در یونوسفر به عنوان مسابقه سونامی در سراسر اقیانوس زیر. (نیروی سونامی باعث ایجاد تغییراتی در جو می شود که تا یونوسفر موج می زند.) این تکنیک روزی می تواند مکمل روش سنتی هشدار سونامی باشد که از شناورهای نقطه گذاری شده در سراسر اقیانوس برای اندازه گیری ارتفاع موج سفر استفاده می کند. .
و دانشمندان حتی توانسته اند اثرات خورشید گرفتگی کامل را با استفاده از آن مطالعه کنندجی پی اس. در آگوست 2017 استفاده کردندایستگاه های جی پی اسدر سراسر ایالات متحده برای اندازه‌گیری چگونگی کاهش تعداد الکترون‌ها در جو فوقانی با حرکت سایه ماه در سراسر قاره، کاهش نوری که در غیر این صورت الکترون‌ها را ایجاد می‌کرد.
بنابراینجی پی اسبرای همه چیز از لرزش زمین در زیر پای شما تا برف که از آسمان می بارد مفید است. بد نیست برای چیزی که فقط قرار بود به شما کمک کند راه خود را در شهر پیدا کنید.
این مقاله در اصل در مجله Knowable، یک تلاش روزنامه نگاری مستقل از Annual Reviews منتشر شد. برای خبرنامه ثبت نام کنید.
