คุณอาจคิดว่าคุณเป็นผู้เชี่ยวชาญในการนำทางผ่านการจราจรในเมือง โดยมีสมาร์ทโฟนอยู่เคียงข้างคุณ คุณอาจจะเดินป่าด้วยกอุปกรณ์ จีพีเอสเพื่อหาทางผ่านเขตทุรกันดาร แต่คุณอาจจะยังแปลกใจกับทุกสิ่งที่เป็นเช่นนั้นจีพีเอส—ระบบกำหนดตำแหน่งบนพื้นโลกที่รองรับการนำทางสมัยใหม่ทั้งหมด—สามารถทำได้
จีพีเอสประกอบด้วยกลุ่มดาวบริวารที่ส่งสัญญาณไปยังพื้นผิวโลก พื้นฐานเครื่องรับ จีพีเอสเช่นเดียวกับที่อยู่ในสมาร์ทโฟนของคุณ จะระบุตำแหน่งที่คุณอยู่—ภายในระยะประมาณ 1 ถึง 10 เมตร—โดยการวัดเวลาที่มาถึงของสัญญาณจากดาวเทียมสี่ดวงขึ้นไป ด้วยนักเล่นที่เก่งกว่า (และแพงกว่า)เครื่องรับ จีพีเอสนักวิทยาศาสตร์สามารถระบุตำแหน่งของตนได้จนถึงระดับเซนติเมตรหรือมิลลิเมตร การใช้ข้อมูลที่ละเอียดดังกล่าวควบคู่ไปกับวิธีใหม่ในการวิเคราะห์สัญญาณ นักวิจัยกำลังค้นพบว่า GPS สามารถบอกพวกเขาเกี่ยวกับดาวเคราะห์ได้มากกว่าที่พวกเขาคิดไว้ในตอนแรก
กว่าทศวรรษที่ผ่านมา รวดเร็วและแม่นยำยิ่งขึ้นอุปกรณ์ จีพีเอสช่วยให้นักวิทยาศาสตร์สามารถให้ความกระจ่างว่าพื้นดินเคลื่อนที่อย่างไรระหว่างเกิดแผ่นดินไหวใหญ่จีพีเอสส่งผลให้ระบบเตือนภัยภัยพิบัติทางธรรมชาติดีขึ้น เช่น น้ำท่วมฉับพลันและภูเขาไฟระเบิด และนักวิจัยยังได้ MacGyvered บ้างเครื่องรับ จีพีเอสเพื่อทำหน้าที่เป็นเซ็นเซอร์ตรวจจับหิมะ มาตรวัดระดับน้ำ และเครื่องมืออื่นๆ ที่ไม่คาดคิดในการวัดโลก
“ผู้คนคิดว่าฉันบ้าไปแล้วเมื่อเริ่มพูดถึงแอปพลิเคชันเหล่านี้” Kristine Larson นักธรณีฟิสิกส์จากมหาวิทยาลัยโคโลราโด โบลเดอร์ ซึ่งเป็นผู้นำการค้นพบมากมายและเขียนเกี่ยวกับสิ่งเหล่านี้ในการทบทวนวิทยาศาสตร์โลกและดาวเคราะห์ประจำปี 2019 กล่าว “เอาล่ะ ปรากฏว่าเราทำได้”
ต่อไปนี้เป็นสิ่งที่น่าประหลาดใจที่นักวิทยาศาสตร์เพิ่งตระหนักว่าสามารถทำได้จีพีเอส.
