Вы можете считать себя экспертом по передвижению в «городских джунглях», если у вас в руках смартфон с GPS. И вы вполне сможете найти дорогу даже безлюдной местности — конечно, если вы предварительно загрузили карты на свой девайс. Но вы, вероятно, все еще будете удивлены всем тем, что можно сделать с помощью GPS — системы глобального позиционирования, которая лежит в основе всей современной навигации.
За последнее десятилетие более быстрые и точные GPS-приемники позволили ученым пролить свет на то, как колеблется земля во время больших землетрясений. Благодаря GPS появились более совершенные системы предупреждения о стихийных бедствиях, таких как внезапные наводнения и извержения вулканов. И исследователи даже использовали некоторые GPS-приемники в качестве датчиков снега, датчиков приливов и других необычных инструментов для измерения Земли.
«Люди думали, что я сошла с ума, когда я начала говорить об всех этих приложениях привычного нам GPS», — говорит Кристин Ларсон, геофизик из Университета Колорадо в Боулдере, писавшая о GPS в Ежегодном обзоре Земли и планетарных наук.
Вот некоторые удивительные вещи, которые стали доступнее благодаря GPS.
Прогноз землетрясений
На протяжении веков геологи полагались на сейсмометры, которые измеряют, насколько сильно колеблется земля, чтобы оценить, насколько разрушительным будет землетрясение. Приемники GPS обычно служат для другой цели — они отслеживают геологические процессы, которые происходят в гораздо более медленных масштабах, например, таких как скорость, с которой литосферные плиты перемалывают друг друга в процессе, известном как тектоника плит. Таким образом, GPS может сообщить ученым скорость, с которой противоположные стороны разлома Сан-Андреас проползают мимо друг друга, в то время как сейсмометры измеряют сотрясение земли, когда этот калифорнийский разлом разрывается в результате землетрясения.
Большинство исследователей считали, что GPS просто не может измерять местоположение достаточно точно и быстро, чтобы быть полезным при оценке землетрясений. Но оказывается, что ученые могут «выжать» дополнительную информацию из сигналов, которые спутники GPS передают на Землю.
Эти сигналы можно разделить на два компонента. Один — уникальный для каждого спутника код, состоящий из нулей и единиц. Второй — это так называемый несущий сигнал с более короткой длиной волны, который передает нужную для определения геопозиции информацию со спутника. Поскольку несущий сигнал имеет более короткую длину волны — всего 20 сантиметров — по сравнению с длиной волны кода, которая может составлять десятки или сотни метров, он дает возможность определить точку на поверхности Земли максимально точно. Ученым, геодезистам, военным и другим людям часто необходимо очень точное определение местоположение, и все, что для этого требуется — это более сложный приемник GPS.
Инженеры также увеличили скорость, с которой GPS-приемники обновляют свое местоположение, до 20 раз в секунду и даже чаще. Как только ученые поняли, что они могут проводить точные измерения так быстро, они начали использовать GPS, чтобы исследовать, как земля движется во время землетрясений.
Все землетрясения с магнитудой 4.5 и выше всего за одну неделю в ноябре 2017 года. Да, они происходят чаще, чем нам хотелось бы.
В 2003 году, в одном из первых исследований такого рода, Ларсон и ее коллеги использовали GPS-приемники, установленные на западе Соединенных Штатов, чтобы изучить, как колебалась земля от землетрясения с магнитудой 7.9 на Аляске. В 2011 году исследователи смогли получить данные GPS о землетрясении с магнитудой 9.1, которое частично разрушило Японию, и показать, что морское дно сместилось на 60 метров во время этого катаклизма.
Сегодня ученые смотрят более широко на то, как данные GPS могут помочь им быстро оценить землетрясения. Диего Мельгар из Университета Орегона в Юджине и Гэвин Хейс из Геологической службы США в Голдене, штат Колорадо, ретроспективно изучили 12 сильных землетрясений, чтобы посмотреть, смогут ли они в течение нескольких секунд после его начала определить, насколько разрушительным оно будет. Изучив информацию со станций GPS вблизи эпицентров землетрясений, ученые научились в течение 10 секунд определять, будет ли это серьезный катаклизм с магнитудой 7 баллов, или же разрушительное землетрясение с магнитудой 9.
