Je denkt misschien dat je een expert bent in het navigeren door het stadsverkeer, met je smartphone aan je zijde. Je zou zelfs kunnen wandelen met eenGPS-apparaatom je weg te vinden door het achterland. Maar je zou waarschijnlijk nog steeds verbaasd zijn over alle dingen die dat met zich meebrengtGPS– het mondiale positioneringssysteem dat ten grondslag ligt aan alle moderne navigatie – kan dat.
GPSbestaat uit een constellatie van satellieten die signalen naar het aardoppervlak sturen. Een basisGPS-ontvanger, zoals die op uw smartphone, bepaalt waar u zich bevindt – binnen een straal van ongeveer 1 tot 10 meter – door de aankomsttijd te meten van signalen van vier of meer satellieten. Met liefhebber (en duurder)GPS-ontvangerskunnen wetenschappers hun locaties tot op centimeters of zelfs millimeters nauwkeurig bepalen. Met behulp van die fijnkorrelige informatie, samen met nieuwe manieren om de signalen te analyseren, ontdekken onderzoekers dat GPS hen veel meer over de planeet kan vertellen dan ze aanvankelijk dachten.
De afgelopen tien jaar sneller en nauwkeurigerGPS-apparatenhebben wetenschappers in staat gesteld te verduidelijken hoe de grond beweegt tijdens grote aardbevingen.GPSheeft geleid tot betere waarschuwingssystemen voor natuurrampen zoals plotselinge overstromingen en vulkaanuitbarstingen. En onderzoekers hebben er zelfs enkele MacGyveredGPS-ontvangerstot sneeuwsensoren, getijdenmeters en andere onverwachte hulpmiddelen voor het meten van de aarde.
“Mensen dachten dat ik gek was toen ik over deze toepassingen begon te praten”, zegt Kristine Larson, een geofysicus aan de Universiteit van Colorado Boulder die veel van de ontdekkingen heeft geleid en erover schreef in de 2019 Annual Review of Earth and Planetary Sciences. “Nou, het bleek dat we het konden.”
Hier zijn enkele verrassende dingen waarvan wetenschappers pas onlangs beseften dat ze er iets mee konden doenGPS.
1. VOEL EEN AARDBEVING
Eeuwenlang hebben geowetenschappers vertrouwd op seismometers, die meten hoeveel de grond trilt, om te beoordelen hoe groot en hoe erg een aardbeving is.GPSontvangers dienden een ander doel: het volgen van geologische processen die op veel langzamere schaal plaatsvinden, zoals de snelheid waarmee de grote aardkorstplaten langs elkaar schuren in het proces dat bekend staat als platentektoniek. DusGPSzouden wetenschappers de snelheid kunnen vertellen waarmee de tegenovergestelde zijden van de San Andreas-breuk langs elkaar heen kruipen, terwijl seismometers de grondbewegingen meten wanneer die Californische breuk tijdens een aardbeving scheurt.
Dat dachten de meeste onderzoekersGPSkonden eenvoudigweg niet nauwkeurig genoeg en snel genoeg locaties meten om bruikbaar te zijn bij het beoordelen van aardbevingen. Maar het blijkt dat wetenschappers extra informatie kunnen halen uit de signalen die GPS-satellieten naar de aarde zenden.
Deze signalen komen in twee componenten binnen. Eén daarvan is de unieke reeks van enen en nullen, bekend als de code, die elkGPSsatelliet uitzendt. De tweede is een ‘draaggolf’-signaal met een kortere golflengte dat de code van de satelliet verzendt. Omdat het draaggolfsignaal een kortere golflengte heeft (slechts 20 centimeter) vergeleken met de langere golflengte van de code, die tientallen of honderden meters kan zijn, biedt het draaggolfsignaal een manier met hoge resolutie om een plek op het aardoppervlak te lokaliseren. Wetenschappers, landmeters, het leger en anderen hebben vaak een zeer nauwkeurige GPS-locatie nodig, en het enige dat daarvoor nodig is, is een ingewikkeldere GPS-ontvanger.