1. รู้สึกถึงแผ่นดินไหว
เป็นเวลาหลายศตวรรษที่นักธรณีวิทยาอาศัยเครื่องวัดแผ่นดินไหว ซึ่งวัดความสั่นสะเทือนของพื้นดิน เพื่อประเมินว่าแผ่นดินไหวใหญ่แค่ไหนและเลวร้ายเพียงใดจีพีเอสเครื่องรับมีจุดประสงค์ที่แตกต่างออกไป นั่นคือเพื่อติดตามกระบวนการทางธรณีวิทยาที่เกิดขึ้นในระดับที่ช้ากว่ามาก เช่น อัตราที่แผ่นเปลือกโลกขนาดใหญ่ของโลกบดทับกันในกระบวนการที่เรียกว่าแผ่นเปลือกโลก ดังนั้นจีพีเอสอาจบอกนักวิทยาศาสตร์ถึงความเร็วที่ด้านตรงข้ามของรอยเลื่อน San Andreas คืบคลานผ่านกันและกัน ในขณะที่เครื่องวัดแผ่นดินไหวจะวัดแรงสั่นสะเทือนของพื้นดินเมื่อรอยเลื่อนของแคลิฟอร์เนียแตกออกจากแผ่นดินไหว
นักวิจัยส่วนใหญ่ก็คิดอย่างนั้นจีพีเอสไม่สามารถวัดตำแหน่งได้อย่างแม่นยำเพียงพอและเร็วพอที่จะเป็นประโยชน์ในการประเมินแผ่นดินไหว แต่ปรากฎว่านักวิทยาศาสตร์สามารถบีบข้อมูลเพิ่มเติมจากสัญญาณที่ดาวเทียม GPS ส่งมายังโลกได้
สัญญาณเหล่านั้นมาถึงในสององค์ประกอบ หนึ่งคือชุดข้อมูลเฉพาะของหนึ่งและศูนย์หรือที่เรียกว่ารหัสซึ่งแต่ละชุดจีพีเอสส่งสัญญาณดาวเทียม อย่างที่สองคือสัญญาณ "พาหะ" ที่มีความยาวคลื่นสั้นกว่าซึ่งส่งรหัสจากดาวเทียม เนื่องจากสัญญาณพาหะมีความยาวคลื่นสั้นกว่า เพียง 20 เซนติเมตร เมื่อเทียบกับความยาวคลื่นที่ยาวกว่าของรหัสซึ่งอาจยาวเป็นสิบหรือหลายร้อยเมตร สัญญาณพาหะจึงนำเสนอวิธีการที่มีความละเอียดสูงในการระบุจุดบนพื้นผิวโลก นักวิทยาศาสตร์ นักสำรวจ ทหาร และคนอื่นๆ มักต้องการตำแหน่ง GPS ที่แม่นยำมาก และสิ่งที่ต้องทำก็แค่ตัวรับสัญญาณ GPS ที่ซับซ้อนมากขึ้นเท่านั้น
วิศวกรยังได้ปรับปรุงอัตราดังกล่าวอีกด้วยจีพีเอสผู้รับจะอัพเดตตำแหน่งของตน ซึ่งหมายความว่าพวกเขาสามารถรีเฟรชตัวเองได้บ่อยถึง 20 ครั้งต่อวินาทีหรือมากกว่า เมื่อนักวิจัยตระหนักว่าพวกเขาสามารถวัดได้อย่างแม่นยำและรวดเร็วมาก พวกเขาก็เริ่มใช้ GPS เพื่อตรวจสอบว่าพื้นดินเคลื่อนที่อย่างไรระหว่างเกิดแผ่นดินไหว
ในปี พ.ศ. 2546 ในการศึกษาประเภทนี้ครั้งแรก ลาร์สันและเพื่อนร่วมงานของเธอได้ใช้เครื่องรับ GPS ที่กระจายอยู่ทั่วสหรัฐอเมริกาตะวันตก เพื่อศึกษาว่าพื้นดินเคลื่อนตัวอย่างไรเมื่อคลื่นไหวสะเทือนกระเพื่อมจากแผ่นดินไหวขนาด 7.9 ในอลาสกา ภายในปี 2554 นักวิจัยสามารถนำข้อมูล GPS ของแผ่นดินไหวขนาด 9.1 ที่สร้างความเสียหายให้กับญี่ปุ่น และแสดงให้เห็นว่าพื้นทะเลได้เคลื่อนตัวสูง 60 เมตรระหว่างเกิดแผ่นดินไหว
