GPS的作用比你想象的要大

2019-11-01 09:22:34

你可能认为自己是在城市交通中导航的专家,身边有智能手机。你甚至可以带着GPS设备在野外徒步旅行。但是你可能仍然会对gps(全球定位系统,现代导航的基础)所能做的一切感到惊讶。

全球定位系统由一组卫星组成,它们向地球表面发送信号。一个基本的GPS接收器,就像你的智能手机一样,通过测量来自四个或更多卫星的信号到达时间,来决定你在1到10米内的位置。有了更高级(也更昂贵)的GPS接收器,科学家可以精确定位到厘米甚至毫米的位置。利用这些精细的信息,再加上分析信号的新方法,研究人员发现,GPS可以告诉他们更多关于地球的信息,比他们最初认为的要多得多。

在过去的十年里,更快、更精确的GPS设备使科学家们能够了解大地在大地震中是如何移动的。全球定位系统(GPS)已经为突发洪水和火山爆发等自然灾害提供了更好的预警系统。研究人员甚至将一些GPS接收器改装成雪传感器、测潮仪和其他意想不到的测量地球的工具。

“当我开始谈论这些应用时,人们认为我疯了,”科罗拉多大学博尔德分校(University of Colorado Boulder)的地球物理学家克里斯汀•拉森(Kristine Larson)说。“嗯,结果我们做到了。”

以下是科学家们最近才意识到他们可以利用GPS做的一些令人惊讶的事情。

几个世纪以来,地球科学家一直依靠地震检波器来评估地震的强度和强度。GPS接收器还有一个不同的用途——跟踪发生在更慢尺度上的地质过程,比如地球上巨大的地壳板块相互摩擦的速度,这个过程被称为板块构造学。因此,GPS可能会告诉科学家圣安地列斯断层的两个相对的侧面相互蠕动的速度,而地震检波器则测量加州断层在地震中断裂时的地动情况。

大多数研究人员认为,GPS无法足够准确、足够迅速地测量位置,因此无法用于评估地震。但事实证明,科学家可以从GPS卫星传送到地球的信号中获取额外的信息。

这些信号由两部分组成。一个是独特的1和0的序列,即每个GPS卫星传输的代码。第二种是较短波长的“载波”信号,从卫星上传输代码。由于载波信号的波长较短(只有20厘米),而编码的波长较长(可达数十米或数百米),因此载波信号提供了一种精确定位地球表面某一地点的高分辨率方法。科学家、测量员、军事人员和其他人员常常需要非常精确的GPS定位,而这只需要一个更复杂的GPS接收器。

工程师们还提高了GPS接收器更新位置的速度,这意味着它们每秒钟可以刷新20次甚至更多。一旦研究人员意识到他们可以如此迅速地进行精确测量,他们就开始使用GPS来检测地震期间地面的移动情况。

2003年,在一项同类研究中,拉森和她的同事使用遍布美国西部的GPS接收器来研究阿拉斯加7.9级地震引起的地震波如何波及地面。到2011年,研究人员获得了日本9.1级地震的GPS数据,显示地震期间海底移动了惊人的60米。

今天,科学家们正在更广泛地研究GPS数据如何帮助他们快速评估地震。俄勒冈大学尤金分校的Diego Melgar和美国科罗拉多州戈尔登地质调查局的Gavin Hayes回顾研究了12次大地震,看看他们是否能在地震开始的几秒钟内就知道地震会有多大。通过包括来自震中附近的GPS定位站的信息,科学家们可以在10秒内确定这次地震是破坏性的7级还是完全破坏性的9级。

美国西海岸的研究人员甚至将GPS整合到他们刚刚起步的地震预警系统中,该系统可以探测到地面的震动,并通知遥远城市的人们是否很快就会受到震动。智利一直在建设其GPS网络,以便更快地获得更准确的信息,这有助于计算沿海地区的地震是否可能引发海啸。

除了地震之外,GPS的速度还帮助官员们在其他自然灾害发生时更快地做出反应。

例如,许多火山观测站在其监测的山体周围布置了GPS接收器,因为当岩浆开始在地下移动时,通常也会导致地表移动。通过监测全球定位系统(GPS)在火山周围的位置随着时间的推移是上升还是下降,研究人员可以更好地了解熔岩在哪里流动。

在去年夏威夷基拉韦厄火山大爆发之前,研究人员使用GPS了解火山的哪些部分移动最快。官员们利用这些信息来帮助决定疏散哪些地区的居民。

即使在火山爆发后,GPS数据也很有用。因为这些信号是从卫星传送到地面的,所以它们必须经过火山喷发到空中的任何物质。2013年,几个研究小组研究了四年前阿拉斯加棱堡火山喷发时的GPS数据,发现喷发开始后不久,GPS信号就被扭曲了。

