Сегодня GPS применяется не только как спутниковая система навигации для определения точного положения объектов в пространстве или как дорожный навигатор. Ученые используют возможности системы для получения сигналов, возникающих при движении и разломах тектонических плит, а также для отслеживания движения ледников.
Но этим все не ограничивается. Теперь, когда GPS покрывает всю планету, а потоки данных можно обрабатывать в реальном времени, возникло много новых применений системы.
Прогнозирование землетрясений и цунами
Интерес к возможностям GPS в этой области возник после землетрясения на Суматре, произошедшего в 2004 году.
Сегодня GPS-приемник может обновлять местоположение более 20 раз в секунду, что позволяет ученым в течение 10 секунд определить, будет ли землетрясение магнитудой 7 баллов или разрушительной магнитудой 9 баллов. Исследователи на западном побережье США даже включили GPS в свою систему раннего оповещения о землетрясениях людей в отдаленных городах. В Чили также строится своя сеть GPS, чтобы быстрее получать более точную информацию и просчитывать вероятность цунами.
Доступ к точным оценкам движения грунта продолжает оставаться основным вкладом GPS в системы предупреждения о ранних землетрясениях и цунами. Вместе с этим предупреждением о надвигающимся цунами служат данные GPS о гравитационных волнах. Уже существующие разработки способны определить скорость и направление бегущих волн. В перспективе эти новые результаты на основе GPS должны использоваться с данными от датчиков на дне океана для улучшения алгоритмов предупреждения о цунами.
Отслеживание извержений вулканов
Движение магмы часто приводит к смещению земной поверхности. Наблюдая за тем, как GPS-станции вокруг вулкана поднимаются или опускаются, исследователи могут лучше понять, как распределяется расплавленная порода и решить, из каких районов эвакуировать жителей.
Многие вулканические обсерватории используют GPS-приемники для измерения деформации земной коры, связанной с инфляцией и дефляцией кальдеры. Изменения в координатах GPS предоставляют информацию о процессах в магматическом источнике, например об изменениях давления. Недавнее исследование вулкана Гримсвотн (Исландия), показало очень сильное соответствие между высотой шлейфа и смоделированными геодезическими изменениями положения.
Данные GPS могут быть полезны даже после извержения. В 2013 году, изучая искажения сигналов вскоре после начала извержения вулкана Редаут на Аляске, ученые открыли новый способ обнаружения вулканических перьев. Это важно для авиации: вулканические перья — источник засорения реактивных двигателей самолетов.
Измерение глубины снега
Это неожиданное применение GPS стало возможным благодаря самым «грязным» частям сигнала, отскакивающим от земли. Обычный GPS-приемник, как в смартфоне, в основном принимает сигналы, поступающие сверху непосредственно от спутников GPS. Но он также улавливает сигналы, отражающиеся от земли, по которой вы идете, и отображает их на смартфоне.
В течение многих лет ученые думали, что эти отраженные сигналы — не что иное, как шум, своего рода эхо, которое затрудняет понимание поступающих данных. Но около 15 лет назад Ларсон вместе с коллегами начали исследовать частоты сигналов, которые отражались от земли, и как они сочетались с сигналами, поступающими прямо на приемник. Оказалось, что данные точно описывают свойства поверхности, от которой отразилось эхо. Например, сколько влаги содержится в почве или сколько снега скопилось на поверхности, чем больше выпало снега, тем короче расстояние между эхом и приемником.
Сегодня GPS-станции работают в качестве датчиков глубины снега в горных районах, где снежный покров является основным водным ресурсом каждый год. Техника также используется в Арктике и Антарктиде, где мало метеорологических станций, наблюдающих за снегопадом круглый год.
Но есть ограничение: подобные GPS-станции, отслеживающие самые малые сдвиги поверхности, требуют продолжительной постоянной фиксации на поверхности.
Наблюдение уровня воды
GPS также пригоден для мониторинга изменений уровня воды. В фермерском сообществе Сонатала (Бангладеш) исследователи разместили GPS-станции на окраине мангрового леса. Измеряя эхо-сигналы под станциями, они смогли оценить количество воды, стоящей на рисовых полях во время сезона дождей.
Приемники GPS могут помочь даже океанографам и морякам, выступая в качестве измерителей прилива. Особенно в тех частях света, где не настроены долговременные датчики приливов, но есть станция GPS.
Анализ атмосферы
Водяной пар, электрически заряженные частицы и другие факторы могут задерживать прохождение сигналов GPS через атмосферу, что позволяет делать новые открытия. Во время шторма в июле 2013 года метеорологи использовали данные GPS для отслеживания перемещения муссонной влаги по суше и смогли предупредить власти за 17 минут до того, как произошло наводнение.
На сигналы GPS также влияет прохождение через электрически заряженную часть верхних слоев атмосферы — ионосферу. Ученые использовали данные GPS для отслеживания изменений в ионосфере, когда цунами проходит по дну океана. (Сила цунами вызывает изменения в атмосфере, которые распространяются вплоть до ионосферы.) Когда-нибудь эта техника дополнит традиционный метод предупреждения о цунами, использующий буи, разбросанные по всему океану, для измерения высоты бегущей волны.
Подробнее о всех возможностях GPS можно узнать тут.