ในปัจจุบัน นักวิทยาศาสตร์กำลังมองหาวิธีในวงกว้างมากขึ้นข้อมูลจีพีเอสสามารถช่วยประเมินแผ่นดินไหวได้อย่างรวดเร็ว ดิเอโก เมลการ์ จากมหาวิทยาลัยออริกอนในยูจีน และเกวิน เฮย์ส จากสำนักงานสำรวจทางธรณีวิทยาของสหรัฐฯ ในเมืองโกลเดน โคโลราโด ศึกษาแผ่นดินไหวขนาดใหญ่ 12 ครั้งย้อนหลัง เพื่อดูว่าภายในไม่กี่วินาทีหลังจากเกิดแผ่นดินไหว จะสามารถบอกได้ว่าแผ่นดินไหวจะใหญ่แค่ไหน ด้วยการรวมข้อมูลจากสถานี GPS ใกล้ศูนย์กลางแผ่นดินไหว นักวิทยาศาสตร์สามารถระบุได้ภายใน 10 วินาทีว่าแผ่นดินไหวครั้งนี้จะสร้างความเสียหายขนาด 7 หรือทำลายล้างขนาด 9 โดยสิ้นเชิง
นักวิจัยตามชายฝั่งตะวันตกของสหรัฐอเมริกายังได้รวมเอาด้วยจีพีเอสเข้าสู่ระบบเตือนภัยแผ่นดินไหวล่วงหน้า ซึ่งตรวจจับแรงสั่นสะเทือนของพื้นดินและแจ้งเตือนผู้คนในเมืองห่างไกลว่าแรงสั่นสะเทือนมีแนวโน้มที่จะกระทบพวกเขาในไม่ช้าหรือไม่ และชิลีก็กำลังสร้างมันขึ้นมาจีพีเอสเพื่อให้มีข้อมูลที่แม่นยำและรวดเร็วยิ่งขึ้น ซึ่งจะช่วยคำนวณได้ว่าแผ่นดินไหวใกล้ชายฝั่งมีแนวโน้มที่จะก่อให้เกิดสึนามิหรือไม่
2. ตรวจสอบภูเขาไฟ
นอกเหนือจากแผ่นดินไหวด้วยความเร็วของจีพีเอสช่วยให้เจ้าหน้าที่ตอบสนองต่อภัยพิบัติทางธรรมชาติอื่นๆ ได้รวดเร็วยิ่งขึ้นในขณะที่เหตุการณ์ดังกล่าวเกิดขึ้น
ตัวอย่างเช่น หอสังเกตการณ์ภูเขาไฟหลายแห่งมีจีพีเอสตัวรับที่เรียงกันรอบๆ ภูเขาที่พวกเขาเฝ้าสังเกต เพราะเมื่อแมกมาเริ่มขยับตัวใต้ดิน ก็มักจะทำให้พื้นผิวขยับเช่นกัน ด้วยการเฝ้าติดตามว่าสถานี GPS รอบภูเขาไฟเพิ่มขึ้นหรือจมเมื่อเวลาผ่านไปอย่างไร นักวิจัยสามารถเข้าใจได้ดีขึ้นว่าหินหลอมเหลวไหลไปที่ใด
ก่อนการปะทุครั้งใหญ่ของภูเขาไฟ Kilauea ในฮาวายเมื่อปีที่แล้ว นักวิจัยใช้จีพีเอสเพื่อทำความเข้าใจว่าส่วนใดของภูเขาไฟมีการเคลื่อนตัวอย่างรวดเร็วที่สุด เจ้าหน้าที่ใช้ข้อมูลดังกล่าวเพื่อช่วยตัดสินใจว่าจะอพยพประชาชนออกจากพื้นที่ใด
ข้อมูลจีพีเอสยังมีประโยชน์แม้หลังจากภูเขาไฟปะทุแล้ว เนื่องจากสัญญาณเดินทางจากดาวเทียมไปยังภาคพื้นดิน พวกเขาจะต้องผ่านวัตถุใดก็ตามที่ภูเขาไฟพุ่งขึ้นไปในอากาศ ในปี พ.ศ. 2556 มีกลุ่มวิจัยหลายกลุ่มที่ทำการศึกษาข้อมูลจีพีเอสจากการปะทุของภูเขาไฟ Redoubt ในอลาสกาเมื่อสี่ปีก่อน และพบว่าสัญญาณมีการบิดเบี้ยวไม่นานหลังจากการปะทุเริ่มขึ้น