Исследователи на западном побережье США даже включили GPS в свою систему раннего оповещения о подземных толчках, которая обнаруживает сотрясения земли и уведомляет людей в близлежащих городах о том, что землетрясение, скорее всего, скоро ударит по ним. Чили строит свою сеть GPS-приемников, чтобы быстрее получать наиболее точную информацию о толчках, которая может помочь рассчитать, вызовет ли землетрясение у побережья цунами или нет.
Контроль за вулканами
Помимо землетрясений, скорость работы GPS помогает ученым быстрее реагировать на другие стихийные бедствия по мере их развития.
Например, многие вулканические обсерватории располагают GPS-приемниками, расположенными вокруг гор. Они контролируют то, как магма перемещается под землей, так как это часто вызывает смещение поверхности. Наблюдая за тем, как станции GPS вокруг вулкана поднимаются или опускаются со временем, исследователи могут лучше понять, где течет расплавленная порода.
Извержение Эйяфьядлайёкюдля.
Перед большим извержением вулкана Килауэа на Гавайях в прошлом году исследователи использовали GPS, чтобы смоделировать, как оно будет проходить. Власти использовали эту информацию, чтобы решить, из каких районов эвакуировать жителей.
Данные GPS также могут быть полезны даже после извержения вулкана. Поскольку сигналы распространяются от спутников к земле, они проходят через материал, который вулкан выбрасывает в атмосферу. В 2013 году несколько исследовательских групп изучили данные GPS при извержения вулкана Редут на Аляске четырьмя годами ранее и обнаружили, что сигналы искажались вскоре после начала извержения.
Изучая искажения, ученые смогли оценить, сколько пепла было выброшено в атмосферу и как быстро он перемещался. В своей статье Ларсон назвала это «новым способом обнаружения вулканических шлейфов».
Она и ее коллеги работают над тем, чтобы сделать это с помощью относительно дешевых смартфонов с GPS, без использования дорогих научных приемников. Это может позволить вулканологам установить недорогую сеть GPS-приемников и отслеживать потоки пепла по мере их подъема в атмосфере. Вулканический пепел является большой проблемой для самолетов, которые вынуждены облетать облака из него, чтобы не рисковать реактивными двигателями.
Зондирование снежного покрова
Некоторые из самых неожиданных применений GPS происходят из отраженных частей его сигнала — тех, которые отскакивают от земли. Типичный GPS-приемник, такой как в вашем смартфоне, в основном принимает сигналы, поступающие непосредственно от спутников GPS на орбите. Но он также улавливает сигналы, которые отражаются от земли в ваш гаджет.
В течение многих лет ученые думали, что эти отраженные сигналы — не что иное, как шум, своего рода эхо, которое запутывает данные и затрудняет геопозиционирование. Но около 15 лет назад Ларсон и другие ученые начали задаваться вопросом, могут ли они воспользоваться этим эхом в научных целях. Она начала изучать частоты сигналов, которые отражались от земли, и то, как они сочетались с сигналами, которые поступали прямо на приемник. Из этих данных она смогла вывести свойства поверхности, от которой отразился сигнал.
Этот подход позволяет ученым узнать о поверхности под GPS-приемником, например, сколько влаги содержится в почве или сколько на ней скопилось снега (чем больше снега падает на землю, тем меньше разница между отраженным и прямым сигналами). GPS-станции могут работать в качестве датчиков для измерения глубины снега, например, в горных районах, где снежный покров является основным водным ресурсом каждый год.
Антарктический полевой лагерь, используемый Британской антарктической службой. Штатив справа держит антенну базовой станции GPS.