通过研究这些变形,科学家们可以估计出喷出的火山灰有多少,以及移动的速度有多快。在随后的一篇论文中,拉森称其为“一种探测火山羽流的新方法”。

她和她的同事们一直在研究如何用智能手机的GPS接收器而不是昂贵的科学接收器来实现这一点。这将使火山学家能够建立一个相对便宜的GPS网络,并在火山灰上升时监测它们。火山羽流对飞机来说是个大问题,飞机必须绕着火山灰飞行,而不是冒着火山灰颗粒堵塞飞机引擎的风险。

GPS最意想不到的用途来自其信号中最混乱的部分——那些从地面反弹的部分。

一个典型的GPS接收器,就像你的智能手机一样,主要接收来自头顶上的GPS卫星的信号。但它也能接收到在你脚下反弹的信号,并反射到你的智能手机上。

多年来,科学家们一直认为这些反射的信号不过是噪音,是一种干扰数据的回声,很难弄清楚到底发生了什么。但是大约15年前,拉森和其他人开始思考他们是否可以利用科学GPS接收器的回声。她开始研究反射到地面的信号的频率,以及这些信号如何与直接到达接收器的信号相结合。她可以从表面推断出回声被反射了。“我们只是逆向工程那些回声,”拉森说。

这种方法可以让科学家了解GPS接收器下的地面——例如,土壤中有多少水分或者地表上有多少积雪。(地上的雪越多,回声和接收器之间的距离越短。)全球定位系统(GPS)站可以作为雪传感器来测量雪的深度,比如在山区,积雪是每年的主要水源。

这项技术在北极和南极也很有效,因为那里很少有气象站全年监测降雪。马特·西格弗里德(Matt Siegfried)现在在戈尔登的科罗拉多矿业学院(Colorado School of Mines)工作。他们发现他们可以直接测量变化的雪。对研究人员来说,这是评估南极冰盖每年冬天积雪量的关键信息,以及如何与每年夏天融化的积雪进行比较。

GPS最初可能是作为一种测量地面位置的方法,但它在监测水位变化方面也很有用。

今年7月,科罗拉多州博尔德市(Boulder)的ununco地球物理研究组织的工程师约翰·加莱茨卡(John Galetzka)在位于恒河和雅鲁藏布江交界处的孟加拉国安装了GPS定位系统。他们的目标是测量河流沉积物是否被压实,陆地是否正在缓慢下沉——这使得它在热带气旋和海平面上升期间更容易遭受洪水袭击。“GPS是一个帮助回答这个问题的神奇工具,”Galetzka说。

在一个叫Sonatala的农业社区,在一片红树林的边缘,Galetzka和他的同事在一所小学的混凝土屋顶上放置了一个GPS定位系统。他们在附近建立了第二站,站在一根钉成稻田的杆子上。如果地面真的在下沉,那么第二个GPS站看起来就像是慢慢地从地面升起。通过测量站下的GPS回声,科学家们可以测量一些因素,比如雨季时稻田里有多少水。

GPS接收器甚至可以充当验潮仪,帮助海洋学家和海员。拉森在研究阿拉斯加Kachemak湾的GPS数据时偶然发现了这一点。该观测站的建立是为了研究构造变形,但拉森很好奇,因为该海湾也有一些美国最大的潮汐变化。她观察了从水面反射到接收器上的GPS信号,能够像附近港口的真实验潮仪一样准确地跟踪潮汐变化。

这可能对世界上没有长期验潮仪的地方有帮助,但附近正好有一个GPS站。

最后,GPS可以梳理出关于天空的信息,科学家们直到几年前才认为这是可能的。水蒸气、带电粒子和其他因素可以延迟GPS信号在大气中的传播,这使得研究人员有了新的发现。

一组科学家使用GPS来研究大气中可以沉淀成雨或雪的水蒸气的数量。研究人员利用这些变化计算了倾盆大雨中可能会有多少水从天上掉下来,从而使预报员能够对南加州等地的暴洪预测进行微调。在2013年7月的一场风暴中,气象学家利用GPS数据追踪了向海岸移动的季风水汽,结果发现,这是在山洪暴发前17分钟发布预警的关键信息。

当GPS信号通过上层大气带电部分——电离层时,也会受到影响。科学家们利用GPS数据来跟踪电离层的变化,因为海啸会在电离层以下的海洋中蔓延。(海啸的力量造成了大气的变化,波及到电离层。)这项技术有一天可能会成为传统海啸预警方法的补充。传统的预警方法是用浮标散布在海洋上来测量行波的高度。

科学家们甚至能够利用GPS研究日全食的影响。2017年8月,他们利用美国各地的GPS监测站来测量当月球的阴影穿过大陆时,上层大气中的电子数量是如何减少的,从而使原本产生电子的光线变暗。

所以GPS对任何事情都很有用,从你脚下的地动山摇到天上的雪花。这东西本来是用来帮你找路的。

这篇文章最初发表在《可知》杂志上,这是一篇独立的新闻评论文章。订阅时事通讯。

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