จากการศึกษาความบิดเบี้ยว นักวิทยาศาสตร์สามารถประมาณปริมาณเถ้าที่พ่นออกมาและเดินทางได้เร็วแค่ไหน ในรายงานฉบับต่อมา Larson เรียกมันว่า "วิธีใหม่ในการตรวจจับปล่องภูเขาไฟ"
เธอและเพื่อนร่วมงานกำลังหาวิธีที่จะทำเช่นนี้ด้วยสมาร์ทโฟนที่หลากหลายเครื่องรับ จีพีเอสมากกว่าเครื่องรับทางวิทยาศาสตร์ราคาแพง นั่นอาจทำให้นักภูเขาไฟวิทยาสามารถตั้งค่าเครือข่าย GPS ที่มีราคาไม่แพงและติดตามเถ้าถ่านที่เพิ่มขึ้นได้ ควันภูเขาไฟเป็นปัญหาใหญ่สำหรับเครื่องบินที่ต้องบินไปรอบๆ เถ้าถ่าน แทนที่จะเสี่ยงที่อนุภาคจะอุดตันเครื่องยนต์ไอพ่น
3. สำรวจหิมะ
การใช้งานที่ไม่คาดคิดที่สุดของจีพีเอสมาจากส่วนที่ยุ่งที่สุดของสัญญาณ ซึ่งก็คือส่วนที่กระเด็นจากพื้น
เป็นแบบอย่างเครื่องรับ จีพีเอสเช่นเดียวกับในสมาร์ทโฟนของคุณ ส่วนใหญ่จะรับสัญญาณที่มาจากโดยตรงจีพีเอสดาวเทียมเหนือศีรษะ แต่ยังรับสัญญาณที่สะท้อนกลับบนพื้นที่คุณเดินและสะท้อนไปยังสมาร์ทโฟนของคุณอีกด้วย
เป็นเวลาหลายปีที่นักวิทยาศาสตร์คิดว่าสัญญาณที่สะท้อนเหล่านี้เป็นเพียงเสียงรบกวน ซึ่งเป็นเสียงสะท้อนที่ทำให้ข้อมูลสับสน และทำให้ยากที่จะเข้าใจว่าเกิดอะไรขึ้น แต่เมื่อประมาณ 15 ปีที่แล้ว ลาร์สันและคนอื่นๆ เริ่มสงสัยว่าพวกเขาสามารถใช้ประโยชน์จากเสียงสะท้อนในเครื่องรับ GPS ทางวิทยาศาสตร์ได้หรือไม่ เธอเริ่มดูที่ความถี่ของสัญญาณที่สะท้อนจากพื้นดิน และความถี่ของสัญญาณที่สะท้อนจากพื้นดิน และความถี่ของสัญญาณที่ส่งถึงเครื่องรับโดยตรง จากนั้นเธอสามารถสรุปคุณสมบัติของพื้นผิวที่เสียงสะท้อนสะท้อนออกมาได้ “เราแค่ทำวิศวกรรมย้อนกลับกับเสียงสะท้อนเหล่านั้น” ลาร์สันกล่าว
วิธีการนี้ช่วยให้นักวิทยาศาสตร์สามารถเรียนรู้เกี่ยวกับพื้นดินใต้เครื่องรับ GPS เช่น ปริมาณความชื้นในดินหรือปริมาณหิมะที่สะสมบนพื้นผิว (ยิ่งหิมะตกบนพื้นดิน ระยะห่างระหว่างเสียงก้องและเครื่องรับก็จะยิ่งสั้นลง) สถานี GPS สามารถทำงานเป็นเซ็นเซอร์หิมะเพื่อวัดความลึกของหิมะ เช่น ในพื้นที่ภูเขาที่มีถุงหิมะเป็นแหล่งน้ำหลักในแต่ละปี
