Mit dem Smartphone an Ihrer Seite denken Sie vielleicht, dass Sie ein Experte darin sind, sich im Stadtverkehr zurechtzufinden. Vielleicht wandern Sie sogar mit einemGPS-Gerätum deinen Weg durch das Hinterland zu finden. Aber Sie wären wahrscheinlich immer noch überrascht über all die Dinge, die es gibtGPS– das globale Positionierungssystem, das der gesamten modernen Navigation zugrunde liegt – kann dies tun.
GPSbesteht aus einer Konstellation von Satelliten, die Signale an die Erdoberfläche senden. Ein BasicGPS-Empfänger, wie das in Ihrem Smartphone, bestimmt Ihren Standort auf etwa 1 bis 10 Meter genau, indem es die Ankunftszeit von Signalen von vier oder mehr Satelliten misst. Mit schickeren (und teureren)GPS-EmpfängerWissenschaftler können ihre Standorte auf Zentimeter oder sogar Millimeter genau bestimmen. Mithilfe dieser feinkörnigen Informationen und neuer Möglichkeiten zur Analyse der Signale entdecken Forscher, dass GPS ihnen viel mehr über den Planeten sagen kann, als sie ursprünglich dachten.
Im letzten Jahrzehnt schneller und genauerGPS-Gerätehaben es Wissenschaftlern ermöglicht, zu beleuchten, wie sich der Boden bei großen Erdbeben bewegt.GPShat zu besseren Warnsystemen für Naturkatastrophen wie Sturzfluten und Vulkanausbrüche geführt. Und Forscher haben sogar einige davon MacGyveredGPS-Empfängerals Schneesensoren, Gezeitenmesser und andere unerwartete Werkzeuge zur Vermessung der Erde genutzt werden.
„Die Leute dachten, ich sei verrückt, als ich anfing, über diese Anwendungen zu sprechen“, sagt Kristine Larson, Geophysikerin an der University of Colorado Boulder, die viele der Entdeckungen leitete und im Annual Review of Earth and Planetary Sciences 2019 darüber schrieb. „Nun, es stellte sich heraus, dass wir es geschafft haben.“
Hier sind einige überraschende Dinge, die Wissenschaftler erst kürzlich erkannt haben, dass sie damit etwas anfangen könnenGPS.
1. FÜHLEN SIE EIN ERDBEBEN
Seit Jahrhunderten verlassen sich Geowissenschaftler auf Seismometer, die messen, wie stark der Boden bebt, um zu beurteilen, wie groß und wie schwer ein Erdbeben ist.GPSEmpfänger dienten einem anderen Zweck – der Verfolgung geologischer Prozesse, die auf viel langsameren Skalen ablaufen, beispielsweise der Geschwindigkeit, mit der sich die großen Erdkrustenplatten in dem als Plattentektonik bekannten Prozess aneinander vorbeischleifen. AlsoGPSkönnte Wissenschaftlern die Geschwindigkeit verraten, mit der die gegenüberliegenden Seiten der San-Andreas-Verwerfung aneinander vorbeikriechen, während Seismometer die Bodenerschütterungen messen, wenn diese kalifornische Verwerfung bei einem Beben bricht.
Das dachten die meisten ForscherGPSEs war einfach nicht möglich, Orte präzise und schnell genug zu messen, um bei der Beurteilung von Erdbeben nützlich zu sein. Doch es stellt sich heraus, dass Wissenschaftler zusätzliche Informationen aus den Signalen herausholen können, die GPS-Satelliten zur Erde übertragen.
Diese Signale kommen in zwei Komponenten an. Eins ist die einzigartige Reihe von Einsen und Nullen, die als Code bezeichnet wirdGPSSatellit sendet. Das zweite ist ein „Träger“-Signal mit kürzerer Wellenlänge, das den Code vom Satelliten überträgt. Da das Trägersignal eine kürzere Wellenlänge hat – nur 20 Zentimeter – im Vergleich zur längeren Wellenlänge des Codes, die mehrere zehn oder hundert Meter betragen kann, bietet das Trägersignal eine hochauflösende Möglichkeit, einen Punkt auf der Erdoberfläche zu lokalisieren. Wissenschaftler, Vermesser, Militär und andere benötigen oft einen sehr genauen GPS-Standort und alles, was dazu nötig ist, ist ein komplizierterer GPS-Empfänger.