Ingenieurs hebben ook de snelheid verbeterdGPSontvangers werken hun locatie bij, wat betekent dat ze zichzelf wel 20 keer per seconde of vaker kunnen vernieuwen. Toen onderzoekers zich eenmaal realiseerden dat ze zo snel nauwkeurige metingen konden uitvoeren, begonnen ze GPS te gebruiken om te onderzoeken hoe de grond bewoog tijdens een aardbeving.
In 2003 gebruikten Larson en haar collega's in een van de eerste onderzoeken in zijn soort GPS-ontvangers verspreid over het westen van de Verenigde Staten om te bestuderen hoe de grond verschoof toen seismische golven golfden na een aardbeving met een kracht van 7,9 in Alaska. In 2011 konden onderzoekers GPS-gegevens verzamelen over de aardbeving met een kracht van 9,1 die Japan verwoestte en aantonen dat de zeebodem tijdens de aardbeving maar liefst 60 meter was verschoven.
Tegenwoordig kijken wetenschappers breder naar hoeGPS-gegevenskan hen helpen aardbevingen snel te beoordelen. Diego Melgar van de Universiteit van Oregon in Eugene en Gavin Hayes van de US Geological Survey in Golden, Colorado, bestudeerden retrospectief twaalf grote aardbevingen om te zien of ze binnen enkele seconden na het begin van de aardbeving konden voorspellen hoe groot deze zou worden. Door informatie van GPS-stations in de buurt van de epicentra van de aardbevingen op te nemen, konden de wetenschappers binnen 10 seconden bepalen of de aardbeving een schadelijke magnitude van 7 of een volledig destructieve magnitude 9 zou hebben.
Onderzoekers langs de Amerikaanse westkust zijn er zelfs mee bezig geweestGPSin hun jonge waarschuwingssysteem voor aardbevingen, dat grondschokken detecteert en mensen in afgelegen steden waarschuwt of ze binnenkort waarschijnlijk zullen worden getroffen. En Chili heeft zijn land uitgebouwdGPSnetwerk om sneller over nauwkeurigere informatie te beschikken, wat kan helpen berekenen of een aardbeving nabij de kust waarschijnlijk een tsunami zal veroorzaken of niet.
2. MONITOR EEN VULKAAN
Naast aardbevingen is de snelheid vanGPShelpt ambtenaren sneller te reageren op andere natuurrampen terwijl deze zich voordoen.
Veel vulkaanobservatoria hebben dat bijvoorbeeldGPSontvangers die rond de bergen zijn opgesteld die ze in de gaten houden, want wanneer magma ondergronds begint te verschuiven, zorgt dit er vaak voor dat ook het oppervlak verschuift. Door te volgen hoe GPS-stations rond een vulkaan in de loop van de tijd stijgen of dalen, kunnen onderzoekers een beter idee krijgen van waar gesmolten gesteente stroomt.
Vóór de grote uitbarsting van de Kilauea-vulkaan op Hawaï vorig jaar gebruikten onderzoekers ditGPSom te begrijpen welke delen van de vulkaan het snelst verschoven. Ambtenaren gebruikten die informatie om te beslissen uit welke gebieden de bewoners moesten worden geëvacueerd.
GPS-gegevenskan ook nuttig zijn, zelfs nadat een vulkaan is uitgebarsten. Omdat de signalen van satellieten naar de grond reizen, moeten ze door het materiaal gaan dat de vulkaan de lucht in werpt. In 2013 hebben verschillende onderzoeksgroepen onderzoek gedaanGPS-gegevensvan een uitbarsting van de Redoubt-vulkaan in Alaska vier jaar eerder en ontdekte dat de signalen kort na het begin van de uitbarsting vervormd raakten.
Door de vervormingen te bestuderen, konden de wetenschappers schatten hoeveel as er was uitgestoten en hoe snel deze zich voortbewoog. In een daaropvolgende paper noemde Larson het “een nieuwe manier om vulkanische pluimen te detecteren.”