เทคนิคนี้ยังใช้ได้ผลดีในแถบอาร์กติกและแอนตาร์กติกา ซึ่งมีสถานีตรวจอากาศไม่กี่แห่งที่ติดตามปริมาณหิมะตลอดทั้งปี Matt Siegfried ปัจจุบันอยู่ที่ Colorado School of Mines ในเมือง Golden และเพื่อนร่วมงานของเขาได้ศึกษาการสะสมของหิมะที่สถานี GPS 23 แห่งในแอนตาร์กติกาตะวันตกระหว่างปี 2550 ถึง 2560 พวกเขาพบว่าสามารถวัดหิมะที่เปลี่ยนแปลงได้โดยตรง นั่นเป็นข้อมูลสำคัญสำหรับนักวิจัยที่ต้องการประเมินจำนวนหิมะที่แผ่นน้ำแข็งแอนตาร์กติกสร้างขึ้นในแต่ละฤดูหนาว และเปรียบเทียบอย่างไรกับสิ่งที่ละลายไปในแต่ละฤดูร้อน
4. รู้สึกถึงการจม
จีพีเอสอาจเริ่มต้นจากการวัดตำแหน่งบนพื้นแข็ง แต่กลับกลายเป็นว่ามีประโยชน์ในการติดตามการเปลี่ยนแปลงของระดับน้ำด้วย
ในเดือนกรกฎาคม John Galetzka วิศวกรขององค์กรวิจัยธรณีฟิสิกส์ UNAVCO ในเมืองโบลเดอร์ รัฐโคโลราโด พบว่าตัวเองกำลังติดตั้งสถานี GPS ในบังกลาเทศ บริเวณทางแยกของแม่น้ำคงคาและแม่น้ำพรหมบุตร เป้าหมายคือการวัดว่าตะกอนในแม่น้ำกำลังอัดแน่นและแผ่นดินกำลังจมอย่างช้าๆ หรือไม่ ทำให้เสี่ยงต่อการเกิดน้ำท่วมในช่วงพายุหมุนเขตร้อนและระดับน้ำทะเลที่สูงขึ้น “GPS เป็นเครื่องมือที่ยอดเยี่ยมที่ช่วยตอบคำถามนี้และอื่นๆ อีกมากมาย” Galetzka กล่าว
ในชุมชนเกษตรกรรมชื่อ Sonatala ริมป่าชายเลน Galetzka และเพื่อนร่วมงานของเขาได้วางชุมชนแห่งหนึ่งไว้แห่งหนึ่งจีพีเอสสถานีบนหลังคาคอนกรีตของโรงเรียนประถมศึกษา พวกเขาตั้งสถานีที่สองใกล้ ๆ กัน บนยอดไม้ที่ตอกเข้าไปในนาข้าว หากพื้นดินกำลังจมจริงๆ สถานี GPS ที่สองจะดูราวกับว่าค่อยๆ โผล่ขึ้นมาจากพื้นดิน และด้วยการวัดสัญญาณ GPS สะท้อนใต้สถานี นักวิทยาศาสตร์สามารถวัดปัจจัยต่างๆ เช่น ปริมาณน้ำที่ค้างอยู่ในนาข้าวในช่วงฤดูฝน
เครื่องรับ จีพีเอสยังสามารถช่วยเหลือนักสมุทรศาสตร์และนักเดินเรือโดยทำหน้าที่เป็นเครื่องวัดระดับน้ำ Larson สะดุดกับสิ่งนี้ขณะทำงานกับข้อมูล GPS จากอ่าว Kachemak รัฐอะแลสกา สถานีนี้ก่อตั้งขึ้นเพื่อศึกษาการเคลื่อนตัวของเปลือกโลก แต่ลาร์สันสนใจเพราะอ่าวแห่งนี้ยังมีการเปลี่ยนแปลงของกระแสน้ำที่ใหญ่ที่สุดในสหรัฐอเมริกาอีกด้วย เธอดูสัญญาณ GPS ที่กระดอนจากน้ำและขึ้นไปบนเครื่องรับ และสามารถติดตามการเปลี่ยนแปลงของกระแสน้ำได้เกือบจะแม่นยำพอๆ กับมาตรวัดระดับน้ำจริงในท่าเรือใกล้เคียง
สิ่งนี้อาจมีประโยชน์ในบางพื้นที่ของโลกที่ไม่ได้ตั้งค่ามาตรวัดน้ำขึ้นน้ำลงในระยะยาว แต่บังเอิญมีสถานี GPS ใกล้เคียง.