Метод также хорошо работает в Арктике и Антарктиде, где мало метеорологических станций, наблюдающих за снегопадами круглый год. Мэтт Зигфрид, который сейчас учится в Колорадской горной школе в Голдене, и его коллеги изучали накопление снега на 23 станциях GPS в Западной Антарктиде с 2007 по 2017 год. Они обнаружили, что могут непосредственно измерять изменение снежного покрова. Это важная информация для исследователей, желающих оценить, сколько снега накапливает ледяной покров Антарктики каждую зиму, и как это соотносится с тем, что тает каждое лето.
Измерение уровня воды
В июле этого года Джон Галетцка, инженер исследовательской организации UNAVCO по геофизике в Боулдере, штат Колорадо, устанавливал станции GPS в Бангладеше, на стыке рек Ганг и Брахмапутра. Цель состояла в том, чтобы узнать, уплотняются ли речные отложения и как быстро опускается земля: это делает ее более уязвимой к смыву при наводнениях во время тропических циклонов или при повышения уровня моря. «GPS — удивительный инструмент, который может ответить на этот и многие другие вопросы», — говорит Галетцка.
В фермерском сообществе Сонатала, на окраине мангрового леса, Галетцка и его коллеги разместили одну GPS-станцию на бетонной крыше начальной школы. Вторую станцию они установили поблизости, на вершине прута, вбитого в рисовое поле. Если земля действительно проседает, то вторая станция GPS будет выглядеть так, как будто она медленно выходит из земли. И, изучая эхо-сигналы GPS, ученые могут измерить такие факторы, как количество воды, стоящей на рисовых полях во время сезона дождей.
Приемники GPS могут помочь океанографам и морякам, выступая в качестве измерителей высоты приливов. Ларсон наткнулась на это, работая с GPS-данными из залива Качемак, Аляска. Станция была создана для изучения тектонических деформаций, но Ларсон решила рассмотреть полученные данные с другой стороны, зная, что в этой бухте одни из самых высоких приливов в США. Она выделила отраженные от воды сигналы GPS, и смогла отследить приливы почти так же точно, как и реальный датчик приливов в соседней гавани.
Это может быть полезно в тех частях света, где не настроены долговременные датчики приливов, но поблизости есть станции GPS.
Анализ атмосферы
Наконец, GPS может выдавать информацию об атмосфере над приемником. Водяной пар, электрически заряженные частицы и другие факторы могут задерживать сигналы GPS, проходящие через атмосферу, что позволяет исследователям изучить последнюю.
Одна группа ученых использует GPS для изучения количества водяного пара в атмосфере, который может осаждаться в виде дождя или снега. Исследователи использовали изменения в сигналах GPS, чтобы рассчитать, сколько воды, вероятно, прольется с неба в ливнях, что позволяет более точно предсказывать внезапные наводнений в таких местах, как Южная Калифорния. Во время июльского шторма 2013 года метеорологи использовали данные GPS для отслеживания муссонов, что оказалось важной информацией для выдачи предупреждения за 17 минут до внезапного наводнения.
Сигналы GPS также изменяются, когда они проходят через электрически заряженную часть верхней атмосферы, известной как ионосфера. Ученые использовали данные GPS для отслеживания изменений в ионосфере, когда цунами прокатываются через океан (сила цунами вызывает изменения в атмосфере, которые распространяются вплоть до ионосферы). Однажды эта техника сможет дополнить традиционный метод предупреждения цунами, использующий буи, разбросанные по всему океану для измерения высоты бегущей волны.
И ученые даже смогли изучить эффекты полного солнечного затмения с помощью GPS. В августе 2017 года они использовали GPS-станции в Соединенных Штатах, чтобы измерить, как количество электронов в верхних слоях атмосферы уменьшалось по мере того, как тень Луны перемещалась по континенту, затемняя свет, который продуировал их.
Таким образом, GPS полезен для очень многого, от измерения подземных толчков до изучения атмосферы. Неплохо для технологии, которую мы привыкли ежедневно использовать только лишь для навигации.