Zij en haar collega's hebben gewerkt aan manieren om dit te doen met een verscheidenheid aan smartphonesGPS-ontvangersin plaats van dure wetenschappelijke ontvangers. Dat zou vulkanologen in staat kunnen stellen een relatief goedkoop GPS-netwerk op te zetten en aspluimen te monitoren terwijl ze stijgen. Vulkanische pluimen vormen een groot probleem voor vliegtuigen, die rond de as moeten vliegen in plaats van het risico te lopen dat de deeltjes hun straalmotoren verstoppen.
3. SONDE DE SNEEUW
Enkele van de meest onverwachte toepassingen vanGPSkomen uit de meest rommelige delen van het signaal: de delen die van de grond stuiteren.
Een typischGPS-ontvanger, zoals die op je smartphone, pikt vooral signalen op die rechtstreeks afkomstig zijnGPSsatellieten boven. Maar het vangt ook signalen op die op de grond waarop u loopt weerkaatst worden en weerkaatst worden op uw smartphone.
Jarenlang dachten wetenschappers dat deze gereflecteerde signalen niets anders waren dan ruis, een soort echo die de gegevens vertroebelde en het moeilijk maakte om erachter te komen wat er aan de hand was. Maar ongeveer vijftien jaar geleden begonnen Larson en anderen zich af te vragen of ze voordeel konden halen uit de echo's in wetenschappelijke GPS-ontvangers. Ze begon te kijken naar de frequenties van de signalen die door de grond weerkaatsten en hoe deze gecombineerd werden met de signalen die rechtstreeks bij de ontvanger waren aangekomen. Daaruit kon ze eigenschappen van het oppervlak afleiden waartegen de echo's waren teruggekaatst. “We hebben die echo’s gewoon reverse-engineered”, zegt Larson.
Door deze aanpak kunnen wetenschappers meer te weten komen over de grond onder de GPS-ontvanger, bijvoorbeeld hoeveel vocht de grond bevat of hoeveel sneeuw zich op het oppervlak heeft verzameld. (Hoe meer sneeuw er op de grond valt, hoe korter de afstand tussen de echo en de ontvanger.) GPS-stations kunnen werken als sneeuwsensoren om de sneeuwdiepte te meten, zoals in berggebieden waar sneeuwlagen elk jaar een belangrijke waterbron vormen.
De techniek werkt ook goed in het Noordpoolgebied en Antarctica, waar er weinig weerstations zijn die het hele jaar door sneeuwval monitoren. Matt Siegfried, nu verbonden aan de Colorado School of Mines in Golden, en zijn collega's bestudeerden de sneeuwaccumulatie op 23 GPS-stations in West-Antarctica van 2007 tot 2017. Ze ontdekten dat ze de veranderende sneeuw direct konden meten. Dat is cruciale informatie voor onderzoekers die willen beoordelen hoeveel sneeuw de Antarctische ijskap elke winter opbouwt – en hoe dat zich verhoudt tot wat er elke zomer wegsmelt.
4. VOEL EEN ZINKEN
GPSis misschien begonnen als een manier om de locatie op vaste grond te meten, maar het blijkt ook nuttig te zijn bij het monitoren van veranderingen in waterstanden.
In juli installeerde John Galetzka, een ingenieur bij de geofysica-onderzoeksorganisatie UNAVCO in Boulder, Colorado, GPS-stations in Bangladesh, op de kruising van de rivieren de Ganges en de Brahmaputra. Het doel was om te meten of de riviersedimenten aan het verdichten zijn en of het land langzaam zinkt, waardoor het kwetsbaarder wordt voor overstromingen tijdens tropische cyclonen en zeespiegelstijging. “GPS is een geweldig hulpmiddel om deze vraag en meer te helpen beantwoorden”, zegt Galetzka.