Ingenieure haben auch die Geschwindigkeit verbessertGPSEmpfänger aktualisieren ihren Standort, was bedeutet, dass sie sich bis zu 20 Mal pro Sekunde oder öfter aktualisieren können. Als die Forscher erkannten, dass sie so schnell präzise Messungen durchführen konnten, begannen sie, mithilfe von GPS zu untersuchen, wie sich der Boden während eines Erdbebens bewegte.
Im Jahr 2003 untersuchten Larson und ihre Kollegen in einer der ersten Studien dieser Art mithilfe von GPS-Empfängern im Westen der USA, wie sich der Boden verschob, als seismische Wellen von einem Erdbeben der Stärke 7,9 in Alaska ausgingen. Bis 2011 konnten Forscher GPS-Daten des Erdbebens der Stärke 9,1 sammeln, das Japan verwüstete, und zeigen, dass sich der Meeresboden während des Bebens um unglaubliche 60 Meter verschoben hatte.
Heutzutage befassen sich Wissenschaftler umfassender mit der Frage, wieGPS-Datenkann ihnen helfen, Erdbeben schnell einzuschätzen. Diego Melgar von der University of Oregon in Eugene und Gavin Hayes vom US Geological Survey in Golden, Colorado, untersuchten rückblickend zwölf große Erdbeben, um zu sehen, ob sie innerhalb von Sekunden nach Beginn des Bebens abschätzen konnten, wie groß es werden würde. Durch die Einbeziehung von Informationen von GPS-Stationen in der Nähe der Epizentren der Beben konnten die Wissenschaftler innerhalb von 10 Sekunden bestimmen, ob das Beben eine schädliche Stärke von 7 oder eine völlig zerstörerische Stärke von 9 haben würde.
Forscher an der Westküste der USA haben sogar mit einbezogenGPSin ihr junges Erdbeben-Frühwarnsystem ein, das Bodenerschütterungen erkennt und Menschen in entfernten Städten benachrichtigt, ob sie bald von Erschütterungen heimgesucht werden könnten. Und Chile hat es ausgebautGPSNetzwerk, um schneller über genauere Informationen zu verfügen, die dabei helfen können, zu berechnen, ob ein Beben in Küstennähe wahrscheinlich einen Tsunami auslöst oder nicht.
2. ÜBERWACHEN SIE EINEN VULKAN
Jenseits von Erdbeben ist die Geschwindigkeit vonGPShilft Behörden dabei, schneller auf andere Naturkatastrophen zu reagieren.
Viele Vulkanobservatorien haben es zum BeispielGPSEmpfänger, die rund um die Berge angeordnet sind, überwachen sie, denn wenn sich Magma unter der Erde zu bewegen beginnt, führt dies oft auch zu einer Verschiebung der Oberfläche. Durch die Überwachung, wie GPS-Stationen rund um einen Vulkan im Laufe der Zeit steigen oder sinken, können Forscher eine bessere Vorstellung davon bekommen, wohin geschmolzenes Gestein fließt.
Vor dem großen Ausbruch des Kilauea-Vulkans auf Hawaii im vergangenen Jahr nutzten ForscherGPSum zu verstehen, welche Teile des Vulkans sich am schnellsten bewegten. Die Beamten nutzten diese Informationen, um zu entscheiden, aus welchen Gebieten die Bewohner evakuiert werden sollten.
GPS-Datenkann auch nach einem Vulkanausbruch nützlich sein. Da die Signale von Satelliten zum Boden gelangen, müssen sie das Material durchdringen, das der Vulkan in die Luft ausstößt. Im Jahr 2013 untersuchten mehrere ForschungsgruppenGPS-Datenvon einem Ausbruch des Redoubt-Vulkans in Alaska vier Jahre zuvor und stellte fest, dass die Signale kurz nach Beginn des Ausbruchs verzerrt waren.
Durch die Untersuchung der Verzerrungen konnten die Wissenschaftler abschätzen, wie viel Asche ausgestoßen wurde und wie schnell sie sich fortbewegte. In einem darauffolgenden Artikel nannte Larson es „eine neue Möglichkeit, Vulkanwolken zu erkennen“.