5. วิเคราะห์บรรยากาศ
ในที่สุด,จีพีเอสสามารถล้อเลียนข้อมูลเกี่ยวกับท้องฟ้าเหนือศีรษะ ในแบบที่นักวิทยาศาสตร์ไม่เคยคิดว่าจะเป็นไปได้จนกระทั่งเมื่อไม่กี่ปีก่อน ไอน้ำ อนุภาคที่มีประจุไฟฟ้า และปัจจัยอื่นๆ อาจทำให้สัญญาณ GPS ที่เดินทางผ่านชั้นบรรยากาศล่าช้า และนั่นทำให้นักวิจัยสามารถค้นพบสิ่งใหม่ๆ ได้
นักวิทยาศาสตร์กลุ่มหนึ่งใช้จีพีเอสเพื่อศึกษาปริมาณไอน้ำในบรรยากาศที่ตกตะกอนออกมาเป็นฝนหรือหิมะ นักวิจัยได้ใช้การเปลี่ยนแปลงเหล่านี้เพื่อคำนวณปริมาณน้ำที่มีแนวโน้มที่จะตกลงมาจากท้องฟ้าเมื่อมีฝนตกลงมา ทำให้นักพยากรณ์สามารถปรับการคาดการณ์น้ำท่วมฉับพลันในสถานที่ต่างๆ เช่น แคลิฟอร์เนียตอนใต้ ได้ ในช่วงที่เกิดพายุเดือนกรกฎาคม พ.ศ. 2556 นักอุตุนิยมวิทยาได้ใช้จีพีเอสข้อมูลเพื่อติดตามความชื้นมรสุมที่เคลื่อนตัวบนฝั่ง ซึ่งกลายเป็นข้อมูลสำคัญในการออกคำเตือน 17 นาทีก่อนเกิดน้ำท่วมฉับพลัน
สัญญาณ จีพีเอสยังได้รับผลกระทบเมื่อเดินทางผ่านส่วนที่ประจุไฟฟ้าของชั้นบรรยากาศชั้นบน ที่เรียกว่าไอโอโนสเฟียร์ นักวิทยาศาสตร์ได้ใช้ข้อมูลจีพีเอสเพื่อติดตามการเปลี่ยนแปลงในชั้นบรรยากาศรอบนอกเมื่อคลื่นสึนามิเคลื่อนตัวข้ามมหาสมุทรด้านล่าง (พลังของสึนามิทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงในชั้นบรรยากาศที่กระเพื่อมไปจนถึงชั้นไอโอโนสเฟียร์) วันหนึ่ง เทคนิคนี้สามารถเสริมวิธีการเตือนภัยสึนามิแบบดั้งเดิมได้ ซึ่งใช้ทุ่นที่จุดข้ามมหาสมุทรเพื่อวัดความสูงของคลื่นที่กำลังเคลื่อนที่ .
และนักวิทยาศาสตร์ยังสามารถศึกษาผลกระทบของสุริยุปราคาเต็มดวงได้โดยใช้จีพีเอส- ในเดือนสิงหาคม 2560 พวกเขาใช้สถานี จีพีเอสทั่วทั้งสหรัฐอเมริกาเพื่อวัดว่าจำนวนอิเล็กตรอนในชั้นบรรยากาศชั้นบนลดลงอย่างไรเมื่อเงาของดวงจันทร์เคลื่อนตัวไปทั่วทวีป ทำให้แสงที่ก่อให้เกิดอิเล็กตรอนสลัวลง
ดังนั้นจีพีเอสมีประโยชน์สำหรับทุกสิ่งตั้งแต่พื้นดินสั่นสะเทือนใต้ฝ่าเท้าไปจนถึงหิมะที่ตกลงมาจากท้องฟ้า ไม่เลวสำหรับบางสิ่งบางอย่างที่ควรจะช่วยให้คุณหาทางข้ามเมืองได้
บทความนี้เดิมปรากฏในนิตยสาร Knowable ซึ่งเป็นความพยายามด้านนักข่าวอิสระจากบทวิจารณ์ประจำปี ลงทะเบียนเพื่อรับจดหมายข่าว