In een boerengemeenschap genaamd Sonatala, aan de rand van een mangrovebos, plaatsten Galetzka en zijn collega's er eenGPSstation op het betonnen dak van een basisschool. Ze zetten een tweede station vlakbij op, bovenop een staaf die in een rijstveld was geslagen. Als de grond werkelijk aan het zinken is, zal het tweede GPS-station eruit zien alsof het langzaam uit de grond komt. En door de GPS-echo's onder de stations te meten, kunnen de wetenschappers factoren meten zoals hoeveel water er tijdens het regenseizoen in het rijstveld staat.
GPS-ontvangerskan zelfs oceanografen en zeelieden helpen door als getijdenmeters te fungeren. Larson kwam dit tegen toen hij werkte met GPS-gegevens uit Kachemak Bay, Alaska. Het station werd opgericht om tektonische vervorming te bestuderen, maar Larson was nieuwsgierig omdat de baai ook enkele van de grootste getijdenvariaties in de Verenigde Staten kent. Ze keek naar de GPS-signalen die van het water naar de ontvanger weerkaatsten, en kon getijdenveranderingen bijna net zo nauwkeurig volgen als een echte getijdenmeter in een nabijgelegen haven.
Dit zou nuttig kunnen zijn in delen van de wereld waar geen getijdenmeters voor de lange termijn zijn opgezet, maar die wel eenGPS-station in de buurt.
5. ANALYSEER DE ATMOSFEER
Eindelijk,GPSkan informatie over de hemel boven ons hoofd verzamelen, op manieren die wetenschappers tot een paar jaar geleden niet voor mogelijk hadden gehouden. Waterdamp, elektrisch geladen deeltjes en andere factoren kunnen GPS-signalen vertragen die door de atmosfeer reizen, waardoor onderzoekers nieuwe ontdekkingen kunnen doen.
Eén groep wetenschappers gebruiktGPSom de hoeveelheid waterdamp in de atmosfeer te bestuderen die beschikbaar is om neer te slaan als regen of sneeuw. Onderzoekers hebben deze veranderingen gebruikt om te berekenen hoeveel water er waarschijnlijk uit de lucht zal vallen tijdens hevige regenbuien, waardoor voorspellers hun voorspellingen over plotselinge overstromingen in plaatsen als Zuid-Californië kunnen verfijnen. Tijdens een storm in juli 2013 gebruikten meteorologenGPSgegevens om het moessonvocht dat zich daar aan land verplaatst te volgen, wat cruciale informatie bleek te zijn voor het geven van een waarschuwing 17 minuten voordat plotselinge overstromingen toesloegen.
GPS-signalenworden ook beïnvloed wanneer ze door het elektrisch geladen deel van de bovenste atmosfeer reizen, bekend als de ionosfeer. Wetenschappers hebben gebruiktGPS-gegevensom veranderingen in de ionosfeer te volgen terwijl tsunami's over de oceaan beneden razen. (De kracht van de tsunami veroorzaakt veranderingen in de atmosfeer die helemaal tot aan de ionosfeer rimpelen.) Deze techniek zou op een dag een aanvulling kunnen zijn op de traditionele methode van tsunami-waarschuwing, waarbij gebruik wordt gemaakt van boeien verspreid over de oceaan om de hoogte van de lopende golf te meten. .
En wetenschappers hebben zelfs de effecten van een totale zonsverduistering kunnen bestuderen met behulp vanGPS. In augustus 2017 gebruikten zeGPS-stations across the United States to measure how the number of electrons in the upper atmosphere dropped as the moon’s shadow moved across the continent, dimming the light that otherwise created electrons.
DusGPSis handig voor alles, van het trillen van de grond onder je voeten tot sneeuw die uit de lucht valt. Niet slecht voor iets dat je alleen maar moest helpen de weg door de stad te vinden.
Dit artikel verscheen oorspronkelijk in Knowable Magazine, een onafhankelijk journalistiek initiatief van Annual Reviews. Meld u aan voor de nieuwsbrief.