Sie und ihre Kollegen haben daran gearbeitet, dies mit der Smartphone-Vielfalt zu erreichenGPS-Empfängerstatt teurer wissenschaftlicher Empfänger. Dadurch könnten Vulkanologen ein relativ kostengünstiges GPS-Netzwerk aufbauen und aufsteigende Aschewolken überwachen. Vulkanwolken sind ein großes Problem für Flugzeuge, die um die Asche herumfliegen müssen, um nicht zu riskieren, dass die Partikel ihre Triebwerke verstopfen.
3. SONDERN SIE DEN SCHNEE
Einige der unerwartetsten Verwendungen vonGPSkommen von den unordentlichsten Teilen seines Signals – den Teilen, die vom Boden abprallen.
Ein typischesGPS-Empfänger, wie das in Ihrem Smartphone, empfängt hauptsächlich Signale, die direkt von dort kommenGPSSatelliten über uns. Es erfasst aber auch Signale, die vom Boden, auf dem Sie laufen, reflektiert und auf Ihrem Smartphone reflektiert werden.
Viele Jahre lang hatten Wissenschaftler geglaubt, diese reflektierten Signale seien nichts weiter als Rauschen, eine Art Echo, das die Daten verwischte und es schwierig machte, herauszufinden, was vor sich ging. Doch vor etwa 15 Jahren begannen Larson und andere sich zu fragen, ob sie die Echos in wissenschaftlichen GPS-Empfängern nutzen könnten. Sie begann, die Frequenzen der Signale zu untersuchen, die vom Boden reflektiert wurden, und wie diese mit den Signalen kombiniert wurden, die direkt beim Empfänger angekommen waren. Daraus konnte sie auf die Eigenschaften der Oberfläche schließen, von der die Echos abprallten. „Wir haben diese Echos einfach rückentwickelt“, sagt Larson.
Dieser Ansatz ermöglicht es Wissenschaftlern, mehr über den Boden unter dem GPS-Empfänger zu erfahren – beispielsweise wie viel Feuchtigkeit der Boden enthält oder wie viel Schnee sich auf der Oberfläche angesammelt hat. (Je mehr Schnee auf den Boden fällt, desto kürzer ist der Abstand zwischen Echo und Empfänger.) GPS-Stationen können als Schneesensoren zur Messung der Schneehöhe fungieren, beispielsweise in Berggebieten, in denen die Schneedecke jedes Jahr eine wichtige Wasserressource darstellt.
Die Technik funktioniert auch gut in der Arktis und Antarktis, wo es nur wenige Wetterstationen gibt, die den Schneefall das ganze Jahr über überwachen. Matt Siegfried, jetzt an der Colorado School of Mines in Golden, und seine Kollegen untersuchten von 2007 bis 2017 die Schneeansammlung an 23 GPS-Stationen in der Westantarktis. Sie fanden heraus, dass sie die Schneeveränderungen direkt messen konnten. Das sind entscheidende Informationen für Forscher, die abschätzen wollen, wie viel Schnee sich jeden Winter auf der Eisdecke der Antarktis ansammelt – und wie dieser im Vergleich zu dem ist, was jeden Sommer wegschmilzt.
4. SPÜREN SIE EINEN UNTERGANG
GPSVielleicht war es ursprünglich eine Möglichkeit, den Standort auf festem Boden zu messen, aber es erweist sich auch bei der Überwachung von Wasserstandsänderungen als nützlich.
Im Juli installierte John Galetzka, ein Ingenieur der geophysikalischen Forschungsorganisation UNAVCO in Boulder, Colorado, GPS-Stationen in Bangladesch, am Zusammenfluss der Flüsse Ganges und Brahmaputra. Ziel war es zu messen, ob sich die Flusssedimente verdichten und das Land langsam absinkt – was es anfälliger für Überschwemmungen bei tropischen Wirbelstürmen und beim Anstieg des Meeresspiegels macht. „GPS ist ein erstaunliches Werkzeug, um diese und weitere Fragen zu beantworten“, sagt Galetzka.
In einer Bauerngemeinde namens Sonatala, am Rande eines Mangrovenwaldes, platzierten Galetzka und seine Kollegen einenGPSStation auf dem Betondach einer Grundschule. Sie errichteten eine zweite Station in der Nähe, auf einer in ein Reisfeld gehämmerten Stange. Wenn der Boden tatsächlich absinkt, sieht es so aus, als würde die zweite GPS-Station langsam aus dem Boden auftauchen. Und durch die Messung der GPS-Echos unter den Stationen können die Wissenschaftler beispielsweise messen, wie viel Wasser während der Regenzeit im Reisfeld steht.
GPS-Empfängerkönnen sogar Ozeanographen und Seefahrern helfen, indem sie als Gezeitenmesser fungieren. Larson stieß darauf, als er mit GPS-Daten aus Kachemak Bay, Alaska, arbeitete. Die Station wurde eingerichtet, um tektonische Verformungen zu untersuchen, aber Larson war neugierig, da die Bucht auch einige der größten Gezeitenschwankungen in den Vereinigten Staaten aufweist. Sie betrachtete die GPS-Signale, die vom Wasser bis zum Empfänger reflektiert wurden, und konnte Gezeitenänderungen fast so genau verfolgen wie ein echter Gezeitenmesser in einem nahegelegenen Hafen.
Dies könnte in Teilen der Welt hilfreich sein, in denen es keine langfristigen Gezeitenmesser gibt, die aber durchaus vorhanden sindGPS-Station in der Nähe.
5. Analysieren Sie die Atmosphäre
Endlich,GPSkann Informationen über den Himmel über uns herausfinden, und zwar auf eine Art und Weise, die Wissenschaftler bis vor ein paar Jahren nicht für möglich gehalten hätten. Wasserdampf, elektrisch geladene Teilchen und andere Faktoren können die Ausbreitung von GPS-Signalen durch die Atmosphäre verzögern, was Forschern neue Entdeckungen ermöglicht.
Eine Gruppe von Wissenschaftlern verwendetGPSum die Menge an Wasserdampf in der Atmosphäre zu untersuchen, die zur Verfügung steht, um als Regen oder Schnee auszufallen. Forscher haben diese Änderungen genutzt, um zu berechnen, wie viel Wasser bei heftigen Regengüssen voraussichtlich vom Himmel fallen wird, sodass Prognostiker ihre Vorhersagen über Sturzfluten an Orten wie Südkalifornien genauer abstimmen können. Während eines Sturms im Juli 2013 verwendeten MeteorologenGPSDaten zur Verfolgung der dort an Land wandernden Monsunfeuchtigkeit, die sich als entscheidende Information für die Ausgabe einer Warnung 17 Minuten vor Sturzfluten erwiesen.
GPS-Signalesind auch betroffen, wenn sie durch den elektrisch geladenen Teil der oberen Atmosphäre, die sogenannte Ionosphäre, wandern. Wissenschaftler haben verwendetGPS-Datenum Veränderungen in der Ionosphäre zu verfolgen, während Tsunamis über den darunter liegenden Ozean rasen. (Die Kraft des Tsunami erzeugt Veränderungen in der Atmosphäre, die sich bis zur Ionosphäre ausbreiten.) Diese Technik könnte eines Tages die traditionelle Methode der Tsunami-Warnung ergänzen, bei der über den Ozean verteilte Bojen verwendet werden, um die Höhe der Wanderwelle zu messen .
Und sogar die Auswirkungen einer totalen Sonnenfinsternis konnten Wissenschaftler damit untersuchenGPS. Im August 2017 nutzten sieGPS-Stationenin den Vereinigten Staaten, um zu messen, wie die Anzahl der Elektronen in der oberen Atmosphäre abnahm, als sich der Schatten des Mondes über den Kontinent bewegte, wodurch das Licht geschwächt wurde, das sonst Elektronen erzeugte.
AlsoGPSist nützlich für alles, von Bodenbeben unter Ihren Füßen bis hin zu Schnee, der vom Himmel fällt. Nicht schlecht für etwas, das einem nur dabei helfen sollte, sich in der Stadt zurechtzufinden.
Dieser Artikel erschien ursprünglich im Knowable Magazine, einem unabhängigen journalistischen Unternehmen von Annual Reviews. Melden Sie sich für den Newsletter an.